1)受激輻射發(fā)光——激光產(chǎn)生的先決條件

處在高能級(jí)E2上的粒子，由于受到能量為hv=E2-E1的外來(lái)光子的誘發(fā)而躍遷到低能級(jí)，并發(fā)射出一個(gè)頻率為的光子的躍遷過(guò)程稱為受激輻射過(guò)程，如圖 l-6(a)所示。

子性，利用它與其他物質(zhì)的相互作用可以得到粒子 流的強(qiáng)度，而無(wú)需相位關(guān)系。
受激輻射過(guò)程發(fā)出的光子與入射光子的頻率、相位、偏振方向以及傳播方向均相同，且 有兩倍同樣的光子發(fā)出，光被放大了一倍,它是激光產(chǎn)生的先決條件。

受激輻射存在逆過(guò)程一一受激吸收過(guò)程，如圖l-6(b)所示。受激輻射的過(guò)程是復(fù)制產(chǎn) 生光子，受激吸收過(guò)程是吸收消耗光子，激光產(chǎn)生的實(shí)際過(guò)程要看哪種作用更強(qiáng)。

2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布——激光產(chǎn)生的必要條件

(1)玻爾茲曼定律:熱平衡狀態(tài)下，大量原子組成的系統(tǒng)粒子數(shù)的分布服從玻耳茲曼定 律，處于低能級(jí)的粒子數(shù)多于高能級(jí)的粒子數(shù)，如圖l-7(a)所示，此時(shí)受激輻射<受激吸收。 為了使受激輻射占優(yōu)勢(shì)從而產(chǎn)生光放大，就必須使高能級(jí)上的粒子數(shù)密度大于低能級(jí)上的 粒子數(shù)密度，即以N2>N1，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，如圖1-7(b)所示。

實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件。

(2)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：在激光器的實(shí)際結(jié)構(gòu)上，通過(guò)改變激光工作物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 和外部工作條件這樣兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

①給激光工作物質(zhì)注人外加能量：如果給激光工作物質(zhì)注人外加能量，打破工作物質(zhì)的 熱平衡狀態(tài)，持續(xù)地把工作物質(zhì)的活性粒子從基態(tài)能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，就可能在某兩個(gè)能級(jí)?之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，如圖1-8所示。

注人外加能量的方法在激光的產(chǎn)生過(guò)程中稱為激勵(lì)，也稱為泵浦。常見(jiàn)的激勵(lì)方式有 光激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。

光激勵(lì)通常是用燈(脈沖氙燈、連續(xù)氪燈、碘鎢燈等）或用激光器作為泵浦光源照射激光 工作物質(zhì)，這種激勵(lì)方式主要為固體激發(fā)器所采用，如圖1-9所示。

電激勵(lì)是采用氣體放電方法使具有一定動(dòng)能的自由電子與氣體粒子相碰撞，把氣體粒 子激發(fā)到高能級(jí)，這種激勵(lì)方式主要為氣體激光器所采用，如圖1-10所示。

化學(xué)激勵(lì)則是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一種處于激發(fā)態(tài)的原子或分子，這種激勵(lì)方式主要為 化學(xué)激光器所采用。

②改善激光工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)：在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)主要 有三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)兩類(lèi)。

三能級(jí)系統(tǒng)如圖l-ll(a)所示，粒子從基 態(tài)。首先被激發(fā)到能級(jí)￡3，粒子在能級(jí)E3上是不穩(wěn)定的，其壽命很短約10-8/s，很快 地通過(guò)無(wú)輻射躍遷到達(dá)能級(jí)E2上。能級(jí)E2 是亞穩(wěn)態(tài)，粒子在E2上的壽命較長(zhǎng)（1(103? 1 s)，因而在E2上可以積聚足夠多的粒子，這 樣就可以在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)。

此時(shí)若有頻率為V=(E2-E1)/H的外來(lái)光子的激勵(lì)，將誘發(fā)E2上粒子的受激輻射，并 使同樣頻率的光得到放大。紅寶石就是具有這種三能級(jí)系統(tǒng)的典型工作物質(zhì)。

三能級(jí)系統(tǒng)中，由于激光的下能級(jí)是基態(tài)，為了達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須把半數(shù)以上的基 態(tài)粒子泵浦到上能級(jí)，因此要求很高的泵浦功率。

四能級(jí)系統(tǒng)如圖l-ll(b)所示，它與三能級(jí)系統(tǒng)的區(qū)別是在亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E。之間還 有一個(gè)高于基態(tài)的能級(jí)E1。由于能級(jí)&基本上是空的，這樣￡2與^之間就比較容易實(shí)現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以四能級(jí)系統(tǒng)的效率一般比三能級(jí)系統(tǒng)的高。

以離子為工作粒子的固體物質(zhì)，如鉬玻璃、摻欽釔鋁石榴石晶體以及大多數(shù)氣體激光 工作物質(zhì)都具有這種四能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是都有一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，這是工作物質(zhì)實(shí) 現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必需的條件。

3)光學(xué)諧振腔——激光持續(xù)產(chǎn)生的源泉

(1)諧振腔功能：雖然工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就可以產(chǎn)生相同頻率、相位和偏振的 光子，但此時(shí)光子的數(shù)目很少且傳播方向不一。

如果在工作物質(zhì)兩端面加上一對(duì)反射鏡，或在兩端面鍍上反射膜，使光子來(lái)回通過(guò)工作 物質(zhì)，光子的數(shù)目就會(huì)像滾雪球似地越滾越多，形成一束很強(qiáng)且持續(xù)的激光輸出。

把由兩個(gè)或兩個(gè)以上光學(xué)反射鏡組成的器件稱為光學(xué)諧振腔，如圖1-12所示。

(2)諧振腔結(jié)構(gòu)：兩塊反射鏡置于激光工作物質(zhì)兩端，反射鏡之間的距離為腔長(zhǎng)。其中， 反射鏡R1的反射率接近100%，稱為全反射鏡，也稱為高反鏡；反射鏡R2部分反射激光，稱 為部分反射鏡，也稱為低反鏡(半反鏡）。

全反射鏡和部分反射鏡不斷引起激光器諧振腔內(nèi)的受激振蕩，并允許激光從部分反射 鏡一端輸出，故部分反射鏡又稱激光器窗口。 .

在諧振腔內(nèi)，只有沿軸線附近傳播的光才能被來(lái)回反射形成激光，而離軸光束經(jīng)幾次來(lái)

回反射就會(huì)從反射鏡邊緣逸出諧振腔，所以激光光束具有很好的方向性。

4) 閾值條件——激光輸出對(duì)器件的總要求

有了穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔和能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，還不一定能產(chǎn)生激光輸出。 工作物質(zhì)在光學(xué)諧振腔內(nèi)雖然能夠產(chǎn)生光放大，但在諧振腔內(nèi)還存在著許多光的損耗 因素，如反射鏡的吸收、透射和衍射，以及工作物質(zhì)不均勻造成的光線折射和散射等。如果 各種光損耗抵消了光放大過(guò)程，也不可能有激光輸出。

用閾值來(lái)表示光在諧振腔中每經(jīng)過(guò)一次往返后光強(qiáng)改變的趨勢(shì)。

若閾值小于1，意味著往返一次后光強(qiáng)減弱。來(lái)回多次反射后，它將變得越來(lái)越弱，因而 不可能建立激光振蕩。因此，實(shí)現(xiàn)光振蕩并輸出激光，除了具備合適的工作物質(zhì)和穩(wěn)定的光 學(xué)諧振腔外，還必須減少損耗，達(dá)到產(chǎn)生激光的閾值條件。

5) 產(chǎn)生激光的充要條件

(1) 要有含亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作物質(zhì)。

(2) 要有合適的泵浦源，使工作物質(zhì)中的粒子被抽運(yùn)到亞穩(wěn)態(tài)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分 布，以產(chǎn)生受激輻射光放大。

(3) 要有光學(xué)諧振腔，使光往返反饋并獲得增強(qiáng)，從而輸出高定向、高強(qiáng)度的激光。

(4) 要滿足激光產(chǎn)生的閾值條件。

綜上所述，激光（laser)的產(chǎn)生就是受激輻射的光放大效應(yīng)（light amplification by stimulated emission of radiation) 可以順利進(jìn)行的過(guò)程。