目录

一、热平衡： 受激辐射 <= 受激接收

二、 “光”相干放大

三、粒子数反转（population inversion）

四、实现粒子数反转的装置：泵浦

五、实现粒子数反转的条件

六、实现粒子数反转的工作物质

七、实现粒子数反转的方式

八、激光器与其震荡条件

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一、热平衡： 受激辐射 <= 受激接收

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二、 “光”相干放大

光放大：辐射光的强度大于吸收光的强度。

从现象上看，光经过某个介质后，其强度（能量）被放大了，但频率保持不变。

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在实际的光放大的场合中，同时存在受激接收与受激辐射的过程。

三、粒子数反转（population inversion）

粒子数反转是激光产生的前提。

两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大）。为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。

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激光：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。

被引诱（激发）出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好，亮度更高。

四、实现粒子数反转的装置：泵浦

正常情况下，处于低能级的电子的数量比高能级的电子的数量要多很多。

粒子数反转是这么一种状态，高能级的电子的数量总体比低能级电子的数量要多，这就导致高能级电子向低能级跃迁的过程中，生产大量的光子，只要能够持续保持粒子数反转的状态，就会持续的产生大量的光子。

现在的关键问题事：如何使得工作物质的原子持续保持粒子数反转这种状态？？？

很明显，首先，这需要消耗外部的能量，才能使得物质能够持续保持在粒子数反转这种状态。

其次，需要通过一定的技术手段，确保物质能够持续保持在粒子数反转这种状态。

（1）水泵

水泵是这样的一种装置，能够将水从低势能的地方，传送到高势能的地方的一种装置。

粒子数反转就需要类似这样的装置，称为泵浦源。

（2）什么是泵浦

泵浦是一种技术手段，是一种使用光将工作物质的电子从原子或分子中的较低能级升高（或“泵”）到较高能级的过程。

通常用于激光结构，泵浦激光介质（工作物质）以实现群体反转。这项技术是由1966年的诺贝尔奖获得者阿尔弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）于20世纪50年代初开发的。

泵浦也用于循环地、持续不断地将在原子或分子内键合的电子泵送到明确定义的量子态。

（3）什么是泵浦源

泵浦源是这样的一种装置，其的作用是对激光的工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。

（4）泵浦源的分类

根据工作物质和激光器运转条件的不同。可以采取不同的激励方式和激励装置。

常见的有以下4种：光学激励(光泵浦)、气体放电激励、化学激励、核能激励。

五、实现粒子数反转的条件

六、实现粒子数反转的工作物质

并非所有的物质都具备粒子数反转的能力。

要能够实现粒子数反转的工作物质，必须有能力临时把“大量的电子”存储“高能级态”。即工作物质必须具备“亚稳态能级”。拥有亚稳态能级的工作物质有：铬离、钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等,有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，就能够利用亚稳态能级临时、存储、大量的电子，以达到对特定频率辐射光进行光放大。

（1）案例1：氦氖激光器

氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖的混合气体作为工作物质的气体激光器。

以连续激励方式输出连续激光。在可见光和近红外区主要有0.6328微米、3.39微米和1.15微米三条谱线，其中0.6328微米的红光最常用。氦氖激光器的输出功率一般为几毫瓦到几百毫瓦。

（2）案例2：红宝石激光器

 红宝石激光器是一种激光器，工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Cr2O3。其已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。

红宝石是一种3能级的激光材料，一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上0.03 - 0.4% 的Cr3+，做成人工红宝石，比一般的天然红宝石有好得多的光学性能。常见的红宝石棒尺寸从0.5cm到2cm直径，4cm到16cm长。看上去可能是很浅的粉红色玻璃棒样子或者很深的红棕色，这要看棒子的掺Cr浓度。用绿激光笔（种子源）打进去会有很特别的颜色出来。

虽然结构极端简单，也还是一种常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG激光器、钕玻璃激光器等同属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概0.1%， 但是由于荧光寿命很长，可以很容易用机械Q开关（一个旋转的全反棱镜去把脉冲压缩到ns量级，脉冲功率轻松突破兆瓦）。

这里简单解释一下Q开关。最简单的Q开关就是一个马达连着一个镜子，没对准的时候没有来回往复的光，可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多，在对准的瞬间释放，达到很窄而功率很大的脉冲。另外一种适合DIY的Q开关是被动式Q开关（passive q-switch），当光能量密度达到某一个阀值时候，他突然由不怎么透光变得很透光，使得之前聚集的高能态粒子得以瞬间释放，这种晶体比较难找，价格也比较高，只能碰运气。工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关，用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光，方便打标、切割。

七、实现粒子数反转的方式

除了对工作物质本身的特性有要求外，实现粒子数反转，还需要一定的技术手段施加在工作物质上，使得工作物质中的实现粒子数反转。

这些技术手段包括：

• 特定频率的强光照射工作物质（如晶体）
• 高压放电

八、激光器与其震荡条件