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       激光器是一種新型的發(fā)光器件，和前述的常見光源相比，有方向性強、單色性好、相干性好、亮度高等突出優(yōu)點，因而應(yīng)用廣泛。

激光器概述 1.激光的基本特征

       所謂激光，是指由原子（離子、分子等）系統(tǒng)受激輻射光放大形成的一種光子簡并度很高的光輻射。所謂光子簡并度，即某個狀態(tài)（模式）中所具有的平均光子數(shù)，就稱為該狀態(tài)的光子簡并度。對激光含義的這種表述，明確了：

    （1）激光產(chǎn)生的物理機理是受激輻射（受激輻射放大）；

    （2）不是一有受激輻射放大的光輻射就是激光，該受激輻射放大過程必須使光輻射的光子簡并度達到足夠高的值。

       激光的最為基本的特性是：其光輻射能量在量子狀態(tài)（模式）上的高度集中性，即高光子簡并度。由于激光具有高光子簡并度這一基本特性，因而

反映在空間，顯示出了好的方向性與空間相干性；

反映在頻域，顯示出了好的單色性與時間相干性；

反映在時域，顯示出了好的超短性；

反映在能量的可集中性上，顯示出了很高的單色亮度。

      由上述可知，高光子簡并度才是激光最為基本的特性，而好的方向性、好的單色性、好的空間與時間相干性等僅是高光子簡并度這一基本特性在不同方面的反應(yīng)。這是因為光束的方向性、單色性、空間與時間相干性等，都可以通過一個適當(dāng)?shù)钠胀ü鈱W(xué)系統(tǒng)加以提高，但無法通過一個普通的光學(xué)系統(tǒng)提高光束的光子簡并度。

      為了能對激光的高光子簡并度這一基本特性有更深刻的理解，我們將激光與原子能技術(shù)做一對比：原子能，作為一種新型能源，與相同的普通能源（如煤）相比，其所釋放的能量可以有成億倍的提高；激光作為一種新型光源，與相同功率的普通光源（如電燈）相比，其所發(fā)射的光能量并不能提高，而是光能量在狀態(tài)（模式）上有了成億倍的集中，也就是其光子簡并度（單色亮度）可以有成億倍的提高。

       因此，激光的出現(xiàn)，其重要的應(yīng)用意義在于： 

    （1）使信息技術(shù)從無線電波段全面推進到了光頻波段。因為光是信息的重要載體，通過激光實現(xiàn)了10¹²b/s量級的極大信息容量，10¹²b/s量級的極快運算速度，10¹²b/cm3量級的極高存儲密度，從而使我們進入了新的光信息時代。

    （2）實現(xiàn)了光能量在空間、頻率及時間上的高度集中，使光的亮度有了成億倍的提高。因為光也是能量的重要載體，通過激光實現(xiàn)了1022W/cm²量級的極高功率、1014Pa量級的極高壓強、10Ms量級的極短脈沖與極快可分辨過程、10¹²K量級的極高溫度與10"K量級的極低溫度、108nm量級的極窄頻寬與極精密測量、108m量級的極小可聚焦光斑與極精密加工。因此，激光在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育及高技術(shù)研究等領(lǐng)域開辟了一系列重要的應(yīng)用。

2.激光的產(chǎn)生

    （1）受激輻射。圖2-12表示了在原子的兩個能級之間產(chǎn)生躍遷的吸收、自發(fā)發(fā)射和受激輻射的三個基本過程。設(shè)E1為基態(tài)，E2為激發(fā)態(tài)。這二能態(tài)之間的任何躍遷都伴隨著發(fā)射或吸收頻率為υ12、取決于兩能態(tài)之間的能量差，即hvy12=E2-E1。常溫下大部分原子處于基態(tài)，如果能量正好等于hVl2的光子碰擊此系統(tǒng)時,處于能態(tài)E1上的原子會吸收光子而進入激發(fā)態(tài)E2,這就是吸收過程，如圖2-12（a）所示。原子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在沒有任何外界刺激的條件下，有自發(fā)返回基態(tài)的趨勢，并放出能量為hv12的光子。這種原子從高能態(tài)自發(fā)地返回到低能態(tài)的過程稱為自發(fā)發(fā)射（或自發(fā)輻射），如圖2-12（b）所示。自發(fā)發(fā)射的特點是，每個原子的躍遷都是自發(fā)地獨立進行，它們彼此毫無關(guān)系，因而發(fā)出是雜亂無章的非相干光。自發(fā)發(fā)射的壽命也就是原子處在激發(fā)態(tài)的平均時間，一般為109?103s,壽命的長短取決于半導(dǎo)體參量，如禁帶寬度（直接的或間接的）及復(fù)合中心的密度。另一種躍遷過程是，當(dāng)能量為”12的入射光子激勵己處于激發(fā)態(tài)的原子后，原子因受激而躍回基態(tài)，并發(fā)射出頻率、相位和方向都與入射光子相同的能量為肘12的光子。這種過程稱為受激輻射（或稱為感生輻射），如圖2-12（c）所示。

圖2-12      能級間躍遷的基本過程