【和记平台】透彻解析：激光到底是怎么来的

1960年，世界上的第一束人造激光刺穿了加州修斯实验室的宁静，西奥多·梅曼发明者的红宝石激光器，打开了人类建构激光、利用激光改建世界的大门。此后五十余年来，激光科学发展快速增长，激光技术的普及应用于也从方方面面走出了人们的生活。但多数人只是告诉激光有这样那样的用途，却不告诉激光究竟是怎么来的。

因此，本文将用比较通俗的语言，为大家介绍激光构成的原理。要弄懂激光构成的原理，首先理解一下什么是能级。非常简单来说，能级就是每一个原子（实质上核外电子）装载一定能量的状态，有所不同的能级回应原子装载的能量有所不同。

能级越高，意味著核外电子能量越高，就越更容易瓦解原子核的束缚。为便利解读，以原子结构最简单的氢原子为事例展开介绍。氢原子能级结构图n回应量子数，对应原子的能级E。n＝1时，回应的是氢原子稳定状态下的能级，称作基态（E1能级）。

n＝2、3、4等，称作激发态（E2能级、E3能级、E4能级等）。根据丹麦物理学家玻尔的理论，原子正处于平稳的基态时，如果受到外界的唤起，吸取适当的外界能量，不会光子到较高的能级上构成激发态。

而原子在激发态时是不稳定的，当原子正处于激发态时会自发性地向较低能级光子，经过一次或几次光子抵达基态，在向较低能级光子的过程中不会获释适当能量。这个适当能量以一定频率的光子的形式不存在，可由能级图右侧数值计算出来得出结论，光子能量E＝hν＝Em－En。

h是物理学家测得的固定值（普朗克常量），ν回应光子的频率（由激发态向基态光子时获释光子的频率，就是原子对外电磁辐射光的频率，构成激光时也就是该激光的频率，这要求了激光的波长λ＝c／ν，c为光速）。解读能级结构之后，来想到激光是怎么构成的。某种程度为便利解读，还是以结构最简单的红宝石激光器为事例展开介绍。

红宝石激光器归属于液体激光器，工作物质是红宝石棒，晶体基质为Al2O3，掺有占到总重量0.05％的Cr2O3。红宝石中的激光起到是通过Cr3＋（铬离子）的受激发射过程而构建的，因而Cr3＋一般来说称作转录离子，它是红宝石中产生激光的“主体”。而红宝石的主要成分氧化铝只是容纳铬离子的基质，对激光起到只起间接起到。

其能级结构如图所示：当泵浦光太阳光红宝石时，正处于基态的Cr3＋离子吸取特定波长的光光子到E3能级，Cr3＋离子在这个能级上寿命很短（近于不平稳，大约不存在10－9s），因而很快通过无辐射跃迁（无辐射跃迁是指原子通过原子撞击的形式将能量与外界展开互相交换，即晶体内部热运动，从而再次发生能级转变，期间既不升空也不吸取光子）光子到E2能级。E2能级寿命较长（大约有3ms），称作亚稳态能级，在这个能级上可以挤满较多的Cr3＋离子。当外界泵浦充足强劲的时候，不会在E2能级和E1能级间构成粒子数翻转，即E2能级上Cr3＋离子数量比E1能级多。

在构建粒子数翻转后，每一个能量为hν的外来光子都将唤起E2能级上的一个原子使其光子到基态，同时获释一个能量为hν的光子，光子总能量也就1变2，2变4，4变8……从而构建了受激电磁辐射缩放（增益）过程。由于光学谐振腔对光增益不存在损耗，只有受激电磁辐射缩放的增益小于激光器内的各种损耗时，才不会输入激光。下面对红宝石激光器结构展开介绍，有条件的话，可以自己动手制作一个简陋的红宝石激光器哦。

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