激光的理論基礎

　　直到二十世紀初，人們才在實驗的基礎上揭開了原子結構的奧秘。原子結構像是一個小小的太陽系，中間是原子核，電子圍繞原子核不停地旋轉，同時也不停地自轉。原子核集中了原子的絕大部分質量，但卻只占有很小的空間。原子核帶正電，電子帶負電，一般原子核與電子所攜帶的正負電荷數量相等，因此對外呈中性。電子繞核旋轉具有一定的動能，同時負電荷的電子與正電荷的原子核之間存在著一定的位能。所有電子的動能與位能之和就是整個原子的能量，稱為原子的內能。

　　這種原子模型是1911年由英國科學家盧瑟福提出的。緊接著，1913年，丹麥物理學家玻爾提出了原子只能處于由不連續(xù)能級表征的一系列狀態(tài)——定態(tài)上，這與宏觀世界中的情況大不相同。人造衛(wèi)星繞地球旋轉時，可以位于任意的軌道上，也就是說可具有任意的連續(xù)變化的能量。而電子在繞核運動時，卻只能處于某些特定的軌道上。從而原子的內能不能連續(xù)的改變，而是一級一級分開的，這樣的級就稱為原子的能級。

　　不同的原子具有不同的能級結構。一個原子中最低的能級稱為基態(tài)，其余的稱為高能態(tài)，或激發(fā)態(tài)。原子從高能態(tài)E2過渡到低能態(tài)E1時，會向外發(fā)射某個頻率為ν的輻射，滿足普朗克公式：

hv = E₁ - E₂

　　式中h為普朗克常數。反之，該原子吸收頻率為ν的輻射時，就會從低能態(tài)E1過渡到高能態(tài)E2。

　　愛因斯坦在玻爾工作的基礎上于1916年發(fā)表《關于輻射的量子理論》。文章提出了激光輻射理論，而這正是激光理論的核心基礎。因此愛因斯坦被認為是激光理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦區(qū)分了三種過程：受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。前兩個概念是已為人所知的。受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)；自發(fā)輻射是指高能態(tài)的原子自發(fā)地輻射出光子并遷移至低能態(tài)。這種輻射的特點是每一個原子的躍遷是自發(fā)的、獨立進行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂，而受激輻射則相反。它是指處于高能級的原子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。這好比清晨公雞打鳴，一個公雞叫起來，其他的公雞受到“刺激”也會發(fā)出同樣的聲音。受激輻射的最大特點是由受激輻射產生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚�相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產生激光的基本過程。

　　愛因斯坦的理論在當初只是為了解決黑體輻射問題而提出的假設。但是幾十年后卻成了打開激光寶庫的金鑰匙。

　　那么，激光是怎樣產生的？在一個原子體系中，總有些原子處于高能級，有些處于低能級。而自發(fā)輻射產生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產生受激輻射，也可能被低能級的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。

　　如果想獲得越來越強的光，也就是說產生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，光子對于高低能級的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產生受激輻射的機會和低能級的原子產生受激吸收的機會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數量之比。若位于高能級的原子遠遠多于位于低能級的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數目按能級的分布服從玻爾茲曼分布率。因此，位于高能級的原子數總是少于低能級的原子數。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。

　　所謂非熱平衡體系，是指熱運動并沒有達到平衡、整個體系不存在一個恒定溫度的原子體系。這種體系的原子數目按能級的分布不服從玻爾茲曼分布率，位于高能級上的原子數目有可能大于位于低能級上的原子數目。這種狀態(tài)稱為“粒子數反轉”。如何才能達到粒子數反轉狀態(tài)呢?這需要利用激活媒質。所謂激活媒質(也稱為放大媒質或放大介質），就是可以使某兩個能級間呈現粒子數反轉的物質。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統來做激活媒質實現粒子數反轉是不可能的。要想獲得粒子數反轉，必須使用多能級系統。

　　在現代的激光器中，第一臺激光器紅寶石激光器是三能級系統，也有一些激光器采用了四能級系統，如釹玻璃激光器。

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