文| 我是耗子0（转载请注明出处）

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      曾经有人说21世纪的四大发明是核能、半导体、计算机和激光器。

其中激光相干长度的计算公式为λ^2/Δλ，谱线宽度为几千赫兹的单模光纤激光器的相干长度能大于100公里，远远优于一般光源。

又由于激光优秀的单色性、相干性、高亮度和方向性被称为“最快的刀”，“最准的尺”,“最亮的光”。

那激光怎么产生？现在的激光器可以有多小？

                                                                                        一、激光的产生

激光，英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，简称：LASER,翻译为：受激辐射光放大.

激光产生的原理早在1916年就被著名犹太裔物理学家——爱因斯坦所发现。

爱因斯坦给我们讲述了三个概念：自发辐射、受激吸收、受激辐射。

1.1 自发辐射

上能级E2是不稳定的，因此粒子有概率自发的从上能级E2向下能级（基态）E1跃迁，同时辐射出能量为E2-E1的光子（hv），这种辐射被称为自发辐射。

自发辐射的光，不具有相位、偏振态、方向上的一致，称为非相干光，相干性很差。

1.2 受激吸收

E1（基态）能级上的粒子，会受到外界的影响（吸收光能量hv），向上跃迁到E2能级上。

1.3 受激辐射

当外界有能量恰好为（E2-E1）的光子入射时（图中上面光线），上能级粒子也会有一定概率被引发,向下能级E1跃迁,同时辐射出一个与外界光子的频率、相位、偏振态以及传播方向都一致的光子，这个过程称为受激辐射。

所以，如果上能级粒子数足够（1），有合适的光子入射（2），持续足够长的时间（3），就能产生足够强的相干光！（激光）如下图所示：

所以，想产生激光就需要满足上面三个条件：

（1）上能级粒子数足够（粒子数反转）

（2）有合适的光子入射

（3）持续足够长的时间

                                                                                                二、怎么满足条件

2.1 粒子数反转

粒子，通常聚集于更加稳定的E1能级（基态），更少的处于上能级E2能级，但是，

想产生激光，必须使得上能级有足够的粒子，所以需要使粒子都先跑上去，使得上能级粒子数大于下能级粒子数，这被我们称作：粒子数反转。

在说怎么使粒子数反转之前，我们先说说提供粒子的常用激光晶体，也就是我们常说的——激光的工作物质。

2.1.1 工作物质

固体激光工作物质的组成：激活离子和基质

       激活离子和它的配位场决定固体激光的能级结构、荧光寿命和激光特性，激光跃迁发生在激活离子的不同能级之间。

        常用的激活离子主要包括三价稀土金属、二价稀土金属离子、过渡金属离子：

三价稀土金属：

                    包括Nd3+、Yb3+、Ho3+ 、Er3+ 、Pr3+

 二价稀土金属离子:

                    包括Tm2+、Er2+等

  过渡金属离子：

                    包括Ti3+、Cr3+ 、Ni 2+等

        基质材料决定激光工作物质的光学、热学和机械性能。

                基质材料主要包括晶体材料和玻璃材料两大类

                   晶体：

氧化物晶体：单一氧化物晶体如Al2O3

                    混合氧化物晶体如YAG（Y3Al5O12）

氟化物晶体：单一氟化物晶体如CaF2晶体

                    混合氟化物晶体如LiYF4晶体

                    玻璃：

 硅酸盐玻璃

 硼酸盐玻璃

  磷酸盐玻璃

2.1.2泵浦源

那么我们需要使激活离子的下能级E1粒子一直往上能级E2跑，就可以使得上能级粒子数源源不断了。

那么，该怎么做？

可以通过受激吸收

E1（基态）能级上的粒子，会受到外界的影响（吸收光能量hv），向上跃迁到E2能级上。

只要外界有源源不断地能量来激发激活离子，就可以使上能级粒子数源源不断。

我们把这个外界的能量称为：泵浦源

通常泵浦方式有很多种，1.光泵浦（灯泵 、LD泵 、太阳能泵） 2.化学能泵 3.放电激励

通过泵浦方向分，有：端面泵浦和侧面泵浦等等

这样就解决了问题一。

2.2 有合适的光子入射

需要一个能量恰好为（E2-E1）的光子入射，很好解决。

自发辐射

上能级E2是不稳定的，因此粒子有概率自发的从上能级E2向下能级（基态）E1跃迁，同时辐射出能量为E2-E1的光子（hv），这种辐射被称为自发辐射。

当第一个自发辐射有概率的产生时，辐射出的光子能量，恰好为（E2-E1）,可以被看成一个恰好能量的光子入射。

这样就可以引发之后源源不断的受激辐射，产生激光了。

2.3 持续足够长的时间

由于光子在不停的向前传播，让光子有足够的时间被激发成激光

需要有足够长的距离让光子运动

大概需要几公里

不过很难找到这样的长的可以容纳光子的激光工作物质

不过科学家想了一个办法，在工作物质的两端都放上让光转向的反射镜，让光子不停的来回穿过工作物质）（红色部分为激光）

来回振荡可以使光子在工作物质内走过足够长的距离，却不用长达几公里的工作物质。

再让其中一个反射镜有一小部分的漏光（镀上反射98%的反射膜，不完全反射）。

由于激光的高能量，这透出来的2%的光，

就可以形成我们所说的激光！

我们把这种结构称之为——谐振腔

到此我们就解决了怎么产生激光的问题

                                                                                                    三、激光器的尺寸

激光器必备的三要素：泵浦源、谐振腔、工作物质

由于泵浦源是外界泵浦，所以实际一个激光器的本身长度取决于它的工作物质以及谐振腔的长度。

如上图，是一个SESAM微片调Q激光器的结构示意图

其中Nd:YVO4图中小绿块部分，是工作物质

谐振腔的一个反射镜是OC（大绿块和小绿块之间的那条缝）

另一个反射镜是SESAM（图中紫色部分）

由于他们被紧紧的贴在了一起，

所以整个谐振腔的长度，就是工作物质的长度

图中工作物质，长50μm（1μm是千分之一1mm）

50μm长度大概是20分之一毫米！

所以真的可以在小于半个毫米的结构里产生激光！

参考资料

[1] 百度百科: 激光器

[2] Eva Mehner，Benjamin Bernard,Harald Giessen, Daniel Kopf, and Bernd Braun /OPTICS LETTERS / Vol. 39, No. 10 / May 15, 2014

[3] 激光原理：周炳琨

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作者：我是耗子0

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