周世偉

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

激光(laser)是輻射受激發(fā)射光量子放大的簡(jiǎn)稱(chēng).愛(ài)因斯坦首先在光量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展了自發(fā)輻射和受激輻射理論，并預(yù)言了原子產(chǎn)生受激輻射放大的可能性，奠基了激光理論基礎(chǔ)［1］.

激光技術(shù)是以原子物理、量子理論、光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合技術(shù).激光技術(shù)的發(fā)展，使光的微觀發(fā)射機(jī)制，由不可控、雜亂無(wú)序，變?yōu)榭煽赜行?

一個(gè)能量為?ν=E2-E1的光子碰到高態(tài)E2原子時(shí)的受激輻射和它碰到低態(tài)E1原子時(shí)被吸收，已由經(jīng)典的吸收理論及量子化輻射過(guò)程的熱力學(xué)理論所證實(shí).受激發(fā)射和光的吸收，描述了物質(zhì)吸收能量與釋放能量?jī)蓚€(gè)不同狀態(tài)，而在激光技術(shù)中需要人為的造成反常態(tài)——受激發(fā)射狀態(tài)，而反常態(tài)的實(shí)現(xiàn)，決定于高能級(jí)與低能級(jí)粒子數(shù)量差.只有打破玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，使高能級(jí)粒子數(shù)高于低能級(jí)粒子數(shù)，才能得到受激發(fā)射的反常態(tài).正是由于物質(zhì)從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)，才發(fā)生著意想不到的奇跡.迫使高能級(jí)粒子數(shù)多于低能級(jí)粒子數(shù)，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，要靠外界能量的輸入來(lái)改變能級(jí)粒子數(shù)的分布.把外界提供能量的裝置稱(chēng)為泵浦(激勵(lì)系統(tǒng)).

1 激光振蕩器工作原理探究

激光振蕩器由泵浦能源、激活介質(zhì)和諧振腔三部分組成［2］.激光的基礎(chǔ)是光受激放大與振蕩.光要從介質(zhì)中吸取能量而放大，必須使介質(zhì)中原子的光發(fā)射超過(guò)光吸收，并在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn).

在常溫下熱平衡狀態(tài)，處于上下能級(jí)的粒子數(shù)分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布:

式中N1與N2分別代表E1、E2能級(jí)的粒子數(shù)，K為波耳茲蔓常數(shù).該分布是常溫下粒子數(shù)的正常分布，雖然處于該狀態(tài)的粒子遲早會(huì)掉到較低的狀態(tài)，并將以光的形式輻射出能量.但是此狀態(tài)只有光的自發(fā)發(fā)射和吸收，而光的發(fā)射是雜亂的、無(wú)序的，不能形成激光，借助外來(lái)力量，以激勵(lì)系統(tǒng)為動(dòng)力，打破熱平衡狀態(tài)下粒子數(shù)分布使

即高能級(jí)E2的粒子數(shù)多于低能級(jí)E1的粒子數(shù).N2＞N1狀態(tài)，是對(duì)熱平衡狀態(tài)的一種擾亂，處于負(fù)溫度狀態(tài).理論與實(shí)踐證明激勵(lì)系統(tǒng)(泵浦)與容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)(激活介質(zhì))，共同實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn).當(dāng)能量為?ν=E2-E1的外來(lái)光子，作用到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)時(shí)，發(fā)生高能級(jí)粒子向低能級(jí)躍遷的受激輻射.依靠外來(lái)力量打破粒子數(shù)的正常分布，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反分布，讓光發(fā)射大于光吸收，從而形成激光.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的狀態(tài).若使激活介質(zhì)受激發(fā)射的光持續(xù)放大，必須在介質(zhì)兩邊分別加一塊全反射鏡和一塊半反射鏡組成諧振腔.諧振腔是激光振蕩器中的核心部件.在諧振腔中，光、工作物質(zhì)、反射鏡三者之間，以及光與光之間存在復(fù)雜的相互制約與影響，左右輸出激光的性能參數(shù).諧振腔是固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等各種激光振蕩器的必備技術(shù)，均采用諧振腔進(jìn)行選模和放大，從而獲得單色性好、相干性好、方向性強(qiáng)和高亮度的激光.諧振腔的設(shè)計(jì)與調(diào)試是關(guān)鍵技術(shù)，影響激光振蕩器激光輸出的性能.若在激光振蕩器內(nèi)激活介質(zhì)起振蕩作用，那么輸出能量的一部分必須用做反饋.反饋由通過(guò)放置在激活介質(zhì)兩端的反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn).反射鏡一個(gè)完全反射，另一個(gè)部分反射，以便把激光束耦合出去.

諧振腔實(shí)際上是頻率選擇器，它從所發(fā)射的頻率很寬的光波中，選出滿足諧振條件的頻率形成激光.諧振腔第二個(gè)功能是進(jìn)行光放大，諧振腔尺寸大小決定選擇振蕩頻率的多少.設(shè)諧振腔反射鏡尺寸很大，那么在半周期(單程)中總相移為:

又因一次往返的總相移必須為π的偶數(shù)倍，所以又

式中q表示縱模數(shù)，由K=ω/c，ω為波的角頻率又得

式中m與n確定各個(gè)模的橫場(chǎng)分布，q確定諧振腔兩反射鏡之間波長(zhǎng)的數(shù)目.方程ωmnq=π(2q+m+n+1)c/2R為確定振蕩頻率的方程.方程指出:相同頻率的模有多個(gè)，所有具有(2q+m+n)的模都有相同的振蕩頻率，因?yàn)檫@些模是簡(jiǎn)并的.

由此可見(jiàn)，諧振腔尺寸決定諧振腔振蕩頻率的多少，諧振腔對(duì)頻率的選擇，使得只有某些特定的光波在腔內(nèi)來(lái)回一周后，位相改變2π的整數(shù)倍，才滿足諧振條件.滿足方程ωmnq=π(2q+m+n+1)c/2R的這些頻率在腔內(nèi)發(fā)生振蕩，要形成激光還要滿足閾值條件.為此在諧振頻率中，只有在原子譜線寬度內(nèi)，并同時(shí)滿足閾值條件的頻率可以形成激光.正是由于諧振腔對(duì)頻率的選擇功能，才使激光振蕩器具備了良好的單色性.若要激光振蕩器發(fā)出來(lái)的激光只有一個(gè)頻率，只能縮短諧振腔的長(zhǎng)度，但影響激光的輸出功率.上述方程建立于共焦式諧振腔近軸區(qū)域，式中R為兩凹面鏡的曲率半徑，并R?λ，σ的大小確定著受到的損耗，是個(gè)復(fù)常數(shù).在激光振蕩器工作物質(zhì)內(nèi)部，由于泵浦的激勵(lì)，在N2＞N1非熱平衡狀態(tài)，當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足?ν=E2-E1兩能級(jí)能量差時(shí)，引起受激輻射發(fā)光.輻射過(guò)程中產(chǎn)生的光子與外來(lái)光子具有完全相同的特征，如相同的頻率、相同的相位等.由一個(gè)光子的作用，得到兩特征完全相同的光子，兩個(gè)相同的光子再引起其它粒子產(chǎn)生受激輻射，就能得到更多特征完全相同的光子.在一個(gè)入射光子作用下的連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的具有相同特征的光子，該現(xiàn)象被定義為光放大.

激活介質(zhì)在泵浦激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)受激發(fā)射大于吸收過(guò)程時(shí)便具備了放大光的能力，而受激輻射只有沿著軸線方向的光子，才能在諧振腔兩反射鏡之間來(lái)回反射，每次路徑激活介質(zhì)，并在諧振腔振蕩中光變得越來(lái)越強(qiáng).與諧振腔軸線不平行的光子很快飛出腔外或被阻擋層吸收.當(dāng)激活介質(zhì)對(duì)光的放大作用足以抵消激光輸出和其它損耗時(shí)，諧振腔內(nèi)保持了一定光強(qiáng)，同時(shí)不斷輸出激光，從而建立了激光振蕩.

可見(jiàn)在諧振腔內(nèi)某一方向的受激輻射不斷得到放大和加強(qiáng)，產(chǎn)生的光振蕩實(shí)現(xiàn)了受激輻射在諧振腔內(nèi)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在軸向行進(jìn)的光子不斷得到放大和振蕩，使諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增加，形成激光.

綜上所述，激光振蕩器是發(fā)射激光的裝置.激光發(fā)射必須滿足三個(gè)條件:

(1)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射占優(yōu)勢(shì).

(2)具有核心部件諧振腔，用以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的選擇，并實(shí)現(xiàn)光量子放大.

(3)降低閾值，其方法為減小各種損耗.

2 激光振蕩器發(fā)展前景及最新動(dòng)態(tài)

由國(guó)內(nèi)外激光技術(shù)領(lǐng)域［3］的科技動(dòng)態(tài)來(lái)看，激光振蕩器的研究和發(fā)展主要有:

(1)提高激光振蕩器的物理參數(shù)，研究大功率、大能量的激光儀器.

(2)積極尋找新的工作物質(zhì)，以滿足對(duì)激光振蕩器的不同需求.

(3)開(kāi)展X射線激光振蕩器的研究，尋找在X射線激光振蕩器中，在激活物質(zhì)(等離子體)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的技術(shù)手段.如:離子的光激發(fā);離子的電子碰撞激發(fā);離子的碰撞復(fù)合;多電荷原子(離子內(nèi)殼層的光電離和碰撞電離);原子——離子的電荷交換等.

固體激光振蕩器靠光抽運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn);氣體激光振蕩器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是由電子碰撞激發(fā)的;在半導(dǎo)體激光振蕩器中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)是靠注入不同物質(zhì)的少數(shù)載流子形成激活區(qū)(p-n結(jié))，在(p-n結(jié))中實(shí)現(xiàn)的.半導(dǎo)體激光振蕩器［4］最大的優(yōu)點(diǎn)在于它容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(如只需很小的脈沖電壓)，高效率體積小，因而半導(dǎo)體激光振蕩器成為激光發(fā)展的主流.最近日本東京都市大學(xué)成功的由硅基板發(fā)出波長(zhǎng)約1.5 μm近紅外線的激光，首先在硅中制造出微小構(gòu)造，再埋入直徑約70 nm的鍺微小?！傲孔狱c(diǎn)”，規(guī)則排列制造出直徑200 nm的孔穴，通電產(chǎn)生光子，光子在各孔穴間來(lái)回則形成接近近紅外線波長(zhǎng)的光.東京大學(xué)則成功由硅基板發(fā)出波長(zhǎng)1.3 μm的激光.硅基材料本身就含有微量不純物，再加入比一般防腐劑高百倍的硼，通電后產(chǎn)生的光子在兩端反射鏡之間(諧振腔)來(lái)回產(chǎn)生激光.東京農(nóng)工大學(xué)則以低成本的技術(shù)制造硅基板激光器，在溶液中通電，基板表面會(huì)形成硅量子點(diǎn)，雖然成功發(fā)出激光，但仍需解決光電變換效率等諸多問(wèn)題［5］.總之由于半導(dǎo)體材料優(yōu)良的特性，是激光發(fā)展的重要方向.通過(guò)擴(kuò)散在材料中摻入不同的雜質(zhì)，形成p-n結(jié)，利用光刻工藝形成微小孔穴的半導(dǎo)體材料，更容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).尋找新的半導(dǎo)體材料仍然是半導(dǎo)體激光的新突破.

目前科研人員努力的方向是X射線激光、紅外線激光、attosecondlaser(阿秒激光)、free electronlaser(自由電子激光)等［6］.我們已經(jīng)十分清楚，科研人員總是想各種辦法，尋找最容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，讓其發(fā)出光來(lái)，然后通過(guò)一系列的方法，將光加以放大，增加激光的能量.從這一思路出發(fā)，演繹了激光技術(shù)的發(fā)展和未來(lái).

［1］ 加塔克 M K，塞格雷鍵 K.現(xiàn)代光學(xué):第2版.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古人民出版社，1986.

［2］ 伽本尼M.北京大學(xué)激光教研室，譯.光學(xué)物理:第1版.北京:科學(xué)出版社，1976.

［3］ 彭慧民，王世績(jī).X射線激光，第1版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

［4］ 劉恩科，朱秉生，羅晉生，等.半導(dǎo)體物理學(xué):第4版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［5］ 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所.電光系統(tǒng)，2012(2).

［6］ 姚啟鈞.光學(xué)教程.北京:人民教育出版社，1981.