激光到底是怎麼來的——大族激光智能裝備

1960年，世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯實驗室的寧靜，西奧多·梅曼發明的紅寶石激光器，開啟了人類創造激光、利用激光改造世界的大門。此後五十餘年來，激光科學發展迅猛，激光技術的普及應用也從方方面面走進了人們的生活。但多數人只是知道激光有這樣那樣的用途，卻不知道激光到底是怎麼來的。因此，本文將用相對通俗的語言，為大家講解激光形成的原理。

要弄懂激光形成的原理，首先了解一下什麼是能級。簡單來說，能級就是每一個原子（實際上核外電子）攜帶一定能量的狀態，不同的能級表示原子攜帶的能量不同。能級越高，意味著核外電子能量越高，越容易脫離原子核的束縛。為方便理解，以原子結構最簡單的氫原子為例進行講解。

氫原子能級結構圖

n表示量子數，對應原子的能級E。n＝1時，表示的是氫原子穩定狀態下的能級，稱為基態（E1能級）。n＝2、3、4等，稱為激發態（E2能級、E3能級、E4能級等）。根據丹麥物理學家玻爾的理論，原子處於穩定的基態時，如果受到外界的激發，吸收相應的外界能量，會躍遷到較高的能級上形成激發態。而原子在激發態時是不穩定的，當原子處於激發態時會自發地向較低能級躍遷，經過一次或幾次躍遷到達基態，在向低能級躍遷的過程中會釋放相應能量。這個相應能量以一定頻率的光子的形式存在，可由能級圖右側數值計算得出，光子能量E＝hν＝Em－En。h是物理學家測出的固定值（普朗克常量），ν表示光子的頻率（由激發態向基態躍遷時釋放光子的頻率，就是原子對外輻射光的頻率，形成激光時也就是該激光的頻率，這決定了激光的波長λ＝c／ν，c為光速）。

理解能級結構之後，來看看激光是怎麼形成的。同樣為方便理解，還是以結構最簡單的紅寶石激光器為例進行講解。紅寶石激光器屬於固體激光器，工作物質是紅寶石棒，晶體基質為Al2O3，摻有佔總重量0.05％的Cr2O3。紅寶石中的激光作用是通過Cr3＋（鉻離子）的受激發射過程而實現的，因而Cr3＋通常稱為激活離子，它是紅寶石中產生激光的“主體”。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質，對激光作用只起間接作用。其能級結構如圖所示：

當泵浦光照射紅寶石時，處於基態的Cr3＋離子吸收特定波長的光躍遷到E3能級，Cr3＋離子在這個能級上壽命很短（極不穩定，約存在10－9s），因而迅速通過無輻射躍遷（無輻射躍遷是指原子通過原子碰撞的形式將能量與外界進行交換，即晶體內部熱運動，從而發生能級改變，期間既不發射也不吸收光子）躍遷到E2能級。E2能級壽命較長（約有3ms），稱為亞穩態能級，在這個能級上可以聚集較多的Cr3＋離子。當外界泵浦足夠強的時候，會在E2能級和E1能級間形成粒子數反轉，即E2能級上Cr3＋離子數量比E1能級多。在實現粒子數反轉後，每一個能量為hν的外來光子都將激發E2能級上的一個原子使其躍遷到基態，同時釋放一個能量為hν的光子，光子總能量也就1變2，2變4，4變8……從而實現了受激輻射放大（增益）過程。由於光學諧振腔對光增益存在損耗，只有受激輻射放大的增益大於激光器內的各種損耗時，才會輸出激光。

下面對紅寶石激光器結構進行講解，有條件的話，可以自己動手製作一個簡易的紅寶石激光器哦。

紅寶石激光器包括泵浦源（簡單來說，就是給激光器提供最初始能量的外界物質，對紅寶石激光器而言，泵浦源是氙閃光燈，從某種角度來看，反射罩也可算作泵浦源）、增益介質（用以提供光放大，是產生激光的主體，即紅寶石棒）、諧振腔（形成激光的區域，可用兩端各一個反射鏡來構成紅寶石激光器的諧振腔）。

工作時，首先給泵浦源通電，氙閃光燈發出高頻強光（散射光），直接照射和周圍反射罩的聚光把強光都聚集在增益介質——紅寶石上。紅寶石晶體在吸收徑向（四周指向軸心）強聚集光的輻射之後，內部電子向能量低的方向輻射。由於紅寶石徑向受強光照射，只有軸向是低能區域，於是受光的紅寶石向軸向發出輻射。由於晶體的核外電子速率是相等的，所以軸向發出輻射的頻率基本相同。

諧振腔由兩片裝置在紅寶石晶體軸向兩端、相隔一定距離的反光鏡組成，後片為全反射鏡（反射率為100％），前片為半反射鏡（當光束達到一定能量的時候，會從該反射鏡中透射輸出腔外，反射率可取70％－90％）。紅寶石晶體沿軸向所發出的輻射碰到反射鏡，在兩片反光鏡之間來回反射，反覆穿過紅寶石晶體。每次穿過紅寶石晶體，都會激發等量的光子，即每次穿過晶體，光束能量會翻倍。最終光束能量越來越大，當能量超過一定值的時候（閾值），光束即從前端鏡片中間發射輸出，形成激光。

紅寶石激光器輸出的激光波長為694.3nm，光電轉換率低，只有0.1％。但其熒光壽命長，有利於儲能，可輸出較高的脈衝峰值功率，一根筆芯粗細，手指長的紅寶石棒產生的激光就可以輕鬆的產生打穿鐵皮。在效率更高的YAG激光器出現之前，紅寶石激光器被廣泛地用在激光切割、鑽孔上。此外，694nm的光極易被黑色素吸收，因此紅寶石激光器還被用於色素性病變（皮膚長斑）的治療。

至此，相信各位對激光形成的原理都有了較為清晰的認識。其他種類激光器的結構和激光的形成過程與雖紅寶石激光器略有不同，但原理上基本一致，就不再展開了。