鐳射檢測——鐳射原理簡述

1鐳射的條件

1。1受激輻射放大

一個光子激發一個粒子產生受激輻射，這可以使粒子產生一個與該光子狀態完全相同的光子。這兩個光子可以激發另外兩個粒子併產生受激輻射，從而獲得完全相同的四個光子。……這樣，在入射光子的作用下，大量發光的粒子可以產生受激輻射，併產生大量具有完全相同運動狀態的光子。這種情況稱為受激輻射光放大。

由於受激輻射產生的光子屬於同一光子狀態，所以它們是相干的，在受激輻射過程中產生並放大光，即鐳射。

然而，當光與原子系統相互作用時，總有三個過程：自發輻射、受刺激輻射和受刺激吸收。當一束光透過有光的物質時，光強是增加還是減弱取決於哪個過程佔上風。

通常，受到輻射的機率很小，自發輻射占主導地位。一般光源的相干性差是由大多數原子的自發輻射引起的。

可以看出，在光與原子相互作用的三個基本過程中，存在兩個基本矛盾，即受激輻射與受激吸收之間的差異，以及受激輻射與自發輻射之間的矛盾。在正常情況下，受激輻射並不占主導地位，而在正常情況下，受激輻射並不占主導地位。如果你想透過受激輻射光的放大過程來產生鐳射，你需要有條件來克服這兩個矛盾，然後確保受激輻射在三個過程中占主導地位。

1。2集居數翻轉

克服受激輻射和受激吸收差異的前提是產生集居數的翻轉分佈。

為了產生受激輻射，有必要改變顆粒的常規分佈狀態。如果採用照明、放電等方法不斷地將能量從外部輸入到有光澤的物質中，將低能級發光顆粒激發到高能級，可以使高能級粒子的數量密度超過低能級粒子的數量密度。

只要明亮的物質處於粒子數的反轉狀態，受激輻射就會大於受激吸收。當頻率為V的光束透過明亮的物質時，光強會被放大，這是鐳射放大器的基本原理。即使沒有入射光，鐳射器的基本原理是，只要有一個頻率合適的光子存在於明亮的物質中，它就能像連鎖反應一樣快速產生大量相同光子狀態的光子併產生鐳射。可以看出，粒子數反轉是鐳射或鐳射放大的先決條件。

一般來說，當材料處於熱平衡狀態時，收集的數量不可能翻轉。如果你想正常狀態的材料轉化為翻轉分佈狀態，必須喚起低能量水平的原子，使其移動到高能量水平，高能量水平的壽命更長。因此，有必要從外部向材料提供能量，以便在材料處於非熱平衡狀態時，可以實現收集數的翻轉。從外部向材料提供能量，鼓勵原子從低能量水平轉移到高能量水平，然後在兩個能量水平之間實現收集數量的翻轉的過程稱為泵（或鼓勵、泵送）。現有的泵源有多種，如閃光氣體放電化學變化熱能、核能等。

1。3啟用粒子的能級系統

為了產生穩定的鐳射，首先必須有發光顆粒，這些顆粒可以產生粒子的數量，稱為啟用顆粒。它們可以是分子、原子或離子。其中一些啟用顆粒可以單獨存在，而另一些必須依賴於某些材料。為啟用顆粒提供基質，基質可以是固體或液體。基質和啟用顆粒統稱為鐳射工作材料。

並非所有物質都能實現粒子數反轉。在能夠實現粒子數反轉的物質中，粒子數反轉不能在該物質的任意兩個能級之間實現。為了實現粒子數反轉，必須有一個合適的能級系統。首先，必須有鐳射上能級和鐳射下能級；此外，通常需要一些與鐳射生成相關的其他能級。通常的鐳射工作物質由具有亞穩態的三能級結構或四能級結構的原子體系組成。

需要注意的是，上述三級系統和四級系統是指與鐳射形成過程直接相關的能量級，而不是物質只有三個或四個能量級。對於任何實際的工作材料，與鐳射相關的能量級結構和能量級轉換特性可能非常複雜；對於不同的工作材料，它們之間有很大的差異。

1。光的自激振盪

受激輻射不僅與受激吸收過程相矛盾，而且與自發輻射過程相矛盾。處於刺激狀態能量水平的原子可以透過自發輻射或受激輻射返回基態。在這兩個過程中，自發輻射是主要的。可以看出，即使介質實現了粒子數的逆轉，也可能無法實現以受激輻射為主的輻射。為了解決受激輻射與自發輻射之間的矛盾，使受激輻射具有很大的優勢，我們還應該使用光諧振腔來實現光的自激振盪，即鐳射振盪。

1。光學諧振腔

當鐳射產生開始時，介質主要是自發輻射，所有自發輻射光子的偏移軸向傳輸都會迅速逃離介質。沿軸向傳輸的自發輻射光子將繼續引起受激輻射，並得到加強，從而使相應的光場純色能量密度繼續增加。如果增益介質足夠長，就有可能使受激輻射的移動機率大於自發輻射的移動機率，從而獲得受激輻射的匯出。

一般來說，鐳射器不需要使用長工作材料，而是使用光學諧振腔來解決這個問題。在工作介質的兩端放置兩個平行於工作物質軸線的反射鏡。這兩個反射鏡從工作介質開始形成光學諧振腔。

沿軸向傳輸的光束可以在兩個反射器之間來回反射，連鎖放大，最終產生穩定的鐳射束。這個過程是光的自激振盪，如圖所示。兩個反射器，一個反射率為100%，另一個反射器是部分反射器，從部分反射器匯出鐳射。

2。震盪條件

由於粒子數反轉工作材料和光學諧振腔的實現，它不一定會導致自激振盪和鐳射的出現。因為雖然光學諧振腔中的工作材料可以導致光放大，但諧振腔中仍然有一個相反的過程來減少光子，這被稱為消耗。損失的原因有很多，如反射鏡的散射、吸收和透射、工作材料不均勻引起的對映或透射等。顯然，只有當光在諧振腔中來回獲得的增益大於同一過程中的消耗時，才能保持光衝擊。換句話說，要產生鐳射衝擊，必須滿足某些條件，這是鐳射實現自激振盪所需的最低條件，也稱為閾值條件。

結論：透過光泵，鐳射工作介質實現了收集和翻轉的數量，使受激輻射的移動機率大於受激吸收的移動機率。由此產生的光子在諧振腔內自激振盪，受激輻射的移動機率大於自發輻射的移動機率。此時，鐳射輻射起主導作用，產生鐳射。