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民升資訊：激光由來你了解嗎？

世界上第一束激光是由1960年的加州修斯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功，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。往后的幾十年來，激光科技不斷的發(fā)展更新，激光技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了我們生活中的方方面面。

很多人可能只知道激光十分的強(qiáng)大，可作用的用途十分的廣泛，但不清楚激光到底是怎么來的，是如何產(chǎn)生的。因此，民升激光小編就用通俗易懂的話語，為大家解說一下激光形成的原理。

激光設(shè)備制造商

激光到底是怎么來的？
想了解激光的形成原理，首先要清楚什么是能級，“能級”簡單的說就是每一個(gè)原子（實(shí)際上核外電子）攜帶一定能力的狀態(tài)，不同的能級表示原子攜帶的能量不同。能級越高其核外電子能量就越高，越容易脫離原子核的束縛。為了方便大家更透徹的理解，就以原子結(jié)構(gòu)最簡單的氫原子作為例子來講解一下。

n表示量子數(shù)，對應(yīng)原子的能級E。n＝1時(shí)，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(shí)，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)。

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而原子在激發(fā)態(tài)時(shí)是不穩(wěn)定的，當(dāng)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)會自發(fā)地向較低能級躍遷，經(jīng)過一次或幾次躍遷到達(dá)基態(tài)，在向低能級躍遷的過程中會釋放相應(yīng)能量。這個(gè)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(jì)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(shí)釋放光子的頻率，就是原子對外輻射光的頻率，形成激光時(shí)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(jìn)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(shí)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。

當(dāng)泵浦光照射紅寶石時(shí)，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(gè)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(jìn)行交換，即晶體內(nèi)部熱運(yùn)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。

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E2能級壽命較長（約有3ms），稱為亞穩(wěn)態(tài)能級，在這個(gè)能級上可以聚集較多的Cr3＋離子。當(dāng)外界泵浦足夠強(qiáng)的時(shí)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，每一個(gè)能量為hν的外來光子都將激發(fā)E2能級上的一個(gè)原子使其躍遷到基態(tài)，同時(shí)釋放一個(gè)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(shí)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(shí)，才會輸出激光。