激光和激光器的初步研究

尤炜轩

(北京市第十四中学，北京 100055)

1 背景介绍

激光是在以20世纪初爱因斯坦的量子理论为基础的前提下创建的一个崭新的概念。爱因斯坦发现：在物质与辐射场的相互作用过程中，物质中的处于高能级的原子或分子，可以在光子的激励下，产生光子的受激发射或吸收，后来又有物理学家发现了这个过程中受激发射光子与入射的激励光子具有相同的性质，这些理论为激光理论奠定了基础。之后，到了1954年人们实现了第一台激光器的制作，同时也打开了量子电子学的大门。在1958年汤姆斯摒弃了老式的思想，提出了开放式光谐振腔的思路，实现了激光器的新思想。1960年美国休斯敦实验室演示了世界上第一台红宝石激光器，使激光器逐渐走进了生活。

2 激光

激光是由光与物质的相互作用而产生，相互作用中的受激辐射过程便是激光的物理基础。这一概念是由爱因斯坦首先提出，通过参考了普朗克的辐射量子化假设和波尔的原子中电子运动状态量子化假设，爱因斯坦也将光的能量量子化，从光子出发，他重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并在推导过程中提出了3个新概念：自发辐射、受激吸收和受激辐射。图1（a）为自发辐射，图1（b）为受激吸收，图1（c）为受激辐射。

而激光（Laser）的本质就是“通过受激辐射光扩大 ”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为Laser），在图（c）的过程中，我们可以看到入射1个特定频率的光子后，会使物质中的电子向下跃迁，产生1个相同频率的光子，这样就可以出射2个光子，以此类推，将会有更多的相同频率的光子产生，这些光子具有方向一致、频率相同、相干性好等特点，这样就产生了激光。因此激光有如下特点：一是激光的方向性好，普通光源向所有方向发光，但是激光器发出的激光的发散角很小，再加上适当的光学准直系统，激光的发射角可控制在rad以下，这几乎是一束平行光了。二是激光的单色性好，普通光源包含许多波长的光，具有多种颜色。如日光经过棱镜后，可以发现它其实是由波长从380～760nm的光混合而成。但是激光的波长分布很窄，如红宝石激光器发射激光的波长为694.3nm。

图1

3 激光器

顾名思义，激光器是一种能发射激光的装置。1954年，人们制成了第一台微波量子放大器；1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器的原理推广到光频范围；1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器；1961年A.贾文等人制成了第一台氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人制成了第一台半导体激光器；之后，激光器的种类就越来越多。一般而言，按工作介质分类，激光器可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器4大类。

激光器的组成一般由3个重要部分构成，即工作物质、激励抽运系统、谐振腔。其中激光工作物质是一种激光增益的媒介，其原子或者分子的能级差决定了激光的波长与频率。激光抽运系统是指为使激光器持续工作给予能量的源头，它实现并维持了工作物质的粒子数反转。光学谐振腔是激光生成的容器，有多种多样的设计方式，是激光器设计的核心。

4 谐振腔

（1）谐振腔的构成。在工作物质的两端放置2个反射镜，这就构成一个最简单的光腔。这种装置在光学上称为法布里—珀罗干涉腔，即F-P腔。随着激光技术的发展，人们又采用了两块具有公共轴线的球面镜构成的腔，称为共轴球面腔，这类谐振腔属于开放式光学谐振腔。常见的谐振腔一般分为以下3种：闭腔、开腔、气体波导腔。如下图2，图2（a）为闭腔，图2（b）为开腔，图2（c）为气体波导腔。

图2

（2）共轴球面腔的稳定条件。如下图3为常见的一种共轴球面腔，腔内的传播光线都可以由2个坐标参数来表征：一个参数是光线离光轴的距离 r，另一个参数是光线与光轴的夹角θ。当光纤的出射方向在腔轴线的上方时，θ为正；反之，θ为负。

图3

设开始时光线从M1面上出发，向M2方向行进，其初始坐标可以由参数r1和θ1描述，到达M2面上时，上述2个参数变成r2、θ2。由几何光学可知:

该方程可以表示为矩阵形式：

以此类推，图3中的所有传到过程可以描述成如下的矩阵乘积，其中，为左右两面镜子所在球的半径：

光线继续传播往返n次之后：

稳定腔要求，一直为有限值，根据矩阵的相关知识，这就等同于要求了：

而我们可以计算出A，D的值并代入上式：

得到：

这个不等式就是共轴球面腔的稳定条件，它对于这个腔的腔长L和2个球面镜所在球的半径这3个参数有1个限定范围，这个公式将有助于我们设计产生激光的谐振腔。

5 结语

综上所述，本文介绍了激光和激光的产生原理，同时介绍了激光器以及激光器的组成结构，并且对激光器内最重要的结构谐振腔进行了具体介绍，并给出了共轴球面腔的稳定条件。

[1]周炳琨等.激光原理（第七版）[M].北京:国防工业出版社,2014.