激光機理的能量激發(fā)和諧振放大與激光種類的介紹

　　形成“激光”，先完成兩個重要步驟

　　「激光（Laser）」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的縮寫，意思是「利用激勵放射來增加光的強度」，所謂的「激勵放射」其實就是完成兩個重要的步驟，第一個是「能量激發(fā)（Pumping）」，第二個是「共振放大（Resonance）」：

　　能量激發(fā)（Pumping）

　　固體激光（大多使用光激發(fā)光）屬于「原子發(fā)光」，前面曾經(jīng)介紹過原子發(fā)光的原理為，外加能量（光能或電能）激發(fā)摻雜原子的電子由內(nèi)層能級跳到外層能級，當電子由外層能級跳回內(nèi)層能級時，將能量以光能的型式釋放出來，如圖二（a）所示。半導體激光（大多使用電激發(fā)光）則是屬于「半導體發(fā)光」，前面曾經(jīng)介紹過半導體發(fā)光的原理為：外加能量（光能或電能）激發(fā)半導體的電子由價帶跳到導帶，當電子由導帶跳回價帶時，將能量以光能的型式釋放出來，如圖二（b）所示。

　　要發(fā)出激光，受激輻射是最基本的條件，如圖二（c）所示，能量激發(fā)有「光激發(fā)光（PL）」或「電激發(fā)光（EL）」二種方式，不論使用那一種方式都可以產(chǎn)生激光，光激發(fā)光（PL）是外加光能使電子跳躍；電激發(fā)光（EL）則是外加電能使電子跳躍，將在后面詳細介紹。

　　圖二　能量激發(fā)的原理

　　諧振放大（Resonance）

　　在發(fā)光區(qū)外加一對「諧振腔（Cavity）」，諧振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖三所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應，使光的能量放大。

　　光激發(fā)光（PL：Photoluminescence）？我們以「鈦藍寶石激光（Ti Sapphire laser）」為例，先在藍寶石內(nèi)摻雜鈦原子得到鈦藍寶石晶體，在晶體四周放置許多高亮度的光源（發(fā)出某一種波長的光）對著晶體照射，當晶體吸收光能產(chǎn)生「能量激發(fā)（Pumping）」，則會發(fā)出另外一種波長（顏色）的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大（Resonance）」，由于右方的反射鏡設計可以穿透5％的光，所以高能量的激光就會由右方穿透射出，如圖三（a）所示。

　　電激發(fā)光（EL：Electroluminescence）我們以「砷化鎵激光二極管（GaAs laser diode）」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片（大約只有一粒砂子的大?。┥舷赂髡翦円粚咏饘匐姌O，對著芯片施加電壓，當芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)（Pumping）」，則會發(fā)出某一種波長（顏色）的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個晶體鏡面反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大（Resonance）」，由于右方的反射鏡設計可以穿透5％的光，所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出，如圖三（b）所示。

　　圖三　激光產(chǎn)生的原理