激光产生的条件

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激光在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是受激辐射的光放大。可见，受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。  　 　如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。一般的，电子被激发到高能级后，在高能级上停留的时间是短暂的。而有些物质的电子处于 第二能级E2的时间较长，仅次于基态能级E1。这个能级就叫做亚稳能级。要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。  　 　外来的光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可能被低能级所吸收。在激光工作物质中，受激辐射和受激吸收这两个过程都同时存在。在常温下，吸收多于发 射。选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。  形成粒子数反转  高能态粒子数大于低能态粒子数的非热平衡状态。在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律： 式中k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数和统计权重。由于E2＞ 子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势，原子系统单位时间内从辐射场所吸收的光子数总是多于受激发射产生的光子数。如果采用适当的激 粒子数反转是相对于热平衡分布而言的。当体系处于粒子数反转状态时，受激辐射光子数多于被吸收的光子数，因此对光子数具有放大作用。一个激光器要实现激光运转，粒子数反转是必要条件之一。    从△＞0可知，体系处于粒子数反转状态时，体系的温度T＜0，因而说体系处于负温度状态。这是形式上的一种说法。实际上，在热平衡状态下，T不能取负值。但是体系处于粒子数反转状态时，它并不处于热平衡状态。　　激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件。通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的。  　　这些晶体和谐振腔都会使光子产生损耗。只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件。