激光原理

写在前面的话：

     “激光技术”是一门很深奥的科学。虽说激光的发明距今仅62年，但从理论架构上看，其基本原理已在波动光学、量子物理中都得到了较为完备的解释。作为一名大四在读本科生，本人对物理学的框架知之甚微，诚惶诚恐完成本系列，有个别疏漏不到之处还望指正包涵。

    我始终认为，脱离数学谈物理纯属扯x，但又希望能够将激光这门新颖又有趣的学科用我自己的话分享出来。秉持对科学严谨认真的精神，上篇文章先简谈了激光的发展历史。本篇科普文以思考的形式展开，力求做到‘大白话’描述讳莫如深的课本，代价是某种程度上叙述不够严谨，望体谅。

    谈及“激光”，我们可能首先想到的就是激光笔。

    的确，稍微观察就可以发现，激光和我们常见的节能灯管、LED等光源发出的光不一样。前者发出的光强度更高（在单一方向上的能量密度要比传统的大功率常亮灯高得多）、方向性更强（不然也不能当指示笔用，是吧？）、相干性更强（频谱分析中对应脉冲宽度更小）等。好了，同样都是将电转化成光，为啥激光能实现这么多优秀特性？

这要从“激光”的名字入手：这个词在国外叫Laser，刚进入我国时音译做“镭射”（港台地区仍在沿用），后来有科研工作者根据其英文名称

“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”

    取之中文意义：受激辐射放大。...又长又拗口，于是钱学森钱老根据Laser的产生需要“激发放大”这一特点，最终起名叫做激光。

看完上述，相信你已经大致有个印象：激光之所以能发光，尤其是性能这么好的光，与其自身“受激辐射放大”的特性密不可分。

   量子物理告诉我们：物质是由原子、分子或离子组成的，原子又由带正电的原子核及绕核运动的电子组成。其中，电子绕原子核在特定的轨道(能级)上运动，而玻尔理论告诉我们轨道(能级)的能量是呈离散分布的。在不同能级运动的电子能量不同，能级越高相应能量越高。

    行文至此，我们隐约可能猜到：发光，可能与电子由高能级向低能级跃迁时，释放的能量有关。

    正解。其实电子在由高能级向低能级跃迁时，可以通过辐射跃迁或非辐射跃迁向外释放能量。前者顾名思义，在满足选择定则条件下，会向外释放光子；后者能量则纯粹以热能形式散失。

    如果你已经看到这里，祝贺初步掌握了普通灯管、LED等发光的基本原理：高能级粒子向低能级辐射跃迁。这个过程就是著名的“自发辐射”，原理图如下所示。

    根据能量守恒定律，能量不可能凭空产生也不能凭空消失。同时根据玻尔兹曼定律，电子更趋向于存在于稳定的最低能级。因此，我们需要源源不断地将低能级的电子向高能级输运，才能保证上能级一直有粒子向下辐射跃迁。通过提供能量，将粒子由下能级向上能级运输的过程叫做“受激吸收”。

    以上都了解之后，激光又是如何产生的呢？

    有没有可能存在这样一种情况：一个处于高能级E2的粒子向低能级E1跃迁时，受到一个能量同为E2-E1的光子扰动，辐射跃迁的同时释放了一个和扰动量完全相同的光子。这个过程被称作“受激辐射”，此过程最终释放的的两个光子具备很高相干性，属于同一光子态。详细过程需要利用量子电动力学解释，在此不再赘述。

根据之前的分析，只有满足辐射跃迁选择定则的原子才有可能产生辐射跃迁（能级向下跃迁，伴随释放光子），也才有可能产生受激辐射效应。这种协助提供适宜能级结构的物质被称作增益介质。同时，还需要一种行之有效的“设备”能够及时将低能级粒子抽运（又称泵浦）到高能级，并确保受激辐射速率远大于自发辐射速率，这种“设备”被称为激励源。

光在传播过程中，受激辐射是一直存在的。我们肯定会说：那好呀，让光束在激光系统内多传播经过一些，这样会有更多的光子参与受激辐射，相应也会产生更多倍数量的光子嘛！

真的可以吗？

可以，但不现实。比如世界第一台激光器以红宝石作为增益介质，红宝石，这东西你懂得，太贵了...而且对其介质内部的均匀性、杂质浓度等要求很高。于是，researchers巧妙地想到了在一个有限长的增益介质两端加上反射镜，不就可以保证光束在两个反射镜之间来回振荡，延长光路的同时，不断放大光强吗？

没问题，但光都限制在两个腔镜内部了，怎么导出来呢？

好办。我们可以在两个反射镜上分别镀膜（薄膜设计理论有机会单开专题讲解），其中一个镜子镀膜为全反射镜（反射率足够大，尽量达到100%）；另一个为部分反射镜，透射率在2%左右。这样激光就可以从有一定透射率的“部分反射镜”输出，出光完成！这两片镜子组成的镜组被称作谐振腔。

综合上述，我们搞清楚了一个激光系统最基本的三要素：增益介质、谐振腔、激励源。

与此同时，谐振腔还可以起到选单一纵模频率、确定出射光方向等作用，具体在下期带入公式详解。

    在了解了激光发光的基本原理——受激辐射能产生更同步、相干性更高的光子后，我们再具体分析激光系统还有其他要求吗？

    根据之前的分析，只有满足辐射跃迁选择定则的原子才有可能产生辐射跃迁（能级向下跃迁，伴随释放光子），也才有可能产生受激辐射效应。这种协助提供适宜能级结构的物质被称作增益介质。同时，还需要一种行之有效的“设备”能够及时将低能级粒子抽运（又称泵浦）到高能级，并确保受激辐射速率远大于自发辐射速率，这种“设备”被称为激励源。

    光在传播过程中，受激辐射是一直存在的。我们肯定会说：那好呀，让光束在激光系统内多传播经过一些，这样会有更多的光子参与受激辐射，相应也会产生更多倍数量的光子嘛！

    真的可以吗？

    可以，但不现实。比如世界第一台激光器以红宝石作为增益介质，红宝石，这东西你懂得，太贵了...而且对其介质内部的均匀性、杂质浓度等要求很高。于是，researchers巧妙地想到了在一个有限长的增益介质两端加上反射镜，不就可以保证光束在两个反射镜之间来回振荡，延长光路的同时，不断放大光强吗？

    没问题，但光都限制在两个腔镜内部了，怎么导出来呢？

    好办。我们可以在两个反射镜上分别镀膜（薄膜设计理论有机会单开专题讲解），其中一个镜子镀膜为全反射镜（反射率足够大，尽量达到100%）；另一个为部分反射镜，透射率在2%左右。这样激光就可以从有一定透射率的“部分反射镜”输出，出光完成！这两片镜子组成的镜组被称作谐振腔。

    综合上述，我们搞清楚了一个激光系统最基本的三要素：增益介质、谐振腔、激励源。

与此同时，谐振腔还可以起到选单一纵模频率、确定出射光方向等作用，具体在下期带入公式详解。

5. 简单总结激光出射过程

    假设增益介质为均匀增宽型，当整个系统谐振腔、激励源、增益介质三者同时具备时：

    初始状态下：整个激光器内的光强很弱近似于0，我们称之为“小信号状态”。在此状态下，起主要作用的是增益介质内自发辐射产生频率不确定、光强很弱、出射方向随机、相干性很差的“种子光”。

之后，一些特定频率、特定振荡方向的“种子光”在谐振腔内往返振荡，光强会被谐振腔选择性放大。逐渐地由于腔内光强的增加，粒子数反转减弱，受激辐射速率相应也不断减弱，同时带来的衍射损耗、吸收损耗、镜面反射损耗等不断增加。直至激光器增益与损耗相等，达到“增益饱和状态”，激光器出光达到稳定。

    当激光器出光达到稳定之前，大约光束往返振荡300次左右，横模可实现自再现。亦即光波在谐振腔内每振荡一个来回，都会经历一次相同的衍射过程，落下相同的衍射痕迹，光场横向分布不会再产生变化。此过程也可通过傅里叶光学来解释，整个光学系统相当于一个空间滤波器。光束在谐振腔内每振荡一次相当于进入一个完全相同的空间光滤波器，如下图。

    具体机理可参考一个电信号经过相同的滤波器300次，那么在第301次、302次经过滤波器时，所得到的信号除噪音干扰外，空间频谱图基本完全一致。

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