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激光的发光原理激光（Laser）是一种通过激光介质产生激光辐射的装置。
激光的发光原理可以从两个方面来解释，即从能级理论和谐振腔的角度。
从能级理论的角度来看，激光的发射是通过物质的原子或分子能级跃迁来实现的。
在一个激光介质中，如固体、液体或气体等，能级分布不同，在外加一定能量的入射光作用下，激发了物质中的激发态（高能量态），处于激发态的分子或原子几乎不稳定，会通过非辐射跃迁或自发辐射跃迁返回到低能量态，释放出光子能量。
如果在这个能级转变的过程中，激发态和基态的能级差距非常大（例如，能级差距为电子伏），则会释放出高频率（短波长）的光子，此即称为激光。
而从谐振腔的角度来看，激光的发射则是依靠谐振腔的作用。
谐振腔是由两面高反射镜组成的光学装置，其中一个镜子是部分透射的（半反射镜）。
当激光介质处于谐振腔中时，光子在谐振腔内进行多次反射，从而形成了驻波模式。
其中，半反射镜透射一部分光子，形成了输出光。
在激光介质的内部，光子的反射、吸收和自发辐射三个过程同时进行，而自发辐射是不可避免的。
但是，由于谐振腔的反射作用，自发辐射所产生的光子在谐振腔中多次反射，从而增强了自发辐射的概率。
同时，激光介质的性质要求能量放大，即非辐射跃迁所消耗的能量应小于通过自发辐射释放的能量。
这样，在介质中激发态的粒子逐渐增多，达到饱和，而且这些粒子都处于同一电磁模式中，它们的相位关系保持一致。
当外界向谐振腔注入一定的能量刺激时，光子会通过受激辐射跃迁的过程，顺着谐振腔对激光介质产生进一步的刺激，使得激光进一步放大。
最终，当周期性的光子都在谐振腔中多次反射后增强到一定程度时，就会形成激光输出。
总结起来，激光的发光原理是通过能级的跃迁和谐振腔的作用相结合来实现的。
能级的跃迁使得激发态的粒子逐渐增多，并保持了相位一致性，而谐振腔的作用则使得光子在内部的多次反射增强了自发辐射的概率，并通过受激辐射跃迁进一步将能量注入激光介质，最终形成激光输出。
发光产生的条件发光是指物体在特定条件下释放出光线的现象。
在自然界和人造环境中，发光现象广泛存在。
那么，什么是发光产生的条件呢？一、激发能量发光的首要条件是激发能量。
物体要发光，首先需要吸收足够的能量，通过激发能量的方式来实现。
这种能量可以是热能、电能、化学能等。
例如，当电流通过灯丝时，灯丝受到电能的激发，进而发出光线。
而当木柴燃烧时，化学能被激发，产生火焰的光亮。
二、能级跃迁发光的第二个条件是能级跃迁。
物体在吸收能量后，其内部的电子会跃迁到一个较高的能级。
当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出能量，这部分能量就以光的形式发出。
这就是光子的产生过程。
三、激发态的稳定发光的第三个条件是激发态的稳定。
在能级跃迁过程中，只有激发态足够稳定，电子才能停留较长时间，从而释放出较多的能量。
如果激发态不稳定，电子会很快返回基态，能量释放得很少，无法形成明显的发光。
四、适当的温度发光的第四个条件是适当的温度。
物体的温度越高，其内部的粒子运动越剧烈，能级跃迁的几率就越大。
因此，高温条件有利于发光的产生。
例如，太阳的高温使得它发出强烈的光，成为地球上的主要光源。
五、特定的物质发光的第五个条件是特定的物质。
不同的物质对能量的吸收和释放有不同的特点。
有些物质对特定波长的能量很敏感，能够有效吸收和释放光。
例如，荧光粉可以在紫外光的激发下发出明亮的荧光。
而LED的发光则是由半导体材料的特殊性质决定的。
六、适当的环境发光的第六个条件是适当的环境。
有些物质在特定的环境条件下才能发光。
例如，荧光材料只有在暗处才能发出荧光，而在明亮的环境下则看不到光线。
类似地，夜光材料只有在暗处光照不足的情况下才会发光。
七、合适的波长发光的第七个条件是合适的波长。
不同的物质对不同波长的光有不同的响应。
只有当物体所处环境中有对应波长的光照射时，才能激发物体发光。
例如，磷光材料只有在紫外光照射下才会发出磷光。
八、适当的能量发光的第八个条件是适当的能量。
激光原理激光原理激光是一种具有高度单色性、高亮度和直线传播特性的电磁波。
它的产生是通过激发原子或分子中的电子，使其跃迁到高能级，然后从高能级回到低能级时放出光子。
这些光子具有相同的频率、相同的相位和相同的方向，形成了一束高度集中、方向性强的光束。
1. 激发原理激发原理是指将物质中的电子从低能级激发到高能级，使其处于激发态。
当电子从高能级回到低能级时，会放出一个光子。
这个过程称为自发辐射。
2. 反转粒子数密度反转粒子数密度是指在一个物质中，处于激发态的粒子数比处于基态的粒子数多。
只有在反转粒子数密度大于临界值时才能产生激光。
3. 共振腔共振腔是指由两个反射镜组成的空间，在其中放置了具有反转粒子数密度大于临界值的物质。
当一个光学泵浦器向物质注入能量时，会激发物质中的电子，使其处于激发态。
当这些电子从高能级回到低能级时，会放出光子，这些光子被反射镜反射回共振腔内部。
4. 激光输出当光子在共振腔内来回多次反射时，它们会与处于激发态的粒子相互作用，促使更多的粒子从高能级回到低能级。
这个过程称为受激辐射。
随着时间的推移，越来越多的粒子从高能级回到低能级，放出越来越多的光子。
最终，在一个反射镜上形成了一束高度集中、方向性强的光束。
5. 激光特性激光具有单色性、方向性和相干性等特性。
单色性是指激光只有一种频率；方向性是指激光具有非常好的直线传播特性；相干性是指激光具有非常好的波前相干性和时间相干性。
6. 应用领域激光广泛应用于科学研究、医疗、通信、制造业等领域。
例如，激光可以用于制造高精度的零件、切割材料、焊接金属等。
同时，激光还可以用于医疗领域，例如激光手术、激光治疗癌症等。
此外，激光还被广泛应用于通信领域，例如激光通信和光纤通信等。
总结通过对激发原理、反转粒子数密度、共振腔和激光输出等方面的介绍，可以了解到激光的产生和特性。
同时，我们也能够了解到激光在科学研究、医疗、通信和制造业等领域中的广泛应用。
激光发光粒子的能级与跃迁
刘韬
北京工业大学 应用数理学院 000611班
指导教师：俞宽新
摘要弹 研究了与激光发光粒子的能级系统，包括三能级系统和四能级系统。
指出四能级容易实现反转粒子数，因此效率高。
同时研究了与激光发光相关的三种跃迁，即自发辐射、受激辐射、受激吸收。
关键词 三能级，四能级，自发辐射、受激辐射、受激吸收
一、引言
激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。
而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。
因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。
在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这个光子又可以诱发其他光粒子，产生更多状态相同光子。
这样，在一个入射光子的作用下，可以引发大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。
这种现象被称为受激辐射光放大。
（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）.由于受激辐射产生的光子都属于同一个光子态，因此它们是相干的，通常受激辐射与受激吸收两种跃迁是同时存在的,前者使光子数增加,后者使光子数减少。
当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。
在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级的粒子数密度大于处于上能级的粒子数密度
如果采取诸如用光照，放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可使上能级的粒子数密度超过下能级的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。
2E 1E 产生激光的必要条件是实现粒子数反转，而为了实现粒子数反转就必须要有适合的能级系统的激活粒子。
二、能级系统
1、三能级系统
图1为三能级系统示意图。
作为激光下能级，泵浦元将激活粒子从能级抽运到能级，能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达能级。
所谓非辐射跃迁,是指不发射光子的跃迁,它是通过释放其它形式的能量如热能而完成的。
能级的寿命比起能级要长的多，称为亚稳态，并作为激光上能级。
只要抽运速率达到一定程
1E 3E 3E 2E 2E 3E E E E E E E s)
度，就可以实现与两个能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造了条件
2E 1E 三能级系统的特点：激光下能态为基态，而作为激光上能态的中间能态在开始抽运时基本上无粒子，故至少要将基态粒子总数之半抽运到激光上能态才可以造成粒子数反转，这就需要强激励。
因此，三能级系统实现激射较费力，它的效率较低。
2E 2、四能级系统
图2中的是基态，泵浦源 1E
34将激活粒子从基态抽运到能级，
4E 4E 能级的寿命很短，立即通过非 辐射跃迁的方式到达能级。
3E 3E 能级的寿命较长，是亚稳态，作激 光上能级用。
能级的寿命很短， 2E 热平衡时基本上是空的，作激光下 能级用。
能级上的粒子主要也是
2E 通过非辐射跃迁回到基态。
这种能级系统也很容易实现粒子数反转。
四能级系统的特点：激光下能态不是基态而是一个受激态，如果它离基态充分远，则在初始时刻基本上没有粒子，故只要从基态抽运较少的粒子到激光上能级就可造成较大的反转粒子数，产生较强的激射作用。
故四能级系统效率较高，容易使它连续运转。
三、跃迁
1、自发辐射
处于高能级的原子自发地向低能级
跃迁，并发出一个频率等于2E 1E 21()E E h /υ=−的光子的过程称为自发辐
射跃迁。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无
规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
这样的光相干性差，方向散乱。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
图3 自发辐射
2、受激辐射
而受激辐射则相反。
处于高能级上的原子在频率为2E 21()E E h /υ=−的辐射场激励作用下，或在频率为21()E E h /υ=−的光子诱发下，向低能级跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子状态（包括频率运动方向，偏振方向，相位等），完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。
它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。
这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。
受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的
1E 图4 受激辐射
光子具有完全相同的状态。
它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。
这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。
这意味着光被加强了，或者说光被放大了。
这正是产
生激光的基本过程。
3、受激吸收
处于低能级上的一个原子在频率等于
1E 21()E E h /υ=−的辐射场作用下，吸收一个光子
后向
高能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁。
2E
图5 受激吸收
参考文献
（1）激光原理与技术，俞宽新，北京工业大学出版社，1998年3月 （2）激光原理，周炳琨，国防工业出版社，2004年8月 （3）激光原理，陈钰清，浙江大学出版社，1992年5月
（4）激光原理基础，王喜山，山东科学技术出版社 1979年12月 （5）激光技术，蓝信钜，科学出版社，2000年8月。
