激光器基礎(chǔ)---激光腔

圖1:在典型的氣體激光器中，增益介質(zhì)呈細(xì)長(zhǎng)的圓柱形。腔體由兩個(gè)鏡子限定。一種是部分反射，允許輸出光束逃逸

激光腔或諧振器是系統(tǒng)的核心。在某些高增益裝置(如準(zhǔn)分子激光器)中，通過(guò)一組受激原子或分子的單次躍遷就足以啟動(dòng)激光作用;然而，對(duì)于大多數(shù)激光器來(lái)說(shuō)，需要通過(guò)多次通過(guò)激光介質(zhì)來(lái)進(jìn)一步提高增益。這是沿著由一組產(chǎn)生反饋的腔鏡定義的光軸實(shí)現(xiàn)的(圖1)。激光介質(zhì)(晶體，半導(dǎo)體或封閉在適當(dāng)約束結(jié)構(gòu)中的氣體)沿著諧振器的光軸放置。這個(gè)獨(dú)特的具有很高光增益的軸也成為了激光束的傳播方向。另一個(gè)不同的例子是獨(dú)特的長(zhǎng)(和靈活的!)增益軸是光纖激光器。

最簡(jiǎn)單的空腔是由兩個(gè)相互面對(duì)的鏡子定義的——一個(gè)全反射鏡和一個(gè)部分反射鏡，其反射率可以在30%到接近100%之間變化。光在這些鏡子之間來(lái)回反射，每次通過(guò)增益介質(zhì)，光的強(qiáng)度都會(huì)增加。自發(fā)地向軸以外的方向發(fā)射的光子只是丟失，對(duì)激光的工作沒(méi)有貢獻(xiàn)。當(dāng)激光被放大時(shí)，一些光通過(guò)部分反射器(輸出耦合器)逃離腔或振蕩器;然而，在平衡狀態(tài)下(所謂的“穩(wěn)定狀態(tài)”或“連續(xù)波”)，這些“光學(xué)損失”被光子在腔內(nèi)連續(xù)往返所經(jīng)歷的光學(xué)增益完全補(bǔ)償。激光器的輸出恰好是輸出耦合器發(fā)射的光束的一部分。在理想的激光器中，輸出光束中的所有光子都是相同的，從而產(chǎn)生完美的方向性和單色性。這決定了激光光源獨(dú)特的相干性和亮度。

單色性——光子的能量通過(guò)E = hc/λ的關(guān)系決定了它的波長(zhǎng)，其中h是普朗克常數(shù)，c是光速，λ是波長(zhǎng)。理想的激光發(fā)射出的光子能量完全相同，波長(zhǎng)也相同，而且是完全單色的。許多應(yīng)用都依賴于單色。例如，在電信領(lǐng)域，幾個(gè)波長(zhǎng)稍微偏移的激光器可以在同一根光纖中以平行的脈沖流傳輸，而不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。真正的激光并不完全是單色的，因?yàn)閹追N增寬機(jī)制會(huì)使發(fā)射光子的頻率(和能量)變寬。例如，自由運(yùn)行的YAG激光器可以具有幾十千兆赫的線寬，而穩(wěn)定的二極管泵浦YAG激光器可以具有<1 kHz的線寬。這些展寬機(jī)制中最著名的是多普勒展寬，它由組成活性氣體介質(zhì)的原子集合中的速度分布決定。

相干性——除了具有相同的波長(zhǎng)外，構(gòu)成理想激光束的光子都是同相位的(圖2)，或“相干的”，從而產(chǎn)生以均勻波前傳播的電場(chǎng)。理想的表示是平面波沿給定方向以平坦波前傳播，并且垂直于該方向的每個(gè)平面在給定時(shí)間經(jīng)歷相同的電場(chǎng)和磁場(chǎng)振幅和相位。當(dāng)兩個(gè)具有這種特征的波相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干涉圖案，就像楊的實(shí)驗(yàn)一樣。真實(shí)的激光束在某種程度上偏離了這種理想的行為，但它們?nèi)匀皇亲罱咏硐氲南喔善矫娌ǖ墓庠矗⑶宜鼈兪挂蕾囉诠飧缮娴脑S多應(yīng)用成為可能。例如，精密透鏡和鏡子的表面是用激光干涉儀測(cè)量的，用于追蹤和探測(cè)引力波的幾英里長(zhǎng)的干涉儀的干涉模式的微小變化也是如此。

圖2：激光與傳統(tǒng)光的不同之處在于，所有光波都是同相的

亮度(或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，亮度)——激光和傳統(tǒng)光源之間最明顯的區(qū)別是，所有發(fā)射的光都以強(qiáng)光束的方式沿同一方向傳播。亮度定義為每單位表面面積和單位立體角離開(kāi)光源的光量。像太陽(yáng)這樣的恒星從單位表面積上發(fā)射出大量的輻射，但這些輻射是向許多不同的方向發(fā)射的。相反，激光束是高度定向的，其結(jié)果是它的亮度比地球表面所經(jīng)歷的太陽(yáng)要強(qiáng)烈得多。由于這個(gè)原因，僅僅5毫瓦的激光筆的功率就比陽(yáng)光直射對(duì)眼睛更“致盲”(也更危險(xiǎn))。

由于其高輻射率，激光束可以投射很遠(yuǎn)的距離或聚焦到一個(gè)非常小的點(diǎn)上。精心設(shè)計(jì)的激光器產(chǎn)生的光束只會(huì)以衍射定律規(guī)定的最小量膨脹(“發(fā)散”)。例如，衍射要求激光束可以產(chǎn)生的最小光斑大約等于其波長(zhǎng)。

審核編輯 黃宇