倒置顯微鏡--激光產生原理

（一）倒置顯微鏡--原子發(fā)光機制

電子是構成物質的基本單位，了解原子的發(fā)光機制就理解了激光發(fā)生的過程。

原于是由帶正電荷的原子核和帶負電的電子組成。不同元素的原于核和核外電子數不同。電子圍繞原子核旋轉的動能與原子吸引電子發(fā)生勢能之相稱為電子的總能量。當電子在某一固定的軌道上運動時，不發(fā)射光子，只有當電子從一個能量較大的狀態(tài)躍遷到另一個能量較小的狀態(tài)時，電子的總能量才發(fā)生變化，能量的改變以光子的形式輻射出來。反之．當電子從—個能量較小的狀態(tài)躍遷到另一個能量較大的狀態(tài)時，需要吸收能量。

原子、分子或離子都可能具有多種狀態(tài)，每一種狀態(tài)都具有特定的能量。在許多可能的狀態(tài)中，總有一個狀態(tài)的能量zui低，這個狀態(tài)稱為基態(tài)。其他狀態(tài)具有比基態(tài)高的能量．稱為激發(fā)態(tài)。

發(fā)光的本質是物質的原子或者分子內部處于較高的激發(fā)態(tài)時，這些粒子從高能級向低能級過渡自發(fā)地把過多的能量以光子的形式發(fā)射出來的結果.

（二）倒置顯微鏡--光的吸收與發(fā)射

在激光發(fā)生過程中，會出現(xiàn)受激吸收、白發(fā)輻射和受激輻射的物理現(xiàn)象。

1．受激吸收。處于基態(tài)的原子在沒有任何外來光子（只有能量而沒有質量的）接近時．其能量固定不變。如果吸收一定能量的光子，并且從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，這種能量狀態(tài)提高的過程稱為受激吸收。

2．自發(fā)輻射。在不受外界的影響時，處在激發(fā)態(tài)的原子會自發(fā)地返回到基態(tài)并且放出光子，此過程稱為自發(fā)輻射。各個原子發(fā)出的光子在傳播方向、初始相位和偏振方向都是不同的。除了激光器外，一般的光源發(fā)光部屬于自發(fā)輻射。

3．受激輻射。在外來光子或者外來磁場的影響下，處于激發(fā)態(tài)的原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并且把2個能態(tài)之間的能量差以輻射光子的形式釋放出去，這個過程稱為白發(fā)輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來光子有相同的頻率、一致的傳播方向、相位和偏振方向。

（三）倒置顯微鏡--粒子數反轉

通常情況下，原子處于熱平衡狀忠，處于低能態(tài)的粒子數多于高能態(tài)的粒子數，能級越高．粒子數越少。如果通過某種方法改變粒子數的熱平衡分布，使高能態(tài)的粒子數多于低能態(tài)的粒子數，這樣就形成了粒子數反轉。

粒子數反轉是產生激光的必要條件。實現(xiàn)粒子數反轉的方法有多種．如強光照射、放電激勵等。用外來能量將粒子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)的過程稱為泵浦或者抽運。不是所有的物質在泵浦源的激勵下都能夠實現(xiàn)粒子數反轉。只有具備三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的激光工作物質才可能實現(xiàn)粒子數反轉。

（四）倒置顯微鏡--激光發(fā)射的條件

實現(xiàn)激光輸出，除了具備合適的工作物質和穩(wěn)定的光學諧振腔，還必須減少損耗，加快泵浦速率，使粒子反轉數達到產生激光的閡值條件。

白發(fā)輻射光子不斷產生，同時射向工作物質，再激發(fā)工作物質產生很多新光子（受激輻射）。光子在傳播中一部分射到反射鏡上．另一部分則通過側面的透明物質跑掉。光

在反射鏡的作用下又回到工作物質中．冉激發(fā)高能級上的粒子向低能級躍遷，而產生新的光子。在這些光子中，不在沿諧振腔軸方向運動的光子。就不與腔內的物質作用。沿軸方向運動的光于，經過諧振腔中的2個反射鏡多次反射，使受激輻射的強度越來越強。

促使高能級上的粒子不斷地發(fā)11光來*如果光放大到超過光損耗時（衍射、吸收、散射等損失）產生光的振蕩，使積累在沿軸方向的光，從部分反射鏡中射出這就形成激光。

在諧振腔的反饋過程小．我們了解到光只能沿諧振腔的軸向傳播，因此激光具省很高的方向性。又由于諧振腔中2個反射之間距離木同，光在腔內不斷地反射，得到加強。而其他波長的光在腔內很快被衰減掉，諧振腔就可以選擇一同定波長，說明激光具有單色性；而激）t的亮度高是由光放大產生的。

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