激光振蕩器工作原理探析

周世偉

(哈爾濱師范大學)

0 引言

激光(laser)是輻射受激發(fā)射光量子放大的簡稱.愛因斯坦首先在光量子論的基礎上發(fā)展了自發(fā)輻射和受激輻射理論，并預言了原子產生受激輻射放大的可能性，奠基了激光理論基礎［1］.

激光技術是以原子物理、量子理論、光學技術和電子技術為基礎的綜合技術.激光技術的發(fā)展，使光的微觀發(fā)射機制，由不可控、雜亂無序，變?yōu)榭煽赜行?

一個能量為?ν=E2-E1的光子碰到高態(tài)E2原子時的受激輻射和它碰到低態(tài)E1原子時被吸收，已由經典的吸收理論及量子化輻射過程的熱力學理論所證實.受激發(fā)射和光的吸收，描述了物質吸收能量與釋放能量兩個不同狀態(tài)，而在激光技術中需要人為的造成反常態(tài)——受激發(fā)射狀態(tài)，而反常態(tài)的實現，決定于高能級與低能級粒子數量差.只有打破玻耳茲曼統計分布規(guī)律，使高能級粒子數高于低能級粒子數，才能得到受激發(fā)射的反常態(tài).正是由于物質從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)，才發(fā)生著意想不到的奇跡.迫使高能級粒子數多于低能級粒子數，稱為粒子數反轉，而粒子數反轉的實現，要靠外界能量的輸入來改變能級粒子數的分布.把外界提供能量的裝置稱為泵浦(激勵系統).

1 激光振蕩器工作原理探究

激光振蕩器由泵浦能源、激活介質和諧振腔三部分組成［2］.激光的基礎是光受激放大與振蕩.光要從介質中吸取能量而放大，必須使介質中原子的光發(fā)射超過光吸收，并在粒子數反轉的狀態(tài)下實現.

在常溫下熱平衡狀態(tài)，處于上下能級的粒子數分布服從玻耳茲曼統計分布:

式中N1與N2分別代表E1、E2能級的粒子數，K為波耳茲蔓常數.該分布是常溫下粒子數的正常分布，雖然處于該狀態(tài)的粒子遲早會掉到較低的狀態(tài)，并將以光的形式輻射出能量.但是此狀態(tài)只有光的自發(fā)發(fā)射和吸收，而光的發(fā)射是雜亂的、無序的，不能形成激光，借助外來力量，以激勵系統為動力，打破熱平衡狀態(tài)下粒子數分布使

即高能級E2的粒子數多于低能級E1的粒子數.N2＞N1狀態(tài)，是對熱平衡狀態(tài)的一種擾亂，處于負溫度狀態(tài).理論與實踐證明激勵系統(泵浦)與容易實現粒子數反轉的工作物質(激活介質)，共同實現了物質中粒子數的反轉.當能量為?ν=E2-E1的外來光子，作用到粒子數反轉的物質時，發(fā)生高能級粒子向低能級躍遷的受激輻射.依靠外來力量打破粒子數的正常分布，實現粒子數的反分布，讓光發(fā)射大于光吸收，從而形成激光.粒子數反轉是激光產生的狀態(tài).若使激活介質受激發(fā)射的光持續(xù)放大，必須在介質兩邊分別加一塊全反射鏡和一塊半反射鏡組成諧振腔.諧振腔是激光振蕩器中的核心部件.在諧振腔中，光、工作物質、反射鏡三者之間，以及光與光之間存在復雜的相互制約與影響，左右輸出激光的性能參數.諧振腔是固體激光器、氣體激光器、半導體激光器等各種激光振蕩器的必備技術，均采用諧振腔進行選模和放大，從而獲得單色性好、相干性好、方向性強和高亮度的激光.諧振腔的設計與調試是關鍵技術，影響激光振蕩器激光輸出的性能.若在激光振蕩器內激活介質起振蕩作用，那么輸出能量的一部分必須用做反饋.反饋由通過放置在激活介質兩端的反射鏡來實現.反射鏡一個完全反射，另一個部分反射，以便把激光束耦合出去.

諧振腔實際上是頻率選擇器，它從所發(fā)射的頻率很寬的光波中，選出滿足諧振條件的頻率形成激光.諧振腔第二個功能是進行光放大，諧振腔尺寸大小決定選擇振蕩頻率的多少.設諧振腔反射鏡尺寸很大，那么在半周期(單程)中總相移為:

又因一次往返的總相移必須為π的偶數倍，所以又

式中q表示縱模數，由K=ω/c，ω為波的角頻率又得

式中m與n確定各個模的橫場分布，q確定諧振腔兩反射鏡之間波長的數目.方程ωmnq=π(2q+m+n+1)c/2R為確定振蕩頻率的方程.方程指出:相同頻率的模有多個，所有具有(2q+m+n)的模都有相同的振蕩頻率，因為這些模是簡并的.

由此可見，諧振腔尺寸決定諧振腔振蕩頻率的多少，諧振腔對頻率的選擇，使得只有某些特定的光波在腔內來回一周后，位相改變2π的整數倍，才滿足諧振條件.滿足方程ωmnq=π(2q+m+n+1)c/2R的這些頻率在腔內發(fā)生振蕩，要形成激光還要滿足閾值條件.為此在諧振頻率中，只有在原子譜線寬度內，并同時滿足閾值條件的頻率可以形成激光.正是由于諧振腔對頻率的選擇功能，才使激光振蕩器具備了良好的單色性.若要激光振蕩器發(fā)出來的激光只有一個頻率，只能縮短諧振腔的長度，但影響激光的輸出功率.上述方程建立于共焦式諧振腔近軸區(qū)域，式中R為兩凹面鏡的曲率半徑，并R?λ，σ的大小確定著受到的損耗，是個復常數.在激光振蕩器工作物質內部，由于泵浦的激勵，在N2＞N1非熱平衡狀態(tài)，當外來光子的頻率滿足?ν=E2-E1兩能級能量差時，引起受激輻射發(fā)光.輻射過程中產生的光子與外來光子具有完全相同的特征，如相同的頻率、相同的相位等.由一個光子的作用，得到兩特征完全相同的光子，兩個相同的光子再引起其它粒子產生受激輻射，就能得到更多特征完全相同的光子.在一個入射光子作用下的連鎖反應，產生大量的具有相同特征的光子，該現象被定義為光放大.

激活介質在泵浦激勵下實現了粒子數反轉，當受激發(fā)射大于吸收過程時便具備了放大光的能力，而受激輻射只有沿著軸線方向的光子，才能在諧振腔兩反射鏡之間來回反射，每次路徑激活介質，并在諧振腔振蕩中光變得越來越強.與諧振腔軸線不平行的光子很快飛出腔外或被阻擋層吸收.當激活介質對光的放大作用足以抵消激光輸出和其它損耗時，諧振腔內保持了一定光強，同時不斷輸出激光，從而建立了激光振蕩.

可見在諧振腔內某一方向的受激輻射不斷得到放大和加強，產生的光振蕩實現了受激輻射在諧振腔內占有絕對優(yōu)勢，在軸向行進的光子不斷得到放大和振蕩，使諧振腔內沿軸向的光驟然增加，形成激光.

綜上所述，激光振蕩器是發(fā)射激光的裝置.激光發(fā)射必須滿足三個條件:

(1)形成粒子數反轉，使受激輻射占優(yōu)勢.

(2)具有核心部件諧振腔，用以實現諧振頻率的選擇，并實現光量子放大.

(3)降低閾值，其方法為減小各種損耗.

2 激光振蕩器發(fā)展前景及最新動態(tài)

由國內外激光技術領域［3］的科技動態(tài)來看，激光振蕩器的研究和發(fā)展主要有:

(1)提高激光振蕩器的物理參數，研究大功率、大能量的激光儀器.

(2)積極尋找新的工作物質，以滿足對激光振蕩器的不同需求.

(3)開展X射線激光振蕩器的研究，尋找在X射線激光振蕩器中，在激活物質(等離子體)中實現粒子數反轉的技術手段.如:離子的光激發(fā);離子的電子碰撞激發(fā);離子的碰撞復合;多電荷原子(離子內殼層的光電離和碰撞電離);原子——離子的電荷交換等.

固體激光振蕩器靠光抽運來實現粒子數反轉;氣體激光振蕩器粒子數反轉是由電子碰撞激發(fā)的;在半導體激光振蕩器中，粒子數反轉的實現是靠注入不同物質的少數載流子形成激活區(qū)(p-n結)，在(p-n結)中實現的.半導體激光振蕩器［4］最大的優(yōu)點在于它容易實現粒子數反轉(如只需很小的脈沖電壓)，高效率體積小，因而半導體激光振蕩器成為激光發(fā)展的主流.最近日本東京都市大學成功的由硅基板發(fā)出波長約1.5 μm近紅外線的激光，首先在硅中制造出微小構造，再埋入直徑約70 nm的鍺微小粒“量子點”，規(guī)則排列制造出直徑200 nm的孔穴，通電產生光子，光子在各孔穴間來回則形成接近近紅外線波長的光.東京大學則成功由硅基板發(fā)出波長1.3 μm的激光.硅基材料本身就含有微量不純物，再加入比一般防腐劑高百倍的硼，通電后產生的光子在兩端反射鏡之間(諧振腔)來回產生激光.東京農工大學則以低成本的技術制造硅基板激光器，在溶液中通電，基板表面會形成硅量子點，雖然成功發(fā)出激光，但仍需解決光電變換效率等諸多問題［5］.總之由于半導體材料優(yōu)良的特性，是激光發(fā)展的重要方向.通過擴散在材料中摻入不同的雜質，形成p-n結，利用光刻工藝形成微小孔穴的半導體材料，更容易實現粒子數反轉.尋找新的半導體材料仍然是半導體激光的新突破.

目前科研人員努力的方向是X射線激光、紅外線激光、attosecondlaser(阿秒激光)、free electronlaser(自由電子激光)等［6］.我們已經十分清楚，科研人員總是想各種辦法，尋找最容易形成粒子數反轉的工作物質，讓其發(fā)出光來，然后通過一系列的方法，將光加以放大，增加激光的能量.從這一思路出發(fā)，演繹了激光技術的發(fā)展和未來.

［1］ 加塔克 M K，塞格雷鍵 K.現代光學:第2版.內蒙古:內蒙古人民出版社，1986.

［2］ 伽本尼M.北京大學激光教研室，譯.光學物理:第1版.北京:科學出版社，1976.

［3］ 彭慧民，王世績.X射線激光，第1版.北京:國防工業(yè)出版社，1997.

［4］ 劉恩科，朱秉生，羅晉生，等.半導體物理學:第4版.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［5］ 中國電子科技集團公司第二十七研究所.電光系統，2012(2).

［6］ 姚啟鈞.光學教程.北京:人民教育出版社，1981.