[拼音]：jiguang

[外文]：laser-light amplification by stimulated emission of radiation

受激發射產生的光。利用受激發射實現光波放大或振蕩的器件，稱為激光器。自從氨分子微波激射器和紅寶石微波量子放大器研制成功后，形成了一門新的學科──量子電子學。量子電子學在微波段獲得成功，促使美國C.H.湯斯和A.L.肖洛、蘇聯Н.Г.巴索夫和А.М.普羅霍洛夫等提出在光波段也可構成類似器件的設想。1960年，美國T.H.梅曼制成第一臺紅寶石激光器。它標志著激光技術的誕生。從此，激光技術的發展十分迅速，已用幾百種激光工作物質實現了光放大，或制成了光振蕩器，獲得了紅外（包括遠、中、近紅外輻射）、可見光、紫外（近、真空）和可調諧激光（見氣體激光器、固體激光器、自由電子激光器、可調諧激光器）。

激光產生

若原子或分子等微觀粒子具有高能級E₂和低能級E₁，E₂和E₁能級上的布居數密度為N₂和N₁，在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N₂＜N₁，所以受激吸收躍遷占優勢，光通過物質時通常因受激吸收而衰減。外界能量的激勵可以破壞熱平衡而使N₂＞N₁，這種狀態稱為粒子數反轉狀態。在這種情況下，受激發射躍遷占優勢。光通過一段長為l的處于粒子數反轉狀態的激光工作物質(激活物質)后，光強增大e^Gl倍。G為正比于(N₂–N₁)的系數，稱為增益系數，其大小還與激光工作物質的性質和光波頻率有關。一段激活物質就是一個激光放大器。

如果，把一段激活物質放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中（圖1），處于高能級的粒子會產生各種方向的自發發射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外;軸向傳播的光波卻能在腔內往返傳播，當它在激光物質中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內單程小信號增益G₀l大于單程損耗δ(G₀是小信號增益系數)，則可產生自激振蕩。此時從部分透射鏡輸出一束受激發射光──激光。

激光器由激光工作物質、激勵系統、光學諧振腔組成（圖2）。

激光模式

在光諧振腔內存在的滿足邊界條件的電磁場，其本征態稱為激光模式。不同模式具有不同的頻率和不同的場分布。光腔模式可以分解為縱模和橫模，分別對應于光腔模的縱向（腔軸 z方向）光場分布和橫向（x、y方向）光場分布。通常用TEM來標志模式，m、n、q為正整數。橫模指數m和n分別表示在x和 y方向上（軸對稱情況）光場為零的次數（圖3）；縱模指數q 表示駐波場在z 方向上的波腹數。振蕩縱模數目決定于腔長、激光工作物質的自發發射譜線寬度、激勵強弱、損耗大小和譜線加寬機制。在適當的條件下可獲得單縱模振蕩。振蕩橫模數目決定于諧振腔結構、激勵強弱和損耗大小等。在適當的條件下可以獲得m＝n＝0振蕩?；EM_00q的頻率ν=qc/2ηl，式中c為光速，η為激光工作物質的折射率，l為腔長。

激光特性

普通光源發出的自發發射光具有較寬的譜線寬度。在普通光源中，單色性最好的氪燈，在低溫條件下譜線寬度??λ為0.0047埃。由于諧振腔的頻率選擇作用，激光具有很好的單色性。例如，單模穩頻的氦氖激光器所發射的6328埃激光，其譜線寬度??λ可小于10^-7埃。

普通光源所發射的光射向四面八方。而在激光器中，由于諧振腔的作用，只有軸向傳播的光能在腔內往返傳播形成激光，因而激光具有很好的方向性。激光所能具有的最小發散角θ受衍射極限的限制，θ≈λ/2??，式中λ為激光波長，??為諧振模的腰部直徑。

普通光源所發出的自發發射光是非相干的。激光是在同一相干輻射場感生下產生的受激發射光，所以激光的相干性很好。例如，單模穩頻氦氖激光器所發射的激光，具有數百米的相干長度，而且光束截面上任何兩點的光場也是完全相干的。

若在光學諧振腔內放置一個用以調制諧振腔Q 值的快速光開關，并使光開關在開始激勵后的一段時間內處于關閉狀態，這樣就不能形成振蕩，激光躍遷的上能級會積累大量粒子。當粒子數反轉程度達到最大時，光開關迅速打開，可得到持續時間很短(10^-7～10^-9秒)、峰值功率很高(大于兆瓦)的脈沖激光。采用鎖模技術，使光束中不同振蕩縱模具有確定的相位關系(相位鎖定)，從而使各個縱模相干疊加，可得到峰值功率為10¹²～10¹³瓦、脈寬為10^-11～10^-13秒的超短脈沖激光。激光能量在空間上和時間上的高度集中，使激光具有普通光所達不到的高亮度。

激光應用

激光在材料加工、焊接、精密計量、全息技術、準直、印刷、集成電路微加工、激光傳感和醫療等方面都獲得了廣泛的應用。在與傳統電子技術密切相關的光電子技術領域中的重要應用有:光纖通信、激光測距、激光雷達、激光制導、激光錄像、激光存儲、激光顯示和激光計算機等。激光在同位素分離、激光化學、光武器等方面也具有廣闊的應用前景。激光引發核聚變是實現受控熱核反應的重要途徑之一。激光在科學研究上的廣泛應用，促進了物理學、化學和生物學等學科的發展。

參考書目

1. A.E.Siegman，An Introduction to Laser and Maser，McGraw-Hill，New York，1971.

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