倒置顯微鏡--激光產生原理

（一）倒置顯微鏡--原子發光機制

電子是構成物質的基本單位，了解原子的發光機制就理解了激光發生的過程。

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，不發射光子，只有當電子從一個能量較大的狀態躍遷到另一個能量較小的狀態時，電子的總能量才發生變化，能量的改變以光子的形式輻射出來。反之．當電子從—個能量較小的狀態躍遷到另一個能量較大的狀態時，需要吸收能量。

原子、分子或離子都可能具有多種狀態，每一種狀態都具有特定的能量。在許多可能的狀態中，總有一個狀態的能量zui低，這個狀態稱為基態。其他狀態具有比基態高的能量．稱為激發態。

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

（二）倒置顯微鏡--光的吸收與發射

在激光發生過程中，會出現受激吸收、白發輻射和受激輻射的物理現象。

1．受激吸收。處于基態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，并且從基態激發到激發態，這種能量狀態提高的過程稱為受激吸收。

2．自發輻射。在不受外界的影響時，處在激發態的原子會自發地返回到基態并且放出光子，此過程稱為自發輻射。各個原子發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，一般的光源發光部屬于自發輻射。

3．受激輻射。在外來光子或者外來磁場的影響下，處于激發態的原子從高能態向低能態躍遷，并且把2個能態之間的能量差以輻射光子的形式釋放出去，這個過程稱為白發輻射。受激輻射發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，處于低能態的粒子數多于高能態的粒子數，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，使高能態的粒子數多于低能態的粒子數，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激發到高能態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粒子數反轉。只有具備三能級系統和四能級系統的激光工作物質才可能實現粒子數反轉。

（四）倒置顯微鏡--激光發射的條件

實現激光輸出，除了具備合適的工作物質和穩定的光學諧振腔，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。

白發輻射光子不斷產生，同時射向工作物質，再激發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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