關於激光形成機理?

01-03

上課聽老師講沒有弄懂。老師說的是激光形成的有一個重要的點便是要使激發態的電子數多於基態的電子數，所以才要使用excimer,為什麼excimer就能夠實現呢？具體是怎樣實現的呢?真的很想搞明白，謝謝
我又去查了一下，為了實現激光的產生必須要有population inversion.而excimer可以實現，好像是因為excimer把額外的能量散發後，excimer會分解回兩個基態原子，從而使基態電子減少。但是為什麼最後激發態電子會多於基態電子呢?

=================2016.10.13更新答案====================

我是做固體激光器的，準分子的東西還真不太懂，

記得以前學過，搬來了：（周炳坤《激光原理》第六版9.2節氣體激光器）

注意這是核間距的勢能曲線，

說簡單點就是：

處於激發態的準分子勢能有個最小值，稱為平衡核間距，按照Franck-Condon原理，平衡核間距附近有最大躍遷幾率，躍遷到基態並釋放光子；

基態分子的核間距勢能曲線是單調下降的，也就是說原子間會相互排斥，所以會快速解離成倆原子。

一般的，激發態的準分子的自發輻射壽命是幾十納秒量級，躍遷到基態後解離成倆原子的時間是百飛秒量級，這就保證了基態一直是抽空的。

換言之，準分子激光粒子數反轉是非常容易實現的。

另外，因為基態幾乎是空的，所以準分子向下躍遷時不存在確定的振動-轉動能級，可以實現調諧。

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謝邀。

「作為共產黨人，不隱瞞自己的觀點，但是今天，我不講！」---某朋鳥

回答這麼基礎的東西還是比較難的。

還是簡單講一點，激光三要素：泵浦源、增益介質、諧振腔，這裡只講泵浦。

激光就是受激輻射光放大的簡稱。

為什麼要實現粒子數反轉？

首先你看一下光子簡併度和愛因斯坦關係。

根據普朗克公式可得出，

光子簡併度n=1/[exp(hv/kB·T)-1]; n上面要加橫線，讀作n霸~~

n的物理意義是光子數除以光子態數目，也就是處於一個光子態內的平均光子數。

在電子學頻段，hv＜kB·T，光子簡併度n≈kB·T/hv＞＞1;

光頻段，hv＞kB·T，n≈exp(-hv/kB·T)＜＜1，

n隨載波頻率v呈單調下降。

換句話說，電子學波段主要是自由電子加速運動產生的低頻電磁波，可產生大量電子同步運動；

光頻段是原子的束縛態電子躍遷產生的高頻電磁波，這一頻段光子簡併度極低，難以同步躍遷。

本質就是，隨著載波頻率的提高，要求將LC迴路、微波閉腔這樣的電子振蕩器，變成原子、分子振蕩器，閉腔尺寸需在波長量級，屬於典型的量變引起質變。

另外就是相位的問題，電子學選頻後，大量電子同步運動，自動滿足相位=常數的條件；

原子振蕩器即使滿足hv=E2-E1，相位也不是同步的，輻射出的相位是紊亂的，或者說都是雜訊。

因此需要充分分析利用原子的輻射、躍遷過程，才能得到相干光。

根據愛因斯坦光與物質相互作用的理論，自發輻射和受激輻射存在以下關係：

n=w21/A21，光頻段受激輻射概率遠小於自發輻射概率。

在熱平衡態，粒子數服從玻爾茲曼分布，

即n2/n1=(f2/f1)exp(-hv/kB·T)

其中n1，n2為兩能級的粒子數，f1和f2表示能級E1、E2的能級簡併度，kB為玻爾茲曼常量。

簡單起見設f1=f2，有：

n2/n1=exp(-hv/kB·T)≈n

為使n在光頻段遠大於1，只能打破熱平衡態，進入非熱平衡狀態。

令T『= —T，則n≈exp(hv/kB·T』)＞＞1，

這個時候有n2&>n1，激發態粒子數大於基態粒子數，即稱為粒子數反轉狀態。

（這裡「激發態粒子」指的是該原子中的束縛態電子處於激發態，說著方便。）

(這裡令T『= —T有點暴力，也有點倒因為果的意思。關於負開爾文溫度，請查閱Edward Mills Purcell的文章，Purcell因核磁共振得物理學獎)

通俗地說，就是需要一個泵浦源（可以是激光，也可以是電、化學、核動力，只要能將大量粒子提供能量躍遷到激發態即可，然後光子受激輻射概率就會遠大於自發輻射概率。）

你學的是準分子激光吧，其實就是在電子束泵浦下，使混合氣體結合成不穩定的分子，也就是激發態粒子，它向基態躍遷時會發出能量較大的光子。

當準分子處於一個光學諧振腔內，光子先是隨機躍遷（自發輻射、受激輻射都有），然後符合諧振腔橫模、縱模條件的光子成功反射後，使更多處於激發態的準分子通過受激輻射產生光子，受激輻射的光子頻率、相位、方向、偏振統統保持一致，這些相干光子經過不斷振蕩得到反饋放大，最終輸出諧振腔（通過輸出耦合鏡或者腔倒空）。

再想更深入地了解就仔細看看激光原理的書吧，比如周炳錕那版的。

我只是做了搬運工該做的。O(∩_∩)O~~

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這個問題把激光的產生原理解釋一遍應該就能說通了。

激光的理論基礎就是愛因斯坦提出的受激輻射。一個原子處於可以基態 $E_{0}$ ，也可以處於激發態 $E_{1}$ 。而基態總是來的比激發態穩定，所以處於激發態的原子會自發地向下躍遷到基態並放出能量為 $Delta E=E_{1} -E_{0}$ 的光子，這個過程便是自發輻射。愛因斯坦說，有受激輻射，它同樣是原子從激發態躍遷回基態，而區別於自發輻射的地方在於受激輻射過程是外界強迫的。即激發態的原子吸收了能量為 $Delta E$ 的外來光子，自己躍遷回了基態並釋放出一個能能量是 $Delta E$ 的光子。

接下來我們來想一想，如果大量的原子都處於激發態，而有一束符合條件的光進入到這個系統會怎樣呢？這個光碰到了這些原子，原子們向基態躍遷並且釋放出光子，於是加強了這個特定頻率的光。

上文所強調的是：激光產生的原因是受激輻射，而受激輻射是原子的上能級向下能級躍遷時的過程。也就是說，要想產生激光，必須要使原子，系統中大多數的原子處於上能級。這就是為什麼我們需要激勵源。

原子能級分布：原子的能級是遵從玻爾茲曼統計分布的，在熱平衡下，只有少數原子由於熱效應處於激發態，激勵源的作用就是向原子系統輸入能量，打破這個熱平衡，使更多的原子達到激發態而滿足受激躍遷的條件。常見的激勵源有電和光。半導體激光器通常用電泵浦。固態激光器通常用光泵浦。光泵浦的原理稱之為受激躍遷，它和受激輻射就是一個互逆的過程：處於基態的原子吸收了一個光子而躍遷到激發態。

以上僅唯象地解釋了為什麼必須要粒子數反轉（population inversion）和激勵源（excimer）的作用及如何實現。細節之處題主可以參考周炳坤的《激光原理》和W.克希耐爾的《固體激光工程》

自然界光為非偏振光，而激光則是光子受激輻射後被不斷放大的光，且組成光子特徵相同。用泵浦實現粒子束反轉，相當於將低能級原子，抽運到高能級。當然，時間久了，高能級也會向低能級跑，忽略不計。

需要泵浦源。

泵浦會使粒子數反轉，就是激發態上的粒子數大於基態的粒子數。

正常條件下基態粒子數大於激發態粒子數。

查一下受激輻射受激吸收自發輻射