激光的原理是什么?

光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。

微观粒子都具有特定的一套能级(通常这些能级是分立的)。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态(或者简单地表述为处在某一个能级上)。与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E,频率为V=△E/h(h为普朗克常量)。

1.受激吸收(简称吸收)

处于较低能级的粒子在受到外界的激发(即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用,如与光子发生非弹

性碰撞),吸收了能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。

2.自发辐射

粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存在着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率 V=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态、传播方向上的一致,是物理上所说的非相干光。

3.受激辐射、激光

1917年爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为 V=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。

可以设想,如果大量原子处在高能级E2上,当有一个频率 V=(E2-E1)/h的光子入射,从而激励E2上的原子产生受激辐射,得到两个特征完全相同的光子,这两个光子再激励E2能级上原子,又使其产生受激辐射,可得到四个特征相同的光子,这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。

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