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光学仪器技术
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周二, 2009年 08月 18日 22:21 |
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在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子 吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的 光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的光子是一视同仁的。在光子作用下，高 能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子 远远多于位于低能级的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布率。因此，位于高能级的原 子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。 光学设计网
所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率， 位于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。如何才能达到粒子数反转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活媒 质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子 数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。 承接光学设计项目
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处于粒子数反转分布状态的工作物质是如何产生激光的呢？激光谐振腔又起什么作用呢？下面就来回答这些问题。 0
如前所述，处于激发态的原子不能长时间停留在高能级。即使没有外界作用，也会自发地由高能级向低能级跃迁，并辐射一个光子。因为原子的这种自发辐射是完全独立的，所以，不同原子发射光子的方向全然不同。刹那间，工作物质中出现沿四面八方传播的光子，如图所示。 承接光学设计项目
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假定工作物质具有圆柱形状，这些自发辐射光子必有一部分沿其中心轴的方向传播，多数则与中心轴有一定夹角。后一类“离心离德”的光子很快从工作物质的侧面 逃逸出去，对激光的产生没有多大影响；前一类“同心同德”的光子在沿工作物质中心轴方向运动时，将引起路径上处于高能级原子的受激辐射，产生与其具有相同 频率、相同位相，并沿相同方向传播的光子。该光子与诱发它的光子“齐心协力，并肩战斗”，激励其他原子辐射与它们相同的光子。如此下去，使光子数由1到 2，由2到4，……以神奇的速度按指数规律增长。更为神奇的是，由于所有这些光子都是逐次受激辐射产生的，这使它们全部具有相同频率、相同初位相、相同偏 振态，并沿相同方向传播，如图1-2（b）所示。
理论上讲，只要工作物质足够长，则不管初始自发辐射有多弱，最终总可以被放大到一定强度。但在实际激光器中，一般来说，工作物质既没有必要，也没有可能特 别长（最近发展起来的以光纤为工作物质的激光器是一个例外），通常的做法是在其两端各放一块反射镜，使光得以来回反射多次通过工作物质并被不断放大，如图 1-2（c）所示。为充分利用光能，介质往往被置于一聚光腔体中，后者与端面反射镜共同构成激光谐振腔，如图1-2（d）所示。
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由以上的讨论可以看出，激光作为一种光，与自然界其他发光一样，是由原子（或分子、离子等）跃迁产生的，而且是由自发辐射引起的。不同的是，普通光源自始 至终都是由自发辐射产生的，因而含有不同频率（或不同波长、不同颜色）的成分，并向各个方向传播。激光则仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程 完全由受激辐射决定。正是这一原因，使激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，极高的发光强度。而正是这些神奇的特性，使激光在各个领域具有一系列 令人难以置信而又不得不相信的应用。
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