激光产生的原理介绍

激光产生的原理介绍

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JQ1DCQ5105562DWM.html

激光（LASER），即“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是一种通过粒子数反转实现光相干放大的技术。它以其卓越的方向性、极高的亮度和单一的波长特性，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，彻底改变了工业制造、医疗健康、科学研究等诸多领域。本文将详细介绍激光的产生原理、激光器的基本组成与分类，并重点分析纳秒、皮秒和飞秒激光。

受激辐射理论的历史背景

1905年，爱因斯坦在他的光电效应研究中首次提出光子的概念。1916年，他进一步提出了受激辐射理论，为激光的诞生奠定了科学基础。

激光产生的物理过程

结合玻尔模型和爱因斯坦受激辐射理论，我们知道，当介质材料中的电子吸收能量后，会跃迁到较高的能级，也就是“受激吸收”。但这种激发态并不稳定，电子倾向于回到低能级，并在此过程中辐射出一个光子，这一过程被称为“自发辐射”。如果此时有另一个光子经过，它会诱导处于高能级的电子释放出与入射光子相同频率、相位和方向的新光子，这就是“受激辐射”。

尽管受激辐射可以产生大量光子，但这些光子的方向是随机的，无法形成激光。为了实现光的相干放大，科学家引入了谐振腔的概念。通过在材料两端设置反射镜，光子可以在两片反射镜之间来回振荡，不断诱导新的光子生成，从而实现光的放大。

为了输出激光，通常将其中一片反射镜设计为部分反射镜，使得部分光子能够逸出谐振腔形成激光输出。如果需要获得更高能量的脉冲光，还可以在输出端加入一块可饱和吸收体。当腔内能量积累到超过一定阈值时，可饱和吸收体会瞬间开启，从而输出高能量的脉冲光波。