激光是怎么产生的？
前言
激光是一类特殊的光，英文名称为 Laser（有时也会被音译成镭射），其全称是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是辐射的受激发射光放大。自从 1960 年美国科学家梅曼（T. Maiman）发明第一台激光器至今，激光技术发展得非常迅猛，并已与诸多学科结合形成了大量新兴的前沿交叉学科，如超快光学、激光医学、激光生物学、激光化学以及量子光学等等，这也使得激光器的应用扩展到了国民经济的几乎所有领域，激光这个名词也越来越多地出现在我们的日常生活中。
以分享知识为目的，本文主要对激光这一概念做一个入门性的简介。
图1. 梅曼和他的红宝石激光器。[1]
图2. 钛宝石激光**。 [2]
自发辐射和受激辐射
从从激光的名称可以看出，激光的基础是受激辐射，受激辐射最早由爱因斯坦在 1917 年首次提出。
在谈论受激辐射之前，有必要先简要介绍一下能级和跃迁这两个概念。我们通常所见的物质是由一个个原子构成的，其大致的结构如下图所示：原子包含一个带正电的原子核和数量不等的带负电的电子，电子按照一定的轨道绕着原子核运动（实际上是没有固定轨道的，但不妨碍这里理解能级）。处在不同轨道上的电子有着不同的能量，由于轨道的半径是不能连续取值的（即量子化），所以电子所拥有的能量也就被分成了一个个离散的等级，也就是能级。电子可以通过吸收能量或者发出能量跳转到不同的轨道上，这一行为称为跃迁。这里能量的表现形式可能是光子，也就是说，电子会吸收光子从低能级跃迁到高能级，也有可能从高能级跃迁到低能级并发出光子。
图3. 原子结构示意图 。[3]
图4. 氢原子能级示意图。图中带颜色的箭头指出的是电子在不同能级之间跃迁时，吸收或者发出光的颜色。[4]
一般来说，电子处在较高的能级时是不太稳定的，因而电子更倾向于呆在较低的能级，如果较低的能级有空位置（由于泡利不相容原理，一个能级可以容纳的电子数量是有限的），电子会自发的跃迁到低能级并发出光子，这种现象就是自发辐射（Spontaneous Emission），自发辐射是随机发生的，有时高能级的电子会很快跃迁到低能级，有时则会很长时间不跃迁。不同于自发辐射这一较为随机的自发行为，受激辐射描述了这样一个物理过程：处在高能级的发光粒子，在诱导光子的作用下跃迁到低能级，并发出一个与诱导光子完全一样的光子。需要注意的是，受激辐射有一个前提，那就是跃迁的上下能级之间的能量差需要与诱导光子的能量一致（吸收的过程也遵循该原则）。下图展示了吸收、自发辐射和受激辐射三个过程。
图5. 吸收（上）、自发辐射（中）和受激辐射（下）。[5]
受激辐射是可以级联的：如果存在大量处在上能级的电子，且下能级又有足够的空位置，那么一个光子可以诱导一个电子跃迁，获得两个光子；两个光子又可以诱导两个电子跃迁进而获得四个光子；如此往复发展成为“雪崩现象”，直至将处在上能级的电子都消耗殆尽。这样一来，我们就可以获得很多性质完全相同的光子了，而这些光子形成的就是激光。
激光器的三要素
在知道了激光形成的基本原理的情况下，我们又该如何实实在在地获得激光呢？这就涉及到激光器和它的三要素了，即激光工作物质（也被称为增益介质）、泵浦源和光学谐振腔。简单来讲，激光器的整体结构可以理解为下图所示的样子，基本上所有的激光器构型也都是在此基础之上发展演变而来的。
图6. 激光器的大致结构
（1）增益介质：为了形成稳定的激光，首先必须要有足够的激活粒子，这些激活粒子可以是分子、原子或者离子，它们含有处在上能级且下能级有空位的电子。有的激活粒子可以**存在，有的则不行。为激活粒子提供依存场所的材料称为基质。基质与激活粒子统称为激光工作物质也就是增益介质。
图7. 不同形态的增益介质：（左）固体增益介质；（中）液体增益介质；（右）气体增益介质。[6-8]
（2）泵浦源：是整个激光**工作的初始“动力”，输送能量把增益介质中的粒子激活，从而形成粒子数反转，促进激光的形成。粒子数反转是激光形成的一个重要的先决条件。上文中提到了粒子既可以吸收光子跃迁到上能级，也可以从上能级跃迁到下能级并发出光子，前者使光子数量减少，后者使光子数量增多。那么一束光通过增益介质时，究竟是被放大还是被削弱呢？这就要看两种跃迁过程那个占优势了。如果下能级的粒子数密度大于上能级，光通过时就会被削弱；反之，如果上能级的粒子数密度大于下能级（也就是粒子数反转），光通过时则会被放大。大多数情况下，物质一般都处于前一种状态，达到后一种状态即粒子数反转通常需要借助泵浦源来实现。
图8. 粒子数反转
（3）光学谐振腔：仅仅使增益介质处在粒子数反转状态，虽然能够获得激光，但这样的激光质量很差，几乎没有什么实用价值。为了得到持续稳定、高质量的激光输出，激光器还必须有一个光学谐振腔。如图6 所展示的那样，所谓光学谐振腔，主要由两个反射镜组成，其中一个镜子是全反射镜子（将接收到的光全部反射），另一个则是部分反射镜（允许一部分光透过，将剩余的光反射）。光学谐振腔不仅可以将光约束在激光器的内部，使光一次又一次地通过增益介质，并被不断地放大，它还可以调节激光的空间分布进而改善输出激光的质量。
图9. 一些典型的光学谐振腔以及它们对于激光空间分布的影响。[9]
小结
本文主要介绍了几个重要的概念，主要包括能级、跃迁、自发辐射、受激辐射、增益介质、泵浦源和光学谐振腔，并在此基础之上对于激光的产生进行了简介。下图小结了激光的产生过程。
由于能力有限，文章难免有纰漏之处，读者如有发现，还请指出。欢迎理**流和讨论。
引用
[1] http://scihi.org/theodore-maiman-laser-technology/
[2] https://en.*********.org/wiki/Ti-sapphire_laser
[3] https://www.expii.com/t/atomic-orbitals-energy-levels-sublevels-8328
[4] https://www.priyamstudycentre.com/2019/02/hydrogen-spectrum.html
[5] https://gfycat.com/clutteredsplendidarcticwolf
[6] https://crystalsystems.com/products/ti-sapphire/
[7] https://physicsopenlab.org/2020/07/17/dye-laser-diy/
[8] https://www.electricalelibrary.com/en/2021/08/18/laser-types-part-1-gas-lasers/
[9] https://www.wikiwand.com/en/Optical_cavity
[10] 《激光原理与激光技术》——俞宽新
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