[拼音]：jiguang

[外文]：laser-light amplification by stimulated emission of radiation

受激發(fā)射產(chǎn)生的光。利用受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光波放大或振蕩的器件，稱為激光器。自從氨分子微波激射器和紅寶石微波量子放大器研制成功后，形成了一門新的學(xué)科──量子電子學(xué)。量子電子學(xué)在微波段獲得成功，促使美國(guó)C.H.湯斯和A.L.肖洛、蘇聯(lián)Н.Г.巴索夫和А.М.普羅霍洛夫等提出在光波段也可構(gòu)成類似器件的設(shè)想。1960年，美國(guó)T.H.梅曼制成第一臺(tái)紅寶石激光器。它標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生。從此，激光技術(shù)的發(fā)展十分迅速，已用幾百種激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了光放大，或制成了光振蕩器，獲得了紅外（包括遠(yuǎn)、中、近紅外輻射）、可見(jiàn)光、紫外（近、真空）和可調(diào)諧激光（見(jiàn)氣體激光器、固體激光器、自由電子激光器、可調(diào)諧激光器）。

激光產(chǎn)生

若原子或分子等微觀粒子具有高能級(jí)E₂和低能級(jí)E₁，E₂和E₁能級(jí)上的布居數(shù)密度為N₂和N₁，在兩能級(jí)間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過(guò)程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場(chǎng)的單色能量密度。當(dāng)兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時(shí)，兩種過(guò)程的幾率相等。在熱平衡情況下N₂＜N₁，所以受激吸收躍遷占優(yōu)勢(shì)，光通過(guò)物質(zhì)時(shí)通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵(lì)可以破壞熱平衡而使N₂＞N₁，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢(shì)。光通過(guò)一段長(zhǎng)為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)(激活物質(zhì))后，光強(qiáng)增大e^Gl倍。G為正比于(N₂–N₁)的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。

如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡（其中至少有一個(gè)是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中（圖1），處于高能級(jí)的粒子會(huì)產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外;軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增長(zhǎng)。如果諧振腔內(nèi)單程小信號(hào)增益G₀l大于單程損耗δ(G₀是小信號(hào)增益系數(shù))，則可產(chǎn)生自激振蕩。此時(shí)從部分透射鏡輸出一束受激發(fā)射光──激光。

激光器由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)、光學(xué)諧振腔組成（圖2）。

激光模式

在光諧振腔內(nèi)存在的滿足邊界條件的電磁場(chǎng)，其本征態(tài)稱為激光模式。不同模式具有不同的頻率和不同的場(chǎng)分布。光腔模式可以分解為縱模和橫模，分別對(duì)應(yīng)于光腔模的縱向（腔軸 z方向）光場(chǎng)分布和橫向（x、y方向）光場(chǎng)分布。通常用TEM來(lái)標(biāo)志模式，m、n、q為正整數(shù)。橫模指數(shù)m和n分別表示在x和 y方向上（軸對(duì)稱情況）光場(chǎng)為零的次數(shù)（圖3）；縱模指數(shù)q 表示駐波場(chǎng)在z 方向上的波腹數(shù)。振蕩縱模數(shù)目決定于腔長(zhǎng)、激光工作物質(zhì)的自發(fā)發(fā)射譜線寬度、激勵(lì)強(qiáng)弱、損耗大小和譜線加寬機(jī)制。在適當(dāng)?shù)臈l件下可獲得單縱模振蕩。振蕩橫模數(shù)目決定于諧振腔結(jié)構(gòu)、激勵(lì)強(qiáng)弱和損耗大小等。在適當(dāng)?shù)臈l件下可以獲得m＝n＝0振蕩?；EM_00q的頻率ν=qc/2ηl，式中c為光速，η為激光工作物質(zhì)的折射率，l為腔長(zhǎng)。

激光特性

普通光源發(fā)出的自發(fā)發(fā)射光具有較寬的譜線寬度。在普通光源中，單色性最好的氪燈，在低溫條件下譜線寬度??λ為0.0047埃。由于諧振腔的頻率選擇作用，激光具有很好的單色性。例如，單模穩(wěn)頻的氦氖激光器所發(fā)射的6328埃激光，其譜線寬度??λ可小于10^-7埃。

普通光源所發(fā)射的光射向四面八方。而在激光器中，由于諧振腔的作用，只有軸向傳播的光能在腔內(nèi)往返傳播形成激光，因而激光具有很好的方向性。激光所能具有的最小發(fā)散角θ受衍射極限的限制，θ≈λ/2??，式中λ為激光波長(zhǎng)，??為諧振模的腰部直徑。

普通光源所發(fā)出的自發(fā)發(fā)射光是非相干的。激光是在同一相干輻射場(chǎng)感生下產(chǎn)生的受激發(fā)射光，所以激光的相干性很好。例如，單模穩(wěn)頻氦氖激光器所發(fā)射的激光，具有數(shù)百米的相干長(zhǎng)度，而且光束截面上任何兩點(diǎn)的光場(chǎng)也是完全相干的。

若在光學(xué)諧振腔內(nèi)放置一個(gè)用以調(diào)制諧振腔Q 值的快速光開(kāi)關(guān)，并使光開(kāi)關(guān)在開(kāi)始激勵(lì)后的一段時(shí)間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣就不能形成振蕩，激光躍遷的上能級(jí)會(huì)積累大量粒子。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度達(dá)到最大時(shí)，光開(kāi)關(guān)迅速打開(kāi)，可得到持續(xù)時(shí)間很短(10^-7～10^-9秒)、峰值功率很高(大于兆瓦)的脈沖激光。采用鎖模技術(shù)，使光束中不同振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系(相位鎖定)，從而使各個(gè)縱模相干疊加，可得到峰值功率為10¹²～10¹³瓦、脈寬為10^-11～10^-13秒的超短脈沖激光。激光能量在空間上和時(shí)間上的高度集中，使激光具有普通光所達(dá)不到的高亮度。

激光應(yīng)用

激光在材料加工、焊接、精密計(jì)量、全息技術(shù)、準(zhǔn)直、印刷、集成電路微加工、激光傳感和醫(yī)療等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。在與傳統(tǒng)電子技術(shù)密切相關(guān)的光電子技術(shù)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用有:光纖通信、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光錄像、激光存儲(chǔ)、激光顯示和激光計(jì)算機(jī)等。激光在同位素分離、激光化學(xué)、光武器等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。激光引發(fā)核聚變是實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)的重要途徑之一。激光在科學(xué)研究上的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。

參考書目

1. A.E.Siegman，An Introduction to Laser and Maser，McGraw-Hill，New York，1971.

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