激光是如何産生的？
激光是20世紀的重大發明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”[1]。激光的英文名稱Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）為首字母縮略詞，意為受激輻射光放大，描述了激光産生的原理。下面，讓我們來看看激光是如何産生的。
圖1 圖片來源于網絡。
激光的理論基礎受激輻射的理論是激光産生的基礎，這個理論在1917年由愛因斯坦提出。圖2中展示了激光增益介質中的兩個能級S1和S2，分别對應了激光躍遷的下能态和上能态。他們之間的能量差E2–E1等于hν（普朗克常數與光波頻率的乘積）。當系統處于能級S1時并受到能量為hν的光子照射時，有一定的概率吸收光子并躍遷至能級S2，這個過程叫做受激吸收（Stimulated Absorption）。當系統處于能級S2時，有一定的概率躍遷至能級S1并釋放熒光光子hν，該過程被稱為自發輻射 (Spontaneous Emission)。如果該系統正處于能級S2，并且受到hν的照射，該系統有一定概率釋放出一個與入射光子頻率、相位1、傳播方向均相同的光子，這個過程被稱為受激輻射 (Stimulated Emission)：
圖2 二能級系統與光子作用的示意圖。
如果将這樣含有大量處于S2能級分子的增益介質置于兩個相向的平行反射鏡之間（見圖3），部分垂直于鏡面的熒光光子可以通過受激輻射放大，形成自激振蕩，從而發出激光。這個諧振腔左端的光學元件稱為輸出耦合器（Output Coupler），相當于具有一定透射率的反射面，是諧振腔内激光的出口。
圖3 激光諧振腔工作示意圖。
激光産生的關鍵盡管激光的基礎理論早已發表，直到1960年人們才制造出世界上第一台激光。這是因為缺乏有效方式将能量注入到受激輻射相關的能級系統中。在一般情況下，受激輻射非常微弱，甚至難以觀測，更不要說用它來産生激光了。當物質處于熱平衡狀态時，分子在能級上的分布遵從玻爾茲曼分布，下能态S1上的粒子數N1遠遠大于上能态S2的粒子數N2，對hν光子的吸收遠大于受激輻射，無法在宏觀上實現光信号的放大。
激光産生的關鍵就在于實現粒子數反轉，使N2>N1。目前的激光器工作時，需要采用适當的激勵（泵浦）方式實現特定能級的粒子數反轉。泵浦方式有用于Nd:YAG（钕钇鋁石榴石）激光、Ti:Saphhire（钛寶石）激光以及染料激光等等的光泵浦，HeNe（氦氖）激光、準分子激光的放電泵浦等等。
這裡以染料激光為例，介紹如何實現粒子數反轉。染料激光的增益介質為有機染料溶液，常用的染料有藍、紫光波段的香豆素（Coumarin），紅、黃光波段的羅丹明（Rhodamine）等。如圖4所示，有機染料的激光躍遷主要發生在S0和S1單重态的能帶。這兩個能帶由許多轉動和振動能級組成，在溶液中由于碰撞加寬，這兩條能帶可以看作是連續的。在激光産生過程中，染料分子受到泵浦光的照射從S0帶的底層能級躍遷至S1帶，然後迅速通過無輻射躍遷至S1的最底層能級，也就是激光躍遷的上能态。在激光躍遷中，分子躍遷至S0能帶中的指定能級，并釋放光子，随後迅速躍遷至S0能帶的底層能級。因為激光躍遷的上能态S2具有較長的壽命，而S1的壽命十分短暫，又在泵浦光的作用下，大量分子被激發至上能态S2，粒子數反轉就得以實現。在激光發生的同時，染料分子在S1帶發生系間竄越（Intersystem Crossing）進入T1壽命較長的三重态系統脫離激光躍遷循環，影響激光效率。因此染料激光工作時，需要循環利用染料溶液。圖5為工作中的染料激光器，可以看到循環系統的管路。
圖4 染料激光器能級示意圖。
圖5 工作中的染料激光器。
激光的波長很多激光器具有很好的單色性，即輸出光的光譜帶寬狹窄。激光的輸出光譜是否狹窄，與以下幾個因素有關。首先，激光增益介質與泵浦方式的決定了哪個波段的光子可以被放大。像氣體激光器、準分子激光器、Nd:YAG激光器這樣能級稀疏且能量分布狹窄的增益介質，産生的激光自然具有很窄的線寬。
另一方面，激光的單色性可以通過諧振腔調節。激光染料、Ti:Saphhire寶石具有能量較寬的能級，具有數十納米的工作波長範圍，如果需要産生單色性好的激光，需要設定諧振腔對不同光譜成分的衰減，達到對特定光譜成分的放大。在圖6中繪制了染料激光器諧振腔的示意圖。染料溶液裝入透明的染料池中，置于激光光路中。泵浦光從垂直于諧振腔光路方向照射染料池實現泵浦。激光波長的調諧是通過諧振腔中的色散光路完成的。染料激光的諧振腔中放置了3000 g/mm的光栅，諧振腔中的光入射到光栅後根據波長沿不同角度出射。因此隻有特定的波長的光（帶寬約2 pm）線是垂直于在可以在諧振腔中起振發出激光。通過轉動光栅可以選定激光波長。
圖6 染料激光器諧振腔示意圖。
通過輸入種子光的方式，也可以對諧振腔的輸出波長進行調節。通常，種子光的光譜帶寬小于諧振腔工作波長的帶寬。諧振腔的出光過程中，不同頻率成分的光存在競争關系。在激光産生初期，種子光能量遠大于其他波長的能量，因此種子光吸收了增益介質中的大部分能量，并且抑制了非種子光成分的放大。使用單色性高的種子光可以減少諧振腔輸出激光的帶寬。
1 怎樣理解相位這個概念呢？打個通俗的比方，在隊列訓練中，為了達到整齊的效果，不僅要求每一個成員的行進速度、方向、邁步頻率一緻，踢腿擺臂也要實現同步。這種同步即相位相同。
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