鐳射是如何產生的 ?

鐳射是如何產生的

鐳射是光學原理的一種應用，但是究竟要怎麼樣才能從普通的光線變成鐳射？這就得先了解原子發光的原理。一個原子從高能階降到低能階時，會放出一個光子，叫做自發放光。原子在高能階時受到一個光子的撞擊，就會受激而放出另外一個相同的光子，變成兩個光子，叫做受激放光。如果受激放光的過程持續產生，則所發出來的光子便會越來越多。只要我們把高能階的原子數量控制在高於低能階的原子數量，那麼受激放光的過程就會持續產生，這種控制原子受激放光的裝置我們稱它為“光放大器”。

我們也知道，光線發射出去時是以光速朝各個方向前進的，為了讓產生的光線能夠被收集浮來並持續放大加以利用，則必須利用叫做「共振腔」的裝置，把由光放大器所產生的光線用反射鏡侷限在一個特定的範圍內，讓光線可以來回反射，且由於光放大器所產生的光子是相同的，所以行進的方向也會相當一致。透過共振腔的作用，能讓光線行進的方向完全相同，也就是說擁有跟共振腔相同方向的光線才會被放大，其餘不同方向的光線都不會放大，這是產生鐳射的首要條件。

共振腔還有另外一個作用，那就是限制鐳射的頻率。光線要在共振腔產生共振必須符合 L = nλ／2 的關係（L 是共振腔長度，λ 是波長，n 是固定倍數），所以並非所有頻率的光線都可以在共振腔中產生共振，而是隻有符合這規則的才會產生共振。不過，共振腔的長度（L）可以長達數公尺，而光的波長（λ）卻是以微米為單位，這兩者之間相差了 100 萬倍，也就是說符合條件的 n 範圍相當大，而非只有單一頻率。可以同時發出這麼多頻率的光，就給了我們建造脈衝鐳射的條件。

鐳射入門知識 33tt.com/article/2004-03/17.htm

參考資料：33tt.com/article/2005-12/809.htm

參考資料：33tt.com/article/2004-03/17.htm

鐳射是怎麼產生的

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鐳射（英語：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，縮寫：LASER，或者簡稱：laser）是指通過光與物質相互作用，由於受激輻射而產生的。產生鐳射三個要素包括“激勵源”，“增益介質”，“共振結構”。

“激勵源”（pumping source）：把能量供給低能級的電子，激發使其成為高能級電子，能量供給的方式有電荷放電、光子、化學作用。

“增益介質”（gain medium）：被激發、釋放光子的電子所在的物質，其物理特性會影響所產生鐳射的波長等特性。

“共振腔”（optical cavity/optical resonator）：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發的光多次經過增益介質以得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，鐳射便從半反射鏡發射出去。因此，此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對輸出的鐳射波長有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產生共振的波長才能產生鐳射。

【參考】baike.baidu.com/...0a1Y1_

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鐳射是怎麼樣產生的，原理，

1、普通光源的發光——受激吸收和自發輻射

普通常見光源的發光（如電燈、火焰、太陽等地發光）是由於物質在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發。激發的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2）的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會自發地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為

hυ=E2-E1

這種輻射稱為自發輻射。原子的自發輻射過程完全是一種隨機過程，各發光原子的發光過程各自獨立，互不關聯，即所輻射的光在發射方向上是無規則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態也各不相同。由於激發能級有一個寬度，所以發射光的頻率也不是單一的，而有一個範圍。

在通常熱平衡條件下，處於高能級E2上的原子數密度N2，遠比處於低能級的原子數密度低，這是因為處於能級E的原子數密度N的大小時隨能級E的增加而指數減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分佈規律。於是在上、下兩個能級上的原子數密度比為

N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

式中k為波耳茲曼常量，T為絕對溫度。因為E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氫原子基態能量為E1＝－13.6eV，第一激發態能量為E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則

N2/N1∝exp（－400）≈0

可見，在20℃時，全部氫原子幾乎都處於基態，要使原子發光，必須外界提供能量使原子到達激發態，所以普通廣義的發光是包含了受激吸收和自發輻射兩個過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強的，加上向四面八方發射，更使能量分散了。

2、受激輻射和光的放大

由量子理論知識知道，一個能級對應電子的一個能量狀態。電子能量由主量子數n(n=1,2,…)決定。但是實際描寫原子中電子運動狀態，除能量外，還有軌道角動量L和自旋角動量s，它們都是量子化的，由相應的量子數來描述。對軌道角動量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴格，因這個式子還是在把電子運動看作軌道運動基礎上得到的。嚴格的能量量子化以及角動量量子化都應該有量子力學理論來推導。

量子理論告訴我們，電子從高能態向低能態躍遷時只能發生在l（角動量量子數）量子數相差±1的兩個狀態之間，這就是一種選擇規則。如果選擇規則不滿足，則躍遷的機率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發到這種能級上時，由於不滿足躍遷的選擇規則，可使它在這種能級上的壽命很長，不易發生自發躍遷到低能級上。這種能級稱為亞穩態能級。但是，在外加光的誘發和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，並放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。

受激輻射的概念世愛因斯坦於1917年在推導普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出來的。他從理論上預言了原子發生受激輻射的可能性，這是鐳射的基礎。

受激輻射的過程大致如下：原子開始處於高能級E2，當一個外來光子所帶的能量hυ正好為某一對能級之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發下從高能級E2向低能級E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點，就是原子可發出與誘發光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。於是，入射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這意味著原來光訊號被放大這種在受激過程中產生並被放大的光，就是鐳射。...

綠色鐳射如何產生及其工作原理

綠光是近幾年普及的,技術突飛猛進,國內取得了巨大發展,雖然在國外已經很普及了,但在國內市場認識層面還是很窄,居然很多朋友對此產品感到非常陌生,不知綠光鐳射有什麼用途,更對此產品之工作原理感到不解,沒關係!纖綠精品店工作人員以後有空將陸續講解一些此方面的知識,本篇主要針對其產生原理作一個講解, 所有半導體鐳射都是由鐳射管聚焦產生的,綠光與紅光不同的是綠光沒有直接發綠光的鐳射管,只能通過晶體轉換,然後擴束準直產生聚焦良好的綠光.先從晶體瞭解開始:晶體(Nd:YVO4+KTP) Nd：YVO4 晶體是目前用於製作鐳射二（LD）泵浦的全固態鐳射器工作物質中最為有效的鐳射晶體之一，其優良的效能中，包括穩定的化學和物理加工性、較低鐳射閾值、較大的受激發射截面、高斜率效率以及寬頻的泵浦光吸收效率，從而使得Nd：YVO4 晶體得到了越來越廣泛的應用。近來，該晶體通過和KTP晶體組合所製作的高功率、高穩定性的紅外和綠光鐳射器已得到了工業化生產和廣泛的市場應用. KTP(磷酸氧鈦鉀)晶體:KTP晶體是目前眾多非線性晶體中綜合性能最好的晶體之一，其較大的非線性係數，較高的抗光損光損傷閾值及穩定化學特性極高的倍頻轉化效率（＞70%）和相對較低廉的價格使其在該類晶體的應用領域中獨佔鰲頭，經久不衰，特別是在1064nm的鐳射倍頻器件的應用中，KTP是最好的晶體材料。LD(808nm)+Nd:YVO4得到1064nm+KTP得到532nm綠鐳射. 綠光模組由鐳射晶體和非線性晶體結合在一起，在鐳射諧振腔中，利用808nm波長的LD泵浦光經過鐳射晶體的增益作用生成1064nm的鐳射，再經過非線性晶體的倍頻作用就可以產生532nm的綠色鐳射。綠光模組類似於電子元件中的積體電路，具有模組化、整合化的特點，可以批量生產，降低成本。 綠光模組在製作方式上採用較為流行的光膠工藝，與膠粘劑粘接相比：結合面無光學空隙，綠光輸出功率高，輸出模式好，光斑頻閃低，可達到連續穩定輸出；在20OmW二極體泵浦條件下，晶體尺寸為0.8X0.8X2,其輸出綠光功率一般為5－10mW,另外轉換效率和鐳射二極體及晶體的質量有很大關係,目前市場最先進的技術和材料,轉換效率最高可達35%以上。綠光模組在製作鐳射諧振腔時極其方便，因此成為鐳射二極體泵浦全固態鐳射器（DPSSL）的核心部件。

鐳射是誰發明的？

鐳射器的發明是20世紀科學技術的一項重大成就。它使人們終於有能力駕駛尺度極小、數量極大、運動極混亂的分子和原子的發光過程，從而獲得產生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。鐳射科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。 鐳射器的誕生史大致可以分為幾個階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處於高能態的物質粒子受到一個能量等於兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態，併產生第二個光子，同第一個光子同時發射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。 此後，量子力學的建立和發展使人們對物質的微觀結構及運動規律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分佈、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為鐳射器的產生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生後，被很快應用於研究電磁輻射與各種微觀粒子系統的相互作用，並研製出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發展都為鐳射器的發明創造了條件。 如果一個系統中處於高能態的粒子數多於低能態的粒子數，就出現了粒子數的反轉狀態。那麼只要有一個光子引發，就會迫使一個處於高能態的原子受激輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發其他原子受激輻射，這樣就實現了光的放大；如果加上適當的諧振腔的反饋作用便形成光振盪，從而發射出鐳射。這就是鐳射器的工作原理。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍後，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先後提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產生和放大微波的設計。 然而上述的微波波譜學理論和實驗研究大都屬於“純科學”，對於鐳射器到底能否研製成功，在當時還是很渺茫的。 但科學家的努力終究有了結果。1954年，前面提到的美國物理學家湯斯終於製成了第一臺氨分子束微波激射器，成功地開創了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振盪器的先例。 湯斯等人研製的微波激射器只產生了1.25釐米波長的微波，功率很小。生產和科技不斷髮展的需要推動科學家們去探索新的發光機理，以產生新的效能優異的光源。1958年，湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光學、光譜學的理論知識結合起來，提出了採用開式諧振腔的關鍵性建議，並預防了鐳射的相干性、方向性、線寬和噪音等性質。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現受激輻射光放大的原理性方案。 此後，世界上許多實驗室都被捲入了一場激烈的研製競賽，看誰能成功製造並運轉世界上第一臺鐳射器。 1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室裡，勉強贏得了這場世界範圍內的研製競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶裡的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。 “梅曼設計”引起了科學界的震驚和懷疑，因為科學家們一直在注視和期待著的是氦氖鐳射器。 儘管梅曼是第一個將鐳射引入實用領域的科學家，但在法庭上，關於到底是誰發明了這項技術的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“鐳射”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發明者湯斯與肖洛也發展了有關鐳射的概念。經法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作......

鐳射產生的過程

鐳射在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation， 意思是受激輻射的光放大。可見，受激幅射是產生鐳射的首要條件，也是必要條 件，但還不是充分條件。 如果讓這些受鐳射子一個一個地發射出來，是不能形成強大的能量的。一般 的，電子被激發到高能級後，在高能級上停留的時間是短暫的。而有些物質的電 子處於第二能級E2的時間較長，僅次於基態能級E1. 這個能級就叫做亞穩能級。 要形成鐳射，工作物質必須具有亞穩態能級。這是產生鐳射的第二個條件。 外來的光子能激發出光子，產生受激輻射，但也可能被低能級所吸收。在激 光工作物質中，受激輻射和受激吸收這兩個過程都同時存在。在常溫下，吸收多 於發射。選擇適當的物質，使其在亞能級上的電子比低能級上的電子還多，即形 成粒子數反轉，使受激發射多於吸收。這是產生鐳射的第三個條件。 鐳射器中開始產生的光子是自發輻射產生的，其頻率和方向雜亂無章。要使 頻率單純，方向集中，就必須有一個振盪腔。這是產生鐳射的第四個條件。通訊 所用的半導體鐳射器就是利用半導體前後兩個端面與空氣之間的折射率不同，形 成反射鏡而組成振盪腔的。 這些晶體和諧振腔都會使光子產生損耗。只有使光子在腔中振盪一次產生的 光子數比損耗掉的光子多得多時，才能有放大作用，這是產生鐳射的第五個條件。

鐳射產生的條件

鐳射在英文中是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，

意思是受激輻射的光放大。可見，受激幅射是產生鐳射的首要條件，也是必要條

件，但還不是充分條件。

如果讓這些受鐳射子一個一個地發射出來，是不能形成強大的能量的。一般

的，電子被激發到高能級後，在高能級上停留的時間是短暫的。而有些物質的電

子處於第二能級E2的時間較長，僅次於基態能級E1. 這個能級就叫做亞穩能級。

要形成鐳射，工作物質必須具有亞穩態能級。這是產生鐳射的第二個條件。

外來的光子能激發出光子，產生受激輻射，但也可能被低能級所吸收。在激

光工作物質中，受激輻射和受激吸收這兩個過程都同時存在。在常溫下，吸收多

於發射。選擇適當的物質，使其在亞能級上的電子比低能級上的電子還多，即形

成粒子數反轉，使受激發射多於吸收。這是產生鐳射的第三個條件。

鐳射器中開始產生的光子是自發輻射產生的，其頻率和方向雜亂無章。要使

頻率單純，方向集中，就必須有一個振盪腔。這是產生鐳射的第四個條件。通訊

所用的半導體鐳射器就是利用半導體前後兩個端面與空氣之間的折射率不同，形

成反射鏡而組成振盪腔的。

這些晶體和諧振腔都會使光子產生損耗。只有使光子在腔中振盪一次產生的

光子數比損耗掉的光子多得多時，才能有放大作用，這是產生鐳射的第五個條件。

鐳射是如何產生

很專業，如果你還沒有學習高三物理，恐怕不能看明白。

【鐳射產生】

一．物質與光相互作用的規律

光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。

微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態（或者簡單地表述為處在某一個能級上）。與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，並相應地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級的能量差△E，頻率為=△E/h（h為普朗克常量）。

1. 受激吸收（簡稱吸收）

處於較低能級的粒子在受到外界的激發（即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用，如與光子發生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。

2. 自發輻射

粒子受到激發而進入的高能態，不是粒子的穩定狀態，如存在著可以接納粒子的較低能級，既使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發地從高能級（E2）向低能級（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 =（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發輻射。眾多原子以自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。

3. 受激輻射、鐳射

1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發輻射外，處於高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

可以設想，如果大量原子處在高能級E2上，當有一個頻率 =（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵E2上的原子產生受激輻射，得到兩個特徵完全相同的光子，這兩個光子再激勵E2能級上原子，又使其產生受激輻射，可得到四個特徵相同的光子，這意味著原來的光訊號被放大了。這種在受激輻射過程中產生並被放大的光就是鐳射。

二．粒子數反轉

愛因斯坦1917提出受激輻射，鐳射器卻在1960年問世，相隔43年，為什麼？主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。

當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處於熱平衡態時，粒子在各能級上的分佈，遵循平衡態下粒子的統計分佈律。按統計分佈規律，處在較低能級E1的粒子數必大於處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射佔優勢，必須使處在高能級E2的粒子數大於處在低能級E1的粒子數。這種分佈正好與平衡態時的粒子分佈相反，稱為粒子數反轉分佈，簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生鐳射的必要條件。

理論研究表明，任何工作物質，在適當的激勵條件下，可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。

若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷機率和受激吸收躍遷機率均正比於入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時，兩種過程的機率相等。在熱平衡情況下N2＜N1，所以自發吸收躍遷佔優勢，光通過物質時通常因受激吸收而衰減......