3.激光产生的条件

3.1 受激辐射光放大

一个光子激发一个粒子产生受激辐射，可以使粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子再去激发另外两个粒子，产生受激辐射，就可以得到完全相同的四个光子，如此下去……这样在一个入射光子的作用下，可引起大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完同完全相同的光子，这种现象称为受激辐射光放大。

由于受激辐射产生的光子都属于同一光子态，因此它们是相干的，在受激辐射过程中产生并放大了光，便是激光。

但是光与原子体系相互作用时，总是同时存在自发辐射，受激辐射和受激吸收三种过程，一束光通过了发光物质后，光强增大还是减弱，要看哪种跃迁过程占优势。

通常情况下，受激辐射的概率是微乎其微的，占主导优势的是自发辐射。普通光源的相干性差正是由于绝大部分原子做自发辐射造成的。

可见，在光与原子相互作用的三种基本过程中，存在着两种基本矛盾，受激辐射和受激吸收的矛盾，受激辐射和自发辐射的矛盾。而在正常情况下受激辐射并不占优势而在正常情况下，受激辐射并不占优势。想要通过受激辐射光放大过程产生激光，就必须具备克服这两个矛盾的条件，从而确保受激辐射在三个过程中占主导地位。

3.2 集居数反转

形成集居数反转分布是克服受激辐射和受激吸收的矛盾的必要条件。

为了产生受激辐射就必须改变粒子的常规分布状态。如果采取诸如用光照、放电等方法从外界不断的向发光物质输入能量，把处在低能级的发光粒子激发到高能级上去，便可使高能级的粒子数密度超过低能级的粒子数密度，这种状态称为粒子数反转或集居数反转，如下图所示

只要使发光物质处于粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收，当频率为v的光束通过发光物质，光强就会得到放大，这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子,形成激光，这就是激光器的基本原理。由此可见,形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件。

一般来说，当物质处于热平衡状态时，集居数反转是不可能的。要想使处于正常状态的物质转化成反转分布状态，必须激发低能级的原子使之跃迁到高能级，且在高能级有较长的寿命，因而必须由外界向物质供给能量，从而使物质处于非热平衡状态时,集居数反转才可能实现。外界向物质供给能量，把原子从低能级激励到高能级，从而在两个能级之间实现集居数反转的过程称为泵浦(或激励、抽运)。现有的泵浦源有多种多样，如闪光灯气体放电化学反应热能、核能等。

3.3 激活粒子的能级系统

为了形成稳定的激光，首先必须有能够形成粒子数反转的发光粒子，称之为激活粒子。它们可以是分子,原子或离子。这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质，基质可以是固体或是液体。基质与激活粒子统称为激光工作物质。

并非各种物质都能实现粒子数反转，在能实现粒子数反转的物质中，也并非是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。要实现粒子数反转必须有合适的能级系统。首先必须要有激光上能级和激光下能级;除此之外,往往还需要有一些与产生激光有关的其他能级。通常的激光工作物质都是由包含有亚稳态的三能级结构或四能级结构的原子体系组成。如下图所示。

应注意，以上的三能级系统和四能级系统都是指与激光的产生过程直接有关的能级，不是说物质只具有三个或四个能级。对任何一种实际的工作物质，与激光有关的能级结构和能级跃迁特性可能是很复杂的；对于不同的工作物质，彼此又有很大的差异。

3.4 光的自激振荡

受激辐射除了与受激吸收过程相矛盾外，还与自发辐射过程相矛盾。处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态，在这两种过程中，自发辐射是主要的。可见，即使介质已实现粒子数反转，也未必就能实现以受激辐射为主的辐射。要解决受激辐射与自发辐射的矛盾，使受激辐射占绝对优势，还需要利用光学谐振腔来实现光的自激振荡，即激光振荡。

1.光学谐振腔

激光产生起始时，介质以自发辐射为主，凡是偏离轴向传播的自发辐射光子会很快的逸出介质。而沿着轴向传播的自发辐射光子会不断地引起受激辐射而得到加强，使相应的光场单色能量密度不断增大。如果增益介质足够长，就有可能使受激辐射跃迁概率大于自发辐射跃迁概率，从而获得以受激辐射为主的输出。

通常激光器并不需要采用一个很长的工作物质,而是利用光学谐振腔来解决这个问题。在工作介质的两头放置两块相互平行并与工作物质的轴线垂直的反射镜，这两块反射镜与工作介质--起，就构成一个光学谐振腔。

沿轴向传播的光束可以在两个反射镜之间来回反射，被连锁式地放大,最后形成稳定的激光束,这一过程就是光的自激振荡，如下图所示。两个反射镜，一个的反射率是100%,另一个是部分反射镜，激光从部分反射镜输出。

2.振荡条件

有了能实现粒子数反转的工作物质和光学谐振腔，还不一定能引起自激振荡而产生激光。因为工作物质在光学谐振腔内虽然能够引起光放大，但谐振腔内还存在着使光子减少的相反过程，称为损耗。损耗有多种原因，如反射镜的透射、吸收和衍射，工作物质不均匀所造成的折射或散射等。显然，只有当光在谐振腔内来回一次所得到的增益大于同一过程中的损耗时,才能维持光振荡。也就是说，要产生激光振荡,必须满足一定的条件，这个条件是激光器实现自激振荡所需要的最低条件，又称阈值条件。

总结：激光工作介质通过光泵浦，实现集居数反转，使受激辐射跃迁概率大于受激吸收跃迁概率。产生的光子在谐振腔内自激振荡，受激辐射跃迁概率大于自发辐射跃迁概率。此时受激辐射起主导作用，激光便产生。