1)受激輻射發(fā)光——激光產(chǎn)生的先決條件

處在高能級E2上的粒子，由于受到能量為hv=E2-E1的外來光子的誘發(fā)而躍遷到低能級，并發(fā)射出一個頻率為的光子的躍遷過程稱為受激輻射過程，如圖 l-6(a)所示。

子性，利用它與其他物質(zhì)的相互作用可以得到粒子 流的強度，而無需相位關(guān)系。
受激輻射過程發(fā)出的光子與入射光子的頻率、相位、偏振方向以及傳播方向均相同，且 有兩倍同樣的光子發(fā)出，光被放大了一倍,它是激光產(chǎn)生的先決條件。

受激輻射存在逆過程一一受激吸收過程，如圖l-6(b)所示。受激輻射的過程是復(fù)制產(chǎn) 生光子，受激吸收過程是吸收消耗光子，激光產(chǎn)生的實際過程要看哪種作用更強。

2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布——激光產(chǎn)生的必要條件

(1)玻爾茲曼定律:熱平衡狀態(tài)下，大量原子組成的系統(tǒng)粒子數(shù)的分布服從玻耳茲曼定 律，處于低能級的粒子數(shù)多于高能級的粒子數(shù)，如圖l-7(a)所示，此時受激輻射<受激吸收。 為了使受激輻射占優(yōu)勢從而產(chǎn)生光放大，就必須使高能級上的粒子數(shù)密度大于低能級上的 粒子數(shù)密度，即以N2>N1，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，如圖1-7(b)所示。

實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件。

(2)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：在激光器的實際結(jié)構(gòu)上，通過改變激光工作物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 和外部工作條件這樣兩個途徑來實現(xiàn)持續(xù)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

①給激光工作物質(zhì)注人外加能量：如果給激光工作物質(zhì)注人外加能量，打破工作物質(zhì)的 熱平衡狀態(tài)，持續(xù)地把工作物質(zhì)的活性粒子從基態(tài)能級激發(fā)到高能級，就可能在某兩個能級?之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，如圖1-8所示。

注人外加能量的方法在激光的產(chǎn)生過程中稱為激勵，也稱為泵浦。常見的激勵方式有 光激勵、電激勵、化學激勵等。

光激勵通常是用燈(脈沖氙燈、連續(xù)氪燈、碘鎢燈等）或用激光器作為泵浦光源照射激光 工作物質(zhì)，這種激勵方式主要為固體激發(fā)器所采用，如圖1-9所示。

電激勵是采用氣體放電方法使具有一定動能的自由電子與氣體粒子相碰撞，把氣體粒 子激發(fā)到高能級，這種激勵方式主要為氣體激光器所采用，如圖1-10所示。

化學激勵則是通過化學反應(yīng)產(chǎn)生一種處于激發(fā)態(tài)的原子或分子，這種激勵方式主要為 化學激光器所采用。

②改善激光工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)：在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)主要 有三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)兩類。

三能級系統(tǒng)如圖l-ll(a)所示，粒子從基 態(tài)。首先被激發(fā)到能級￡3，粒子在能級E3上是不穩(wěn)定的，其壽命很短約10-8/s，很快 地通過無輻射躍遷到達能級E2上。能級E2 是亞穩(wěn)態(tài)，粒子在E2上的壽命較長（1(103? 1 s)，因而在E2上可以積聚足夠多的粒子，這 樣就可以在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間實現(xiàn)粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)。

此時若有頻率為V=(E2-E1)/H的外來光子的激勵，將誘發(fā)E2上粒子的受激輻射，并 使同樣頻率的光得到放大。紅寶石就是具有這種三能級系統(tǒng)的典型工作物質(zhì)。

三能級系統(tǒng)中，由于激光的下能級是基態(tài)，為了達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須把半數(shù)以上的基 態(tài)粒子泵浦到上能級，因此要求很高的泵浦功率。

四能級系統(tǒng)如圖l-ll(b)所示，它與三能級系統(tǒng)的區(qū)別是在亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E。之間還 有一個高于基態(tài)的能級E1。由于能級&基本上是空的，這樣￡2與^之間就比較容易實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以四能級系統(tǒng)的效率一般比三能級系統(tǒng)的高。

以離子為工作粒子的固體物質(zhì)，如鉬玻璃、摻欽釔鋁石榴石晶體以及大多數(shù)氣體激光 工作物質(zhì)都具有這種四能級系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)。

三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)的特點是都有一個亞穩(wěn)態(tài)能級，這是工作物質(zhì)實 現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必需的條件。

3)光學諧振腔——激光持續(xù)產(chǎn)生的源泉

(1)諧振腔功能：雖然工作物質(zhì)實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就可以產(chǎn)生相同頻率、相位和偏振的 光子，但此時光子的數(shù)目很少且傳播方向不一。

如果在工作物質(zhì)兩端面加上一對反射鏡，或在兩端面鍍上反射膜，使光子來回通過工作 物質(zhì)，光子的數(shù)目就會像滾雪球似地越滾越多，形成一束很強且持續(xù)的激光輸出。

把由兩個或兩個以上光學反射鏡組成的器件稱為光學諧振腔，如圖1-12所示。

(2)諧振腔結(jié)構(gòu)：兩塊反射鏡置于激光工作物質(zhì)兩端，反射鏡之間的距離為腔長。其中， 反射鏡R1的反射率接近100%，稱為全反射鏡，也稱為高反鏡；反射鏡R2部分反射激光，稱 為部分反射鏡，也稱為低反鏡(半反鏡）。

全反射鏡和部分反射鏡不斷引起激光器諧振腔內(nèi)的受激振蕩，并允許激光從部分反射 鏡一端輸出，故部分反射鏡又稱激光器窗口。 .

在諧振腔內(nèi)，只有沿軸線附近傳播的光才能被來回反射形成激光，而離軸光束經(jīng)幾次來

回反射就會從反射鏡邊緣逸出諧振腔，所以激光光束具有很好的方向性。

4) 閾值條件——激光輸出對器件的總要求

有了穩(wěn)定的光學諧振腔和能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，還不一定能產(chǎn)生激光輸出。 工作物質(zhì)在光學諧振腔內(nèi)雖然能夠產(chǎn)生光放大，但在諧振腔內(nèi)還存在著許多光的損耗 因素，如反射鏡的吸收、透射和衍射，以及工作物質(zhì)不均勻造成的光線折射和散射等。如果 各種光損耗抵消了光放大過程，也不可能有激光輸出。

用閾值來表示光在諧振腔中每經(jīng)過一次往返后光強改變的趨勢。

若閾值小于1，意味著往返一次后光強減弱。來回多次反射后，它將變得越來越弱，因而 不可能建立激光振蕩。因此，實現(xiàn)光振蕩并輸出激光，除了具備合適的工作物質(zhì)和穩(wěn)定的光 學諧振腔外，還必須減少損耗，達到產(chǎn)生激光的閾值條件。

5) 產(chǎn)生激光的充要條件

(1) 要有含亞穩(wěn)態(tài)能級的工作物質(zhì)。

(2) 要有合適的泵浦源，使工作物質(zhì)中的粒子被抽運到亞穩(wěn)態(tài)并實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分 布，以產(chǎn)生受激輻射光放大。

(3) 要有光學諧振腔，使光往返反饋并獲得增強，從而輸出高定向、高強度的激光。

(4) 要滿足激光產(chǎn)生的閾值條件。

綜上所述，激光（laser)的產(chǎn)生就是受激輻射的光放大效應(yīng)（light amplification by stimulated emission of radiation) 可以順利進行的過程。