激光是20世紀的重大發(fā)明，被稱為最快的刀、最準的尺、最亮的光[1]。激光的英文名稱Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）為首字母縮略詞，意為受激輻射光放大，描述了激光產(chǎn)生的原理。下面，讓我們來看看激光是如何產(chǎn)生的。

圖1 圖片來源于網(wǎng)絡。

激光的理論基礎

受激輻射的理論是激光產(chǎn)生的基礎，這個理論在1917年由愛因斯坦提出。圖2中展示了激光增益介質(zhì)中的兩個能級S1和S2，分別對應了激光躍遷的下能態(tài)和上能態(tài)。他們之間的能量差E2–E1等于hν（普朗克常數(shù)與光波頻率的乘積）。當系統(tǒng)處于能級S1時并受到能量為hν的光子照射時，有一定的概率吸收光子并躍遷至能級S2，這個過程叫做受激吸收（Stimulated Absorption）。當系統(tǒng)處于能級S2時，有一定的概率躍遷至能級S1并釋放熒光光子hν，該過程被稱為自發(fā)輻射(Spontaneous Emission)。如果該系統(tǒng)正處于能級S2，并且受到hν的照射，該系統(tǒng)有一定概率釋放出一個與入射光子頻率、相位1、傳播方向均相同的光子，這個過程被稱為受激輻射(Stimulated Emission)：

圖2 二能級系統(tǒng)與光子作用的示意圖。

如果將這樣含有大量處于S2能級分子的增益介質(zhì)置于兩個相向的平行反射鏡之間（見圖3），部分垂直于鏡面的熒光光子可以通過受激輻射放大，形成自激振蕩，從而發(fā)出激光。這個諧振腔左端的光學元件稱為輸出耦合器（Output Coupler），相當于具有一定透射率的反射面，是諧振腔內(nèi)激光的出口。

圖3 激光諧振腔工作示意圖。

激光產(chǎn)生的關鍵

盡管激光的基礎理論早已發(fā)表，直到1960年人們才制造出世界上第一臺激光。這是因為缺乏有效方式將能量注入到受激輻射相關的能級系統(tǒng)中。在一般情況下，受激輻射非常微弱，甚至難以觀測，更不要說用它來產(chǎn)生激光了。當物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時，分子在能級上的分布遵從玻爾茲曼分布，下能態(tài)S1上的粒子數(shù)N1遠遠大于上能態(tài)S2的粒子數(shù)N2，對hν光子的吸收遠大于受激輻射，無法在宏觀上實現(xiàn)光信號的放大。

激光產(chǎn)生的關鍵就在于實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使N2>N1。目前的激光器工作時，需要采用適當?shù)募睿ū闷郑┓绞綄崿F(xiàn)特定能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦方式有用于Nd:YAG（釹釔鋁石榴石）激光、Ti:Saphhire（鈦寶石）激光以及染料激光等等的光泵浦，HeNe（氦氖）激光、準分子激光的放電泵浦等等。

這里以染料激光為例，介紹如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。染料激光的增益介質(zhì)為有機染料溶液，常用的染料有藍、紫光波段的香豆素（Coumarin），紅、黃光波段的羅丹明（Rhodamine）等。如圖4所示，有機染料的激光躍遷主要發(fā)生在S0和S1單重態(tài)的能帶。這兩個能帶由許多轉(zhuǎn)動和振動能級組成，在溶液中由于碰撞加寬，這兩條能帶可以看作是連續(xù)的。在激光產(chǎn)生過程中，染料分子受到泵浦光的照射從S0帶的底層能級躍遷至S1帶，然后迅速通過無輻射躍遷至S1的最底層能級，也就是激光躍遷的上能態(tài)。在激光躍遷中，分子躍遷至S0能帶中的指定能級，并釋放光子，隨后迅速躍遷至S0能帶的底層能級。因為激光躍遷的上能態(tài)S2具有較長的壽命，而S1的壽命十分短暫，又在泵浦光的作用下，大量分子被激發(fā)至上能態(tài)S2，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就得以實現(xiàn)。在激光發(fā)生的同時，染料分子在S1帶發(fā)生系間竄越（Intersystem Crossing）進入T1壽命較長的三重態(tài)系統(tǒng)脫離激光躍遷循環(huán)，影響激光效率。因此染料激光工作時，需要循環(huán)利用染料溶液。圖5為工作中的染料激光器，可以看到循環(huán)系統(tǒng)的管路。

圖4 染料激光器能級示意圖。

圖5 工作中的染料激光器。

激光的波長

很多激光器具有很好的單色性，即輸出光的光譜帶寬狹窄。激光的輸出光譜是否狹窄，與以下幾個因素有關。首先，激光增益介質(zhì)與泵浦方式的決定了哪個波段的光子可以被放大。像氣體激光器、準分子激光器、Nd:YAG激光器這樣能級稀疏且能量分布狹窄的增益介質(zhì)，產(chǎn)生的激光自然具有很窄的線寬。

另一方面，激光的單色性可以通過諧振腔調(diào)節(jié)。激光染料、Ti:Saphhire寶石具有能量較寬的能級，具有數(shù)十納米的工作波長范圍，如果需要產(chǎn)生單色性好的激光，需要設定諧振腔對不同光譜成分的衰減，達到對特定光譜成分的放大。在圖6中繪制了染料激光器諧振腔的示意圖。染料溶液裝入透明的染料池中，置于激光光路中。泵浦光從垂直于諧振腔光路方向照射染料池實現(xiàn)泵浦。激光波長的調(diào)諧是通過諧振腔中的色散光路完成的。染料激光的諧振腔中放置了3000 g/mm的光柵，諧振腔中的光入射到光柵后根據(jù)波長沿不同角度出射。因此只有特定的波長的光（帶寬約2 pm）線是垂直于在可以在諧振腔中起振發(fā)出激光。通過轉(zhuǎn)動光柵可以選定激光波長。

圖6 染料激光器諧振腔示意圖。

通過輸入種子光的方式，也可以對諧振腔的輸出波長進行調(diào)節(jié)。通常，種子光的光譜帶寬小于諧振腔工作波長的帶寬。諧振腔的出光過程中，不同頻率成分的光存在競爭關系。在激光產(chǎn)生初期，種子光能量遠大于其他波長的能量，因此種子光吸收了增益介質(zhì)中的大部分能量，并且抑制了非種子光成分的放大。使用單色性高的種子光可以減少諧振腔輸出激光的帶寬。

1 怎樣理解相位這個概念呢？打個通俗的比方，在隊列訓練中，為了達到整齊的效果，不僅要求每一個成員的行進速度、方向、邁步頻率一致，踢腿擺臂也要實現(xiàn)同步。這種同步即相位相同。