激光与固体物理笔记
激光器组成
- 激励能源
- 工作物质（含有亚稳态能级）
- 光学谐振腔
一、受激吸收、自发辐射和受激辐射
普通光源：自发发光；区别于激光源的受激发光。
按照原子的量子理论，光和原子的相互作用能引起下面三种跃迁过程。
- 受激吸收
设原子位于$E_1$低能级，且存在高能级$E_2$。当入射光子能量为$hv=E_2-E_1$时，原子就有可能吸收光子并跃迁到$E_2$。这也称为原子的光激发。
- 自发辐射
激发态原子状态不稳定，无外界作用下，其会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子。这光子的能量为$hv=E_2-E_1$。普通光源的发光就属于自发辐射。由于发光物质中各个原子自发独立进行辐射，因此光子的相位、偏振态、传播方向均无固定关系。对大量原子而言，即使都是从$E_2$跃迁到$E_1$，发出的同频率的光也是不相干的。
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- 受激辐射
爱因斯坦发现，辐射场和原子交换能量时，只靠自发辐射和吸收不能达到热平衡，因此还必须存在受激辐射。
位于高能态$E_2$的原子在自发辐射以前，如果受到能量为$hv=E_2-E_1$的外来光子诱发作用，就有可能从$E_2$跃迁到$E_1$，同时发射一个与外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子。也就是说，一个光子能引发两个状态完全相同的光子。若由它们继续向下引发，则能的带大量特征相同的光子，即光放大的实现。这样产生的光为相干光。
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二、产生激光的基本条件
1.粒子数反转
光和原子系统相互作用时，总是存在上述三种过程。而受激吸收和受激辐射是两种矛盾的过程：前者减少光子数，后者增加光子数。
2.光学谐振腔
为了实现粒子数反转，需要在工作物质周围构造一个光学谐振腔。光学谐振腔是由两个反射镜和工作物质构成的，其中一个反射镜是半透明的，可以让一部分光子透过，另一部分光子被反射回来。当工作物质被激发时，它会发出光子，这些光子在谐振腔内来回反射，与工作物质不断相互作用，从而增强光子的能量和数量。当光子数达到一定程度时，就会出现粒子数反转，从而产生激光。光学谐振腔的长度和反射镜的反射率等参数决定了激光的波长和输出功率等特性。