激光粒子数反转和激光器的结构
化学先生 / 2019-08-31
通常实现粒子数反转要 依靠两个以上的能级:通过比高能级还要高一些的泵浦光源，将低能级的粒子抽运到高能级。-般可以用气体放电的办法，利用具有高动能的电子去激发激光材料，称为电激励:也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励:还有热激励、化学激励等。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。使用特殊的激光材料是了使原子在激发态多“呆”一会儿。要使激光持续输出，必须不断地“泵浦”，以补充高能级粒子向下跃迁的不断消耗。这样不但可以弥补损失，还可以不断放大。
激光器的结构：
1.工作介质
产生激光的原子 为可以实现粒子数反转的气体、液体或固体。所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即激发态寿命1= 10-3s左右，一股原子系统的激发态寿命只有10-8s.能级系统见图7-5。
2.三 能级系统
图7-6 表示了红宝石激光器的三能级系统(three energy levels system)。红宝石是三氧化二铝，在其基质中有三个能级，即Eo，E1, E2，其中Eo是稳态，E2 是激发态，E1是亚稳态。处于Eo的粒子被激发到E2，粒子在E2是不稳定的，约10-7s内很快地自发无辐射地落入亚稳态E1粒子在E1逗留时间较长，约10-7s. 只要激发足够强，就能使得亚稳态的粒子数增多，基态的粒子数减少，从面实现粒子数反转。三能级徽光器中，获得中间能态和基态间粒子数反转的效率不是很高，因为在开始抽运时，中间能态(即亚稳态)实际是空的，最低限度要将基态粒子数的半数抽运到中间态才可实现粒子数反转。
3.四能级系统
以惰性原子气体为激光工作物质的气体激光器。包括氨氖激光器、氙激光器等。氨氖(He-Ne)激光器诞生于1962 年，属四能级系统(four energy levels system)，见图7-7， 工作气体是氮气和氖气.其中氖原子产'光，氨原子把它的激发能共振转移给氖原子，用以提高泵浦效率。氨氖激光器输出功率不大，一股为儿毫瓦到几十毫瓦，与放电管长度和直径、充气气压、氨氖混合比、放电电流、输出镜透射率等因素有关。普通氨氖激光器输出波长为632. Bnm的红色激光，采取一定措施后， 可以得到绿色(543. Snm)、 黄色(594nm) 、红外(1. 15nm和3.39nm)激光。
4.激励源(泵浦或抽运)
实现和维持粒子数反转，可用电激励，光激励，热激励，化学激励等方法，从外界吸收能量. 使原子系统的原子 不断从低能态跃迁到高能态以实现粒子数反转的过程，又称“激发"、“抽运”或“泵浦”。
5.光学谐振腔
要产生徽光，还需要有一个能使受激辐射光持续放大的过程，该部分装置称为光学请振腔，如图7-8所示。
光学消振陀是徽光器的必要组成部分，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面波凹珠面反射统构成，工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。请热腔的作用是选择频本一定:方向一致的光格其优先放大，而把其他频率和方向的光加以抑制.如图79所示，凡不沿请振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触. 沿轴线运动的光子将在腔内能放南进，井经两个反射镜的反射，不断往返运行产生银荡。运行时不断与受颜数于相遇而产生受豪辐射，沿轴线运行的光子不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。为把激光引出腔外，可把一端的反射镜做成部分透射的，透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子。光学请振腔的作用有:①提供反馈能量:②选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模，按频率区分的称纵模，按方向区分的称横模。两反射镜的曲率半径和间距(腔长)决定了谐振腔对本征模的限制情况，不同类型的谱振腔有不同的模式结构和限模特性。
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