“激光”一词来源于英文“LASER”,是由“受激后辐射所形成的光放大”的各词首字母组成(light amplification by stimulated emission of radiation)。激光诞生之初,“LASER”一词曾被翻译得五花八门,后来由钱学森先生建议,统一译成“激光”两字,而我国港台地区目前仍音译为“镭射”。
光源的发光现象,比如白炽灯、日光灯和激光,都是光源系统中原子(或分子、离子)内部能量变化的结果。原子的能级结构是发光现象的物质基础,激光的产生,可以通过以下几个过程来介绍给大家。
★ 激发
一般原子系统中,绝大多数的原子处于低能级的基态,而处于高能级的激发状态的原子数目,相比基态的原子是非常少的。例如,在室温(27—28℃)的情况下,红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的1030倍。因此,红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用,首先必须把这些基态上的粒子激发到高能级,从低能级到高能级的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程,称做光的受激吸收。激发的方法很多,主要是给基态粒子外加一定能量,例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等。基态粒子吸收能量后即被激发,例如红宝石激发器就是用脉冲氙灯照射的方法施加光能,使铬离子从基态激发到高能级的激发态上。又如氦—氖激光器通过电子与氦原子碰撞,使氦原子获得能量。氦原子通过碰撞又将能量传给氖原子,氖原子获得能量后从基态激发到高能级去。化学激发器是用分解或化合的方法作为激发能源。
★ 辐射
由于原子内部结构的不同,在相同的外界条件下,原子从基态被激发到各个高能级去的可能性是不一致的。通常把原子从基态激发到某一能级上去的可能性,叫做该能级的激发机率。各能级的激发机率是不同的,有的很大,有的很小,这种机率取决于物质自身的性质。
原子(或分子、离子)总是力图使自己的能量状态处于基态上,被激发到高能级后的粒子,力图回到基态上去,与此同时放出激发时所吸收的能量。基态是粒子能量最平衡最稳定的状态,从高级回到低能级去的过程称为跃迁,跃迁时释放的能量即辐射。
★ 粒子数反转和激光的形成
当光子通过某一介质时,它可能被原子(或离子、分子)所吸收,从而使原子从低能级激发到高能级去,这个过程称为共振吸收或称光的受激吸收。另外入射光也能引起处于高能级的原子发生受激辐射。
在一般情况下,处于低能级的原子数目远远超过处于高能级的原子数目。要想得到受激辐射,就必须先使原子(或离子、分子)激发到高能级去。人为地施加一定能量,使高能级上具有较多的粒子数分布,这种状态称为粒子数反转。产生粒子数反转的物质就称为活性物质。
处于粒子数反转状态的活性系统,可以产生“雪崩”。雪崩过程可以使光再次放大。该过程的继续进行,必须通过一定的装置,这种装置就是光学共振腔。从共振腔中持续发出来的、特征完全相同的大量光子就是激光。
★ 光学共振腔
激光所以具有良好的单色性、方向性以及较高的亮度,主要是取决于光学共振腔的作用。于工作物质的两端加上两块相互平行的反光镜,其中一块是全反射镜,另一块是半反射镜,这就是光学共振腔的主要结构。
在光学共振腔中的活性物质,受到外加能量的激励而产生的光子可以射向各个方向,但其中传播方向与反射镜垂直者,则在介质中来回反射振荡。在反射振荡的过程中,引发介质中其他活性物质点受激辐射,因此这种辐射的强度越来越大。由于受激辐射反复振荡产生的大量光子都具有相同的特征和一致的传播方向,因此决定了激光具有良好的单色性和准直的定向性。又由于光子来回不断地进行振荡,辐射强度借以得到极度的增大,因此又保证了激光的高亮度。