飞秒激光器原理一:光与微观粒子相互作用的三种基本过程

大家知道,英文“LASER”一词是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”五个英文单词的头一个字母组合而成。中文将其译为“激光”,隐含了这种光是来源于受激辐射的含义。激光表示一种特殊的光,即相干光。而激光器是基于受激辐射光放大的原理产生激光的装置或仪器。一般来说,任何一台激光器均由泵浦源、增益介质、光谐振腔这三个重要部分组成,这也是习惯上常说的产生激光的三要素。其中泵浦源提供输入能量,增益介质在泵浦源所提供的能量的激励下产生光放大,光谐振腔通过对光的来回反射实现光的反馈振荡。

量子理论中光与物质相互作用的三种基本微观过程

量子理论中光与物质相互作用的三种基本微观过程

 激光器实质上是量子器件,激光的产生需要借助于量子理论来解释。根据原子能级结构的量子化理论,原子或分子等微观粒子中处在高能态的电子向低能态跃变时会以光子的形式辐射能量。如图2-13所示,按照爱因斯坦对物质发光以及吸收光的分析,光与物质微观粒子相互作用有三种基本过程,它们分别是:

  1. 受激吸收(stimulated absorption)原子中处于低能级E1的电子,在频率为ω的辐射场的作用下,吸收一个能量为ħω的光子,向E2能级跃迁,使得电子达到激发态或高能态。
  2. 自发辐射(spontaneous emission)原子中处于高能级E2的电子自发地向低能级E1跃迁,并发射一个能量为ħω的光子。
  3. 受激辐射(stimulated emission)原子中处于高能级E2的电子,在频率为ω的光场作用下,向低能级E1跃迁,并发射一个能量为ħw的光子。

式(2. 8)至式(2. 10)分别为描述这三种过程的数学关系式。

式中,RabsRspRst分别代表原子的受激吸收、自发辐射、受激辐射三种速率。以式(2. 10)为例,该式表明受激辐射跃迁速率Rst与处在该能级上的粒子数密度N2成正比,比例系数为W21。(W21称为受激辐射跃迁几率系数,在数值上等于单色辐射能量密度乘以受激辐射跃迁的爱因斯坦系数,即W21=ρ(ω0B21;与此类似,W12代表受激吸收跃迁几率系数,在数值上等于频率为ω0的辐射场能量密度与受激吸收跃迁的爱因斯坦系数的乘积,即W12=ρ(ω0B12。)由此我们看到,无论是受激辐射几率还是受激吸收几率不仅与原子自身性质有关,还与所在辐射场的强弱有关;在式(2. 9)中,系数A21代表自发跃迁几率(又称自发跃迁爱因斯坦系数),是电子在E2能级的停留时间(或称之为E2能级平均寿命)的倒数。

通常,因为B21=B12,所以有W21=W12这一简单关系。在稳态情况下,能级E1上的电子密度为常数,由此可得Rabs=Rsp+Rst。根据式(2. 9)和式(2. 10),我们可以看到,通过增加激发光的光子密度,可以使受激辐射量大于自发辐射量,即RstRsp,从而实现受激光放大。但是,如果要实现受激辐射大于受激吸收即RstRabs,则要求满足粒子数反转条件,即N2N1,也就是处在高能态的粒子数一定要大于处在低能态的粒子。在物质处于热平衡状态时,原子中各能级上的电子数服从波尔兹曼分布,该情况下高能级的集居数始终要小于低能级的集居数。但当外界向激光工作物质(又称增益介质)快速、高效地提供能量,使得物质处于非热平衡状态时,受激吸收速率大于自发辐射速率,则可能实现集居数反转。光谐振腔的存在有效地提供了模式选择作用,从而使激光的产生中受激辐射占主导地位。在一台激光器内,受激辐射光放大中的初始光子由自发辐射产生。光放大与光反馈机制构成了光振荡器,或也称为激光振荡器。

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