壹、激(ji)光(guang)產(chan)生(sheng)原(yuan)理(li)

　　1、普通(tong)光(guang)源的發(fa)光——受(shou)激(ji)吸(xi)收(shou)和自(zi)發(fa)輻射(she)

　　普通(tong)常見光(guang)源的發(fa)光（如(ru)電(dian)燈、火焰、太陽(yang)等(deng)地(di)發(fa)光）是(shi)由於物(wu)質在受到(dao)外來能量（如(ru)光(guang)能、電(dian)能、熱(re)能等(deng)）作用時(shi)，原子中的電(dian)子就(jiu)會吸(xi)收(shou)外來能量而從(cong)低能級(ji)躍(yue)遷(qian)到(dao)高能級(ji)，即(ji)原子被(bei)激(ji)發(fa)。激(ji)發(fa)的過程是(shi)壹個“受激(ji)吸(xi)收(shou)”過(guo)程。處(chu)在高能級(ji)（E2)的電(dian)子壽命(ming)很(hen)短(duan)（壹般(ban)為(wei)10－8～10－9秒(miao)），在沒有外界作(zuo)用(yong)下(xia)會自(zi)發(fa)地(di)向低能級(ji)（E1）躍(yue)遷(qian)，躍(yue)遷(qian)時(shi)將產(chan)生(sheng)光(guang)（電(dian)磁(ci)波）輻(fu)射(she)。輻射(she)光子能量為(wei) hυ=E2-E1 這種(zhong)輻(fu)射(she)稱(cheng)為(wei)自(zi)發(fa)輻射(she)。原子的自(zi)發(fa)輻射(she)過程完全是(shi)壹種(zhong)隨(sui)機過(guo)程，各發(fa)光原(yuan)子的發(fa)光過(guo)程各自(zi)獨(du)立(li)，互不關聯(lian)，即(ji)所(suo)輻(fu)射(she)的光在發(fa)射(she)方向上(shang)是(shi)無(wu)規(gui)則(ze)的射(she)向四(si)面八方，另外未位相(xiang)、偏振狀(zhuang)態也各不(bu)相(xiang)同(tong)。由於激(ji)發(fa)能級(ji)有壹個寬(kuan)度，所(suo)以(yi)發(fa)射(she)光的頻(pin)率也不(bu)是單(dan)壹的，而有壹個範圍。

　　在通(tong)常熱平(ping)衡條(tiao)件下(xia)，處於(yu)高能級(ji)E2上的原子數(shu)密度N2，遠(yuan)比(bi)處(chu)於低能級(ji)的原子數(shu)密度低，這是(shi)因為(wei)處於(yu)能級(ji)E的原子數(shu)密度N的大(da)小(xiao)時隨(sui)能級(ji)E的增加而指數(shu)減小(xiao)，即(ji)N∝exp(-E/kT)，這是(shi)著(zhu)名的波耳茲(zi)曼(man)分布(bu)規(gui)律(lv)。於(yu)是(shi)在上、下(xia)兩個(ge)能級(ji)上的原子數(shu)密度比(bi)為(wei)

　　N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

　　式(shi)中(zhong)k為(wei)波耳茲(zi)曼(man)常量，T為(wei)絕對(dui)溫度。因為(wei)E2>E1，所(suo)以(yi)N2《N1。例如(ru)，已(yi)知(zhi)氫原(yuan)子基態(tai)能量為(wei)E1＝－13.6eV，第壹激(ji)發(fa)態能量為(wei)E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則(ze)

　　N2/N1∝exp（－400）≈0

　　可(ke)見(jian)，在20℃時，全(quan)部(bu)氫原子幾乎(hu)都(dou)處於基(ji)態，要(yao)使原子發(fa)光，必須(xu)外界提(ti)供(gong)能量使原子到(dao)達(da)激(ji)發(fa)態，所(suo)以(yi)普通(tong)廣義(yi)的發(fa)光是(shi)包(bao)含(han)了受激(ji)吸(xi)收(shou)和自(zi)發(fa)輻射(she)兩個(ge)過程。壹般(ban)說(shuo)來，這種(zhong)光(guang)源所(suo)輻(fu)射(she)光的能量是不強(qiang)的，加上向四(si)面八方發(fa)射(she)，更使能量分散了。

　　2、受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)和光的放大(da)

　　由量子理(li)論知(zhi)識知道(dao)，壹個能級(ji)對(dui)應(ying)電(dian)子的壹個能量狀(zhuang)態。電(dian)子能量由主量子數(shu)n(n=1,2,…）決定。但是實(shi)際(ji)描(miao)寫原子中電(dian)子運(yun)動(dong)狀(zhuang)態，除(chu)能量外，還有軌道(dao)角(jiao)動量L和自(zi)旋角(jiao)動量s，它(ta)們都(dou)是(shi)量子化的，由相(xiang)應的量子數(shu)來描(miao)述(shu)。對(dui)軌道(dao)角(jiao)動量，波爾曾給出(chu)了量子化公(gong)式(shi)Ln＝nh，但這不(bu)嚴(yan)格(ge)，因這個(ge)式(shi)子還是(shi)在把(ba)電(dian)子運(yun)動(dong)看(kan)作軌道(dao)運(yun)動(dong)基(ji)礎上得(de)到(dao)的。嚴(yan)格(ge)的能量量子化以(yi)及(ji)角(jiao)動量量子化都(dou)應(ying)該有量子力學理(li)論來推導。

　　量子理(li)論告(gao)訴(su)我(wo)們，電(dian)子從(cong)高能態(tai)向低能態(tai)躍(yue)遷(qian)時(shi)只(zhi)能發(fa)生在l（角(jiao)動量量子數(shu)）量子數(shu)相(xiang)差(cha)±1的兩個狀(zhuang)態之(zhi)間，這就(jiu)是壹種(zhong)選擇規(gui)則(ze)。如(ru)果(guo)選擇規(gui)則(ze)不滿足(zu)，則(ze)躍(yue)遷(qian)的幾率很(hen)小，甚(shen)至(zhi)接近零(ling)。在原子中可(ke)能存在這樣(yang)壹些(xie)能級(ji)，壹旦電(dian)子被(bei)激(ji)發(fa)到(dao)這種(zhong)能級(ji)上時，由於不(bu)滿(man)足(zu)躍(yue)遷(qian)的選擇規(gui)則(ze)，可(ke)使它(ta)在這種(zhong)能級(ji)上的壽命(ming)很(hen)長，不(bu)易(yi)發(fa)生自(zi)發(fa)躍(yue)遷(qian)到(dao)低能級(ji)上。這種(zhong)能級(ji)稱(cheng)為(wei)亞穩態能級(ji)。但是，在外加光(guang)的誘(you)發(fa)和刺激(ji)下(xia)可(ke)以(yi)使其(qi)迅(xun)速躍(yue)遷(qian)到(dao)低能級(ji)，並放出光子。這種(zhong)過(guo)程是(shi)被(bei)“激(ji)”出(chu)來的，故稱(cheng)受激(ji)輻(fu)射(she)。

　　受激(ji)輻(fu)射(she)的概(gai)念世(shi)愛(ai)因斯(si)坦於1917年在推導普朗克的黑體(ti)輻射(she)公式(shi)時，第壹個提出來的。他從(cong)理(li)論上(shang)預(yu)言了原子發(fa)生受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)的可(ke)能性(xing)，這是(shi)激(ji)光(guang)的基礎。

　　受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)的過程大(da)致(zhi)如(ru)下(xia)：原子開(kai)始處於高能級(ji)E2，當(dang)壹個外來光子所(suo)帶(dai)的能量hυ正好(hao)為(wei)某壹對(dui)能級(ji)之差(cha)E2-E1,則(ze)這原(yuan)子可(ke)以(yi)在此外來光子的誘(you)發(fa)下(xia)從(cong)高能級(ji)E2向低能級(ji)E1躍(yue)遷(qian)。這種(zhong)受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)的光子有顯著的特點(dian)，就(jiu)是原(yuan)子可(ke)發(fa)出與誘(you)發(fa)光子全同(tong)的光子，不僅(jin)頻(pin)率（能量）相(xiang)同(tong)，而且發(fa)射(she)方向、偏振方向以(yi)及(ji)光(guang)波(bo)的相(xiang)位都完全壹樣。於是，入(ru)射(she)壹個光子，就(jiu)會出(chu)射(she)兩個(ge)完全相(xiang)同(tong)的光子。這意(yi)味(wei)著原來光信號被(bei)放(fang)大(da)這種(zhong)在受激(ji)過(guo)程中(zhong)產(chan)生(sheng)並被(bei)放(fang)大(da)的光，就(jiu)是激(ji)光(guang)。

　　3、粒(li)子數(shu)反轉(zhuan)

　　壹個誘(you)發(fa)光子不僅(jin)能引(yin)起受激(ji)輻(fu)射(she)，而且它(ta)也能引(yin)起受激(ji)吸(xi)收(shou)，所(suo)以(yi)只(zhi)有當(dang)處在高能級(ji)地(di)原(yuan)子數(shu)目比(bi)處(chu)在低能級(ji)的還多(duo)時，受(shou)激(ji)輻(fu)射(she)躍(yue)遷(qian)才能超過受激(ji)吸(xi)收(shou)，而占優(you)勢(shi)。由此可(ke)見(jian)，為(wei)使光源發(fa)射(she)激(ji)光(guang)，而不是(shi)發(fa)出普通(tong)光(guang)的關鍵(jian)是發(fa)光原(yuan)子處在高能級(ji)的數(shu)目比(bi)低能級(ji)上的多(duo)，這種(zhong)情(qing)況，稱(cheng)為(wei)粒(li)子數(shu)反轉(zhuan)。但在熱平(ping)衡條(tiao)件下(xia)，原子幾乎(hu)都(dou)處於最(zui)低能級(ji)（基態）。因此，如(ru)何(he)從(cong)技術(shu)上實(shi)現(xian)粒(li)子數(shu)反轉(zhuan)則(ze)是產(chan)生(sheng)激(ji)光(guang)的必要(yao)條(tiao)件。