以半导体激光器为例说明产生激光的原理和条件

听我娓娓道来.

首先,激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation.就是通过受激发射实现光放大.

光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用,经过震荡和放大,实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束,这个就是激光.

激光器有很多种类型,但他的必要组成部分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源.

形成激光的一个重要条件是,粒子数反转,就是导带的粒子数密度大于价带（半导体）或高能级的粒子数密度大于低能级（气体或固体）,激光的现象就是在这样一种偏离了平衡态的稳态.

半导体激光器比起固体激光器和气体激光器,结构上还是有很大区别的.半导体激光器一般是三层或多层异质结结构,这样由于折射率的的内大外小自然构成了光约束,又由于异质结结构形成的量子井结构（最早的半导体激光器不是量子井结构的,随着MBE的半导体加工技术的应用,单井和多井结构得以实现）,对载流子形成了约束,使受激发射大都发生在增益介质的带边,这样就大大提高了激光器的效率.半导体激光器是电泵浦的,不同于气体激光器或固体激光器的光泵浦.

半导体激光器的工作过程是这样的,由于外加电场的作用,载流子开始移动,由于量子井的存在,载流子开始在量子井中堆积,然后一部分导带的电子会自发跃迁回价带放出一个能量等于带隙宽度（band gap）的光子,这个过程叫自发发射,一部分自发发射的光子会被吸收,再放出两个光子,这个过程叫受激发射,这样自发发射的光子成为了最初的泵浦光,然后不断的发生受激发射,受激发射的光子会在增益介质中不断震荡,不断的使更多的光子受激发射出来,当外加电场强度达到粒子数反转所需强度之后一段时间,便会有稳定的激光输出了.

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这个过程当中有很多很多细节问题,不明白可以问我.

激光（Laser）,它指通过受激辐射放大和必要的反馈,产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器.而基本上,产生激光需要"共振腔"(resonator)、"增益介质"(gain medium)以及"激发来源"(pumping source)这三个要素.

原理

原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）.同样的,当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话,会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后,部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）.这些运动不是孤立的,而往往是同时进行的.当我们创造一种条件,譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场,受激辐射得到放大从而比受激吸收要多,那么总体而言,就会有光子射出,从而产生激光.

分类

根据产生激光的媒质,可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等.而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种.

构成

激光器大多由激励系统、激光物质和光学谐振腔三部分组成.激励系统就是产生光能、电能或化学能的装置.目前使用的激励手段,主要有光照、通电或化学反应等.激光物质是能够产生激光的物质,如红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等.光学谐振控的作用,是用来加强输出激光的亮度,调节和选定激光的波长和方向等.

应用

激光应用很广泛,主要有 fiber communication,激光测距、激光切割、激光武器、激光唱片等等

历史

1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光.根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时,都会产生这种不发散的强光--激光.他们为此发现了重要论文.

肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功.1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家.

1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来刺激在红宝石色水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度.

前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器.半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成.其特点是：尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可直接调制,相干性好.

光子：原始称呼是光量子（light quantum）,电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ.其静止质量为零,不带电荷,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,E=hv,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是玻色子

电子：静止质量为9.109×10^-31kg、电荷为-1.602×10^-19C的稳定基本粒子.在一般情况下是指带负电荷的负电子.其反粒子是带正电荷的正电子.

分子：化学上,分子是物质组成的一种基本单位名称.

离子：带有电荷的原子或分子,或组合在一起的原子或分子团.带正电荷的离子称“正离子”,带负电荷的离子称“负离子”.

原子：组成元素的最小单元.由原子核和围绕原子核运动的电子组成.

粒子：粒子（particle）指能够以自由状态存在的最小物质组分.最早发现的粒子是电子和质子,1932年又发现中子,确认原子由电子、质子和中子组成,它们比起原子来是更为基本的物质组分,于是称之为基本粒子.以后这类粒子发现越来越多,累计已超过几百种,且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构,有些粒子实验显示具有明显的内部结构.看来这些粒子并不属于同一层次,因此基本粒子一词已成为历史,如今统称之为粒子.

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