透徹解析：激光到底是怎么來的
1960年，世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯實驗室的寧靜，西奧多·梅曼發(fā)明的紅寶石激光器，開啟了人類創(chuàng)造激光、利用激光改造世界的大門。此后五十余年來，激光科學(xué)發(fā)展迅猛，激光技術(shù)的普及應(yīng)用也從方方面面走進了人們的生活。但多數(shù)人只是知道激光有這樣那樣的用途，卻不知道激光到底是怎么來的。因此，本文將用相對通俗的語言，為大家講解激光形成的原理。
要弄懂激光形成的原理，首先了解一下什么是能級。簡單來說，能級就是每一個原子（實際上核外電子）攜帶一定能量的狀態(tài)，不同的能級表示原子攜帶的能量不同。能級越高，意味著核外電子能量越高，越容易脫離原子核的束縛。為方便理解，以原子結(jié)構(gòu)最簡單的氫原子為例進行講解。
n表示量子數(shù)，對應(yīng)原子的能級E。n＝1時，表示的是氫原子穩(wěn)定狀態(tài)下的能級，稱為基態(tài)（E1能級）。n＝2、3、4等，稱為激發(fā)態(tài)（E2能級、E3能級、E4能級等）。根據(jù)丹麥物理學(xué)家玻爾的理論，原子處于穩(wěn)定的基態(tài)時，如果受到外界的激發(fā)，吸收相應(yīng)的外界能量，會躍遷到較高的能級上形成激發(fā)態(tài)。而原子在激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的，當原子處于激發(fā)態(tài)時會自發(fā)地向較低能級躍遷，經(jīng)過一次或幾次躍遷到達基態(tài)，在向低能級躍遷的過程中會釋放相應(yīng)能量。這個相應(yīng)能量以一定頻率的光子的形式存在，可由能級圖右側(cè)數(shù)值計算得出，光子能量E＝hν＝Em－En。h是物理學(xué)家測出的固定值（普朗克常量），ν表示光子的頻率（由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時釋放光子的頻率，就是原子對外輻射光的頻率，形成激光時也就是該激光的頻率，這決定了激光的波長λ＝c／ν，c為光速）。
理解能級結(jié)構(gòu)之后，來看看激光是怎么形成的。同樣為方便理解，還是以結(jié)構(gòu)最簡單的紅寶石激光器為例進行講解。紅寶石激光器屬于固體激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒，晶體基質(zhì)為Al2O3，摻有占總重量0.05％的Cr2O3。紅寶石中的激光作用是通過Cr3＋（鉻離子）的受激發(fā)射過程而實現(xiàn)的，因而Cr3＋通常稱為激活離子，它是紅寶石中產(chǎn)生激光的“主體”。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質(zhì)，對激光作用只起間接作用。其能級結(jié)構(gòu)如圖所示：
當泵浦光照射紅寶石時，處于基態(tài)的Cr3＋離子吸收特定波長的光躍遷到E3能級，Cr3＋離子在這個能級上壽命很短（極不穩(wěn)定，約存在10－9s），因而迅速通過無輻射躍遷（無輻射躍遷是指原子通過原子碰撞的形式將能量與外界進行交換，即晶體內(nèi)部熱運動，從而發(fā)生能級改變，期間既不發(fā)射也不吸收光子）躍遷到E2能級。E2能級壽命較長（約有3ms），稱為亞穩(wěn)態(tài)能級，在這個能級上可以聚集較多的Cr3＋離子。當外界泵浦足夠強的時候，會在E2能級和E1能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即E2能級上Cr3＋離子數(shù)量比E1能級多。在實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，每一個能量為hν的外來光子都將激發(fā)E2能級上的一個原子使其躍遷到基態(tài)，同時釋放一個能量為hν的光子，光子總能量也就1變2，2變4，4變8……從而實現(xiàn)了受激輻射放大（增益）過程。由于光學(xué)諧振腔對光增益存在損耗，只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗時，才會輸出激光。
下面對紅寶石激光器結(jié)構(gòu)進行講解，有條件的話，可以自己動手制作一個簡易的紅寶石激光器哦。
紅寶石激光器包括泵浦源（簡單來說，就是給激光器提供最初始能量的外界物質(zhì)，對紅寶石激光器而言，泵浦源是氙閃光燈，從某種角度來看，反射罩也可算作泵浦源）、增益介質(zhì)（用以提供光放大，是產(chǎn)生激光的主體，即紅寶石棒）、諧振腔（形成激光的區(qū)域，可用兩端各一個反射鏡來構(gòu)成紅寶石激光器的諧振腔）。
工作時，首先給泵浦源通電，氙閃光燈發(fā)出高頻強光（散射光），直接照射和周圍反射罩的聚光把強光都聚集在增益介質(zhì)——紅寶石上。紅寶石晶體在吸收徑向（四周指向軸心）強聚集光的輻射之后，內(nèi)部電子向能量低的方向輻射。由于紅寶石徑向受強光照射，只有軸向是低能區(qū)域，于是受光的紅寶石向軸向發(fā)出輻射。由于晶體的核外電子速率是相等的，所以軸向發(fā)出輻射的頻率基本相同。
諧振腔由兩片裝置在紅寶石晶體軸向兩端、相隔一定距離的反光鏡組成，后片為全反射鏡（反射率為100％），前片為半反射鏡（當光束達到一定能量的時候，會從該反射鏡中透射輸出腔外，反射率可取70％－90％）。紅寶石晶體沿軸向所發(fā)出的輻射碰到反射鏡，在兩片反光鏡之間來回反射，反復(fù)穿過紅寶石晶體。每次穿過紅寶石晶體，都會激發(fā)等量的光子，即每次穿過晶體，光束能量會翻倍。最終光束能量越來越大，當能量超過一定值的時候（閾值），光束即從前端鏡片中間發(fā)射輸出，形成激光。
紅寶石激光器輸出的激光波長為694.3nm，光電轉(zhuǎn)換率低，只有0.1％。但其熒光壽命長，有利于儲能，可輸出較高的脈沖峰值功率，一根筆芯粗細，手指長的紅寶石棒產(chǎn)生的激光就可以輕松的產(chǎn)生打穿鐵皮。在效率更高的YAG激光器出現(xiàn)之前，紅寶石激光器被廣泛地用在激光切割、鉆孔上。此外，694nm的光極易被黑色素吸收，因此紅寶石激光器還被用于色素性病變（皮膚長斑）的治療。
至此，相信各位對激光形成的原理都有了較為清晰的認識。其他種類激光器的結(jié)構(gòu)和激光的形成過程與雖紅寶石激光器略有不同，但原理上基本一致，就不再展開了。
