光的基本原理

1、自发辐射与受激辐射

自发辐射是在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。hn=E2-E1。

设发光物质单位体积中处于能级E1，E2的原子数分别为N1，N2，则单位时间内从E2向E1自发辐射的原子数为

A21为自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率。

处于高能级E2上的原子，受到能量为hn= E2- E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。称为受激辐射。

W21为表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射跃迁到E1的概率。

2、粒子数反转

受激吸收与E1的原子数N1成正比，受激辐射与E2的原子数N2成正比。当N2《N1时发生受激辐射远少于发生受激吸收，是不可能实现光放大的．要实现光放大，必须采取特殊措施，打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布，使N2＞N1。我们称体系的这种状态为粒子数反转 (或“负温度”体系)。所以，产生激光的首要条件是实现粒子数反转。

能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能态去的过程称为抽运过程。

3、光学谐振腔

在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。

光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。而自发辐射产生的频率也得不到放大。因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。

激光的特性

1、单色性好

2、方向性好

3、相干性好

4、能量集中

激光的应用

1、激光测距

2、激光加工与激光医疗

3、光信息处理和激光通信

4、激光在受控核聚变中的应用

5、激光的非线性效应

激光是光学原理的一种应用，但是究竟要怎么样才能从普通的光线变成激光？这就得先了解原子发光的原理。一个原子从高能阶降到低能阶时，会放出一个光子，叫做自发放光。原子在高能阶时受到一个光子的撞击，就会受激而放出另外一个相同的光子，变成两个光子，叫做受激放光。如果受激放光的过程持续产生，则所发出来的光子便会越来越多。只要我们把高能阶的原子数量控制在高于低能阶的原子数量，那么受激放光的过程就会持续产生，这种控制原子受激放光的装置我们称它为“光放大器”。

我们也知道，光线发射出去时是以光速朝各个方向前进的，为了让产生的光线能够被收集起来并持续放大加以利用，则必须利用叫做「***振腔」的设备，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射，且由于光放大器所产生的光子是相同的，所以行进的方向也会相当一致。透过***振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，也就是说拥有跟***振腔相同方向的光线才会被放大，其余不同方向的光线都不会放大，这是产生激光的首要条件。

***振腔还有另外一个作用，那就是限制激光的频率。光线要在***振腔产生***振必须符合 L = nλ／2 的关系（L 是***振腔长度，λ 是波长，n 是固定倍数），所以并非所有频率的光线都可以在***振腔中产生***振，而是只有符合这规则的才会产生***振。不过，***振腔的长度（L）可以长达数公尺，而光的波长（λ）却是以微米为单位，这两者之间相差了 100 万倍，也就是说符合条件的 n 范围相当大，而非只有单一频率。可以同时发出这么多频率的光，就给了我们建造脉冲激光的条件。