激光的理論基礎(chǔ)
直到二十世紀(jì)初，人們才在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上揭開了原子結(jié)構(gòu)的奧秘。原子結(jié)構(gòu)像是一個(gè)小小的太陽系，中間是原子核，電子圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也不停地自轉(zhuǎn)。原子核集中了原子的絕大部分質(zhì)量，但卻只占有很小的空間。原子核帶正電，電子帶負(fù)電，一般原子核與電子所攜帶的正負(fù)電荷數(shù)量相等，因此對外呈中性。電子繞核旋轉(zhuǎn)具有一定的動能，同時(shí)負(fù)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(gè)原子的能量，稱為原子的內(nèi)能。
這種原子模型是1911年由英國科學(xué)家盧瑟福提出的。緊接著，1913年，丹麥物理學(xué)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(zhuǎn)時(shí)，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(yùn)動時(shí)，卻只能處于某些特定的軌道上。從而原子的內(nèi)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(jié)構(gòu)。一個(gè)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(shí)，會向外發(fā)射某個(gè)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(shù)。反之，該原子吸收頻率為ν的輻射時(shí)，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(chǔ)上于1916年發(fā)表《關(guān)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(chǔ)。因此愛因斯坦被認(rèn)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(gè)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(diǎn)是每一個(gè)原子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關(guān)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(yīng)”下，躍遷到低能級，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。這好比清晨公雞打鳴，一個(gè)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(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)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(gè)光子變?yōu)閮蓚�(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。
愛因斯坦的理論在當(dāng)初只是為了解決黑體輻射問題而提出的假設(shè)。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(chǎn)生的？在一個(gè)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(chǎn)生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產(chǎn)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(shí)存在的。
如果想獲得越來越強(qiáng)的光，也就是說產(chǎn)生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)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(diǎn)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(chǎn)生受激輻射的機(jī)會和低能級的原子產(chǎn)生受激吸收的機(jī)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(shù)量之比。若位于高能級的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)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(shù)總是少于低能級的原子數(shù)。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(yùn)動并沒有達(dá)到平衡、整個(gè)體系不存在一個(gè)恒定溫度的原子體系。這種體系的原子數(shù)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(shù)目有可能大于位于低能級上的原子數(shù)目。這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。如何才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢?這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)(也稱為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使某兩個(gè)能級間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統(tǒng)來做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級系統(tǒng)。
在現(xiàn)代的激光器中，第一臺激光器紅寶石激光器是三能級系統(tǒng)，也有一些激光器采用了四能級系統(tǒng)，如釹玻璃激光器。
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