透徹解析:雷射到底是怎麼來的

1960年，世界上的第一束人造雷射刺破了加州修斯實驗室的寧靜，西奧多·梅曼發明的紅寶石雷射器，開啟了人類創造雷射、利用雷射改造世界的大門。此後五十餘年來，雷射科學發展迅猛，雷射技術的普及應用也從方方面面走進了人們的生活。但多數人只是知道雷射有這樣那樣的用途，卻不知道雷射到底是怎麼來的。因此，本文將用相對通俗的語言，為大家講解雷射形成的原理。

要弄懂雷射形成的原理，首先了解一下什麼是能級。簡單來說，能級就是每一個原子（實際上核外電子）攜帶一定能量的狀態，不同的能級表示原子攜帶的能量不同。能級越高，意味著核外電子能量越高，越容易脫離原子核的束縛。為方便理解，以原子結構最簡單的氫原子為例進行講解。

氫原子能級結構圖

n表示量子數，對應原子的能級E。n＝1時，表示的是氫原子穩定狀態下的能級，稱為基態（E₁能級）。n＝2、3、4等，稱為激發態（E₂能級、E₃能級、E₄能級等）。根據丹麥物理學家玻爾的理論，原子處於穩定的基態時，如果受到外界的激發，吸收相應的外界能量，會躍遷到較高的能級上形成激發態。而原子在激發態時是不穩定的，當原子處於激發態時會自發地向較低能級躍遷，經過一次或幾次躍遷到達基態，在向低能級躍遷的過程中會釋放相應能量。這個相應能量以一定頻率的光子的形式存在，可由能級圖右側數值計算得出，光子能量E＝hν＝E_m－E_n。h是物理學家測出的固定值（普朗克常量），ν表示光子的頻率（由激發態向基態躍遷時釋放光子的頻率，就是原子對外輻射光的頻率，形成雷射時也就是該雷射的頻率，這決定了雷射的波長λ＝c／ν，c為光速）。

理解能級結構之後，來看看雷射是怎麼形成的。同樣為方便理解，還是以結構最簡單的紅寶石雷射器為例進行講解。紅寶石雷射器屬於固體雷射器，工作物質是紅寶石棒，晶體基質為Al₂O₃，摻有佔總重量0.05％的Cr₂O₃。紅寶石中的雷射作用是通過Cr^3＋（鉻離子）的受激發射過程而實現的，因而Cr^3＋通常稱為激活離子，它是紅寶石中產生雷射的「主體」。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質，對雷射作用只起間接作用。其能級結構如圖所示：

當泵浦光照射紅寶石時，處於基態的Cr^3＋離子吸收特定波長的光躍遷到E₃能級，Cr^3＋離子在這個能級上壽命很短（極不穩定，約存在10^－9s），因而迅速通過無輻射躍遷（無輻射躍遷是指原子通過原子碰撞的形式將能量與外界進行交換，即晶體內部熱運動，從而發生能級改變，期間既不發射也不吸收光子）躍遷到E₂能級。E₂能級壽命較長（約有3ms），稱為亞穩態能級，在這個能級上可以聚集較多的Cr^3＋離子。當外界泵浦足夠強的時候，會在E₂能級和E₁能級間形成粒子數反轉，即E2能級上Cr^3＋離子數量比E1能級多。在實現粒子數反轉後，每一個能量為hν的外來光子都將激發E2能級上的一個原子使其躍遷到基態，同時釋放一個能量為hν的光子，光子總能量也就1變2，2變4，4變8……從而實現了受激輻射放大（增益）過程。由於光學諧振腔對光增益存在損耗，只有受激輻射放大的增益大於雷射器內的各種損耗時，才會輸出雷射。

下面對紅寶石雷射器結構進行講解，有條件的話，可以自己動手製作一個簡易的紅寶石雷射器哦。