Xiamen KingNoahva Scientific Instrument Co., Ltd
初探激光首篇简要介绍了激光器的发展历史，激光器分类，激光特性及激光应用，那么激光形成的原理是什么呢？今天，小编给大家介绍一些有关激光原理方面的小知识，了解激光是如何形成的。
一：光吸收和发射理论
在了解激光形成之前，我们首先要了解爱因斯坦光的吸收和发射理论的一些基本概念：
图一：波尔原子模型
跃迁：原子从某一能级吸收或者释放能量，变成另一能级。
物质在光频辐射场的作用下可发生光的自发辐射，受激吸收，受激辐射。
1.1 自发辐射
粒子在没有外界干预的情况下，也会由激发态的高能级E2自发地向低能级E1跃迁，同时发出一个光子的能量。
其中h为普朗克常数，h=6.626*10-34J.s，v为频率，自发辐射与物质本身性质有关与辐射场无关。
图二：自发辐射
1.2 受激吸收
粒子吸收外来光子能量hv，并从低能级E1跃迁到高能级E2，且E2-E1=hv，这个过程称为受激吸收。
图三：受激吸收
1.3 受激辐射
粒子中处于高能量级E2的电子，在外来光子（其频率恰好满足hv=E2-E1）的诱发下向低能级E1跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子，这叫受激辐射。
由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称为激光。
图四:受激辐射
图五：受激辐射光放大示意图
二：激光产生三要素
了解完爱因斯坦光的吸收和发射理论的基本概念，那么我们接下来来了解一下激光的基本构成和产生激光的必要条件：（三要素）：
1、实现粒子反转—工作物质
2、使原子被激发—激励能源
3、要实现光放大—光学谐振腔
所以激光形成的基本构成就是如下三个部分：
谐振腔，增益介质（激光工作介质），激励能源
那么我们具体介绍一下三个基本构成部分吧：
2.1 增益介质（激光工作介质）
激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。气体介质如：氦氖混合气、铜蒸气、氩气、氪气、二氧化碳、氮气；液体介质主要是有机化合物液体（染料）；固体介质如：红宝石、掺钕离子的钇铝石榴石（Nd：YAG）、掺钕离子玻璃、掺钛离子的蓝宝石；半导体介质：砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。
2.2 激励能源
为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
2.3 谐振腔
有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。
图六：激光的形成（光束在谐振腔内来回振荡，在增益介质中的传播使得光得以放大，并输出激光。）
光在粒子数反转的工作中往返传播，使谐振腔内的光子数不断增加，从而获得很强的光，这种现象叫光振荡。
加强光须满足驻波条件 L=kλ/2
图七：光学谐振腔示意图
三：激光原理
粒子数正常分布和粒子集居数反转分布：
N1＞N2表明，处于低能量的电子数大于高能级的电子数，这种分布叫做粒子数的正常分布，N2＞N1，叫做粒子集居数反转，简称粒子数反转或集居数反转。
图八：粒子数正常分布与反转分布
从外界输入能量（如光照，放电等），把低能级上的原子激发到高能量级上去，这个过程叫做激励（也叫泵浦-pump）
图九：红宝石铬离子能级示意图
四：红宝石激光器
1960年5月，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室研究员梅曼，设计和构建了一台小型的激光发生器,这是世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Cr2O3。
图十：第一台红宝石激光器结构图
如果小编上面介绍的不是很清楚，可以点击观看 Engineerguy系列激光的原理视频哦（带中文字幕），我们下期再见!
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