激光振荡器工作原理探析

周世伟

(哈尔滨师范大学)

0 引言

激光(laser)是辐射受激发射光量子放大的简称.爱因斯坦首先在光量子论的基础上发展了自发辐射和受激辐射理论，并预言了原子产生受激辐射放大的可能性，奠基了激光理论基础［1］.

激光技术是以原子物理、量子理论、光学技术和电子技术为基础的综合技术.激光技术的发展，使光的微观发射机制，由不可控、杂乱无序，变为可控有序.

一个能量为ħν=E2-E1的光子碰到高态E2原子时的受激辐射和它碰到低态E1原子时被吸收，已由经典的吸收理论及量子化辐射过程的热力学理论所证实.受激发射和光的吸收，描述了物质吸收能量与释放能量两个不同状态，而在激光技术中需要人为的造成反常态——受激发射状态，而反常态的实现，决定于高能级与低能级粒子数量差.只有打破玻耳兹曼统计分布规律，使高能级粒子数高于低能级粒子数，才能得到受激发射的反常态.正是由于物质从一个状态到另一个状态，才发生着意想不到的奇迹.迫使高能级粒子数多于低能级粒子数，称为粒子数反转，而粒子数反转的实现，要靠外界能量的输入来改变能级粒子数的分布.把外界提供能量的装置称为泵浦(激励系统).

1 激光振荡器工作原理探究

激光振荡器由泵浦能源、激活介质和谐振腔三部分组成［2］.激光的基础是光受激放大与振荡.光要从介质中吸取能量而放大，必须使介质中原子的光发射超过光吸收，并在粒子数反转的状态下实现.

在常温下热平衡状态，处于上下能级的粒子数分布服从玻耳兹曼统计分布:

式中N1与N2分别代表E1、E2能级的粒子数，K为波耳兹蔓常数.该分布是常温下粒子数的正常分布，虽然处于该状态的粒子迟早会掉到较低的状态，并将以光的形式辐射出能量.但是此状态只有光的自发发射和吸收，而光的发射是杂乱的、无序的，不能形成激光，借助外来力量，以激励系统为动力，打破热平衡状态下粒子数分布使

即高能级E2的粒子数多于低能级E1的粒子数.N2＞N1状态，是对热平衡状态的一种扰乱，处于负温度状态.理论与实践证明激励系统(泵浦)与容易实现粒子数反转的工作物质(激活介质)，共同实现了物质中粒子数的反转.当能量为ħν=E2-E1的外来光子，作用到粒子数反转的物质时，发生高能级粒子向低能级跃迁的受激辐射.依靠外来力量打破粒子数的正常分布，实现粒子数的反分布，让光发射大于光吸收，从而形成激光.粒子数反转是激光产生的状态.若使激活介质受激发射的光持续放大，必须在介质两边分别加一块全反射镜和一块半反射镜组成谐振腔.谐振腔是激光振荡器中的核心部件.在谐振腔中，光、工作物质、反射镜三者之间，以及光与光之间存在复杂的相互制约与影响，左右输出激光的性能参数.谐振腔是固体激光器、气体激光器、半导体激光器等各种激光振荡器的必备技术，均采用谐振腔进行选模和放大，从而获得单色性好、相干性好、方向性强和高亮度的激光.谐振腔的设计与调试是关键技术，影响激光振荡器激光输出的性能.若在激光振荡器内激活介质起振荡作用，那么输出能量的一部分必须用做反馈.反馈由通过放置在激活介质两端的反射镜来实现.反射镜一个完全反射，另一个部分反射，以便把激光束耦合出去.

谐振腔实际上是频率选择器，它从所发射的频率很宽的光波中，选出满足谐振条件的频率形成激光.谐振腔第二个功能是进行光放大，谐振腔尺寸大小决定选择振荡频率的多少.设谐振腔反射镜尺寸很大，那么在半周期(单程)中总相移为:

又因一次往返的总相移必须为π的偶数倍，所以又

式中q表示纵模数，由K=ω/c，ω为波的角频率又得

式中m与n确定各个模的横场分布，q确定谐振腔两反射镜之间波长的数目.方程ωmnq=π(2q+m+n+1)c/2R为确定振荡频率的方程.方程指出:相同频率的模有多个，所有具有(2q+m+n)的模都有相同的振荡频率，因为这些模是简并的.

由此可见，谐振腔尺寸决定谐振腔振荡频率的多少，谐振腔对频率的选择，使得只有某些特定的光波在腔内来回一周后，位相改变2π的整数倍，才满足谐振条件.满足方程ωmnq=π(2q+m+n+1)c/2R的这些频率在腔内发生振荡，要形成激光还要满足阈值条件.为此在谐振频率中，只有在原子谱线宽度内，并同时满足阈值条件的频率可以形成激光.正是由于谐振腔对频率的选择功能，才使激光振荡器具备了良好的单色性.若要激光振荡器发出来的激光只有一个频率，只能缩短谐振腔的长度，但影响激光的输出功率.上述方程建立于共焦式谐振腔近轴区域，式中R为两凹面镜的曲率半径，并R≫λ，σ的大小确定着受到的损耗，是个复常数.在激光振荡器工作物质内部，由于泵浦的激励，在N2＞N1非热平衡状态，当外来光子的频率满足ħν=E2-E1两能级能量差时，引起受激辐射发光.辐射过程中产生的光子与外来光子具有完全相同的特征，如相同的频率、相同的相位等.由一个光子的作用，得到两特征完全相同的光子，两个相同的光子再引起其它粒子产生受激辐射，就能得到更多特征完全相同的光子.在一个入射光子作用下的连锁反应，产生大量的具有相同特征的光子，该现象被定义为光放大.

激活介质在泵浦激励下实现了粒子数反转，当受激发射大于吸收过程时便具备了放大光的能力，而受激辐射只有沿着轴线方向的光子，才能在谐振腔两反射镜之间来回反射，每次路径激活介质，并在谐振腔振荡中光变得越来越强.与谐振腔轴线不平行的光子很快飞出腔外或被阻挡层吸收.当激活介质对光的放大作用足以抵消激光输出和其它损耗时，谐振腔内保持了一定光强，同时不断输出激光，从而建立了激光振荡.

可见在谐振腔内某一方向的受激辐射不断得到放大和加强，产生的光振荡实现了受激辐射在谐振腔内占有绝对优势，在轴向行进的光子不断得到放大和振荡，使谐振腔内沿轴向的光骤然增加，形成激光.

综上所述，激光振荡器是发射激光的装置.激光发射必须满足三个条件:

(1)形成粒子数反转，使受激辐射占优势.

(2)具有核心部件谐振腔，用以实现谐振频率的选择，并实现光量子放大.

(3)降低阈值，其方法为减小各种损耗.

2 激光振荡器发展前景及最新动态

由国内外激光技术领域［3］的科技动态来看，激光振荡器的研究和发展主要有:

(1)提高激光振荡器的物理参数，研究大功率、大能量的激光仪器.

(2)积极寻找新的工作物质，以满足对激光振荡器的不同需求.

(3)开展X射线激光振荡器的研究，寻找在X射线激光振荡器中，在激活物质(等离子体)中实现粒子数反转的技术手段.如:离子的光激发;离子的电子碰撞激发;离子的碰撞复合;多电荷原子(离子内壳层的光电离和碰撞电离);原子——离子的电荷交换等.

固体激光振荡器靠光抽运来实现粒子数反转;气体激光振荡器粒子数反转是由电子碰撞激发的;在半导体激光振荡器中，粒子数反转的实现是靠注入不同物质的少数载流子形成激活区(p-n结)，在(p-n结)中实现的.半导体激光振荡器［4］最大的优点在于它容易实现粒子数反转(如只需很小的脉冲电压)，高效率体积小，因而半导体激光振荡器成为激光发展的主流.最近日本东京都市大学成功的由硅基板发出波长约1.5 μm近红外线的激光，首先在硅中制造出微小构造，再埋入直径约70 nm的锗微小粒“量子点”，规则排列制造出直径200 nm的孔穴，通电产生光子，光子在各孔穴间来回则形成接近近红外线波长的光.东京大学则成功由硅基板发出波长1.3 μm的激光.硅基材料本身就含有微量不纯物，再加入比一般防腐剂高百倍的硼，通电后产生的光子在两端反射镜之间(谐振腔)来回产生激光.东京农工大学则以低成本的技术制造硅基板激光器，在溶液中通电，基板表面会形成硅量子点，虽然成功发出激光，但仍需解决光电变换效率等诸多问题［5］.总之由于半导体材料优良的特性，是激光发展的重要方向.通过扩散在材料中掺入不同的杂质，形成p-n结，利用光刻工艺形成微小孔穴的半导体材料，更容易实现粒子数反转.寻找新的半导体材料仍然是半导体激光的新突破.

目前科研人员努力的方向是X射线激光、红外线激光、attosecondlaser(阿秒激光)、free electronlaser(自由电子激光)等［6］.我们已经十分清楚，科研人员总是想各种办法，寻找最容易形成粒子数反转的工作物质，让其发出光来，然后通过一系列的方法，将光加以放大，增加激光的能量.从这一思路出发，演绎了激光技术的发展和未来.

［1］ 加塔克 M K，塞格雷键 K.现代光学:第2版.内蒙古:内蒙古人民出版社，1986.

［2］ 伽本尼M.北京大学激光教研室，译.光学物理:第1版.北京:科学出版社，1976.

［3］ 彭慧民，王世绩.X射线激光，第1版.北京:国防工业出版社，1997.

［4］ 刘恩科，朱秉生，罗晋生，等.半导体物理学:第4版.北京:国防工业出版社，2007.

［5］ 中国电子科技集团公司第二十七研究所.电光系统，2012(2).

［6］ 姚启钧.光学教程.北京:人民教育出版社，1981.