1、自發(fā)輻射與受激輻射

　　自發(fā)輻射是在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)輻射出一光子。hn=E2-E1。

　　設(shè)發(fā)光物質(zhì)單位體積中處于能級(jí)E1，E2的原子數(shù)分別為N1，N2，則單位時(shí)間內(nèi)從E2向E1自發(fā)輻射的原子數(shù)為

　　A21為自發(fā)輻射概率(自發(fā)躍遷率)：表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到E1的概率。

　　處于高能級(jí)E2上的原子，受到能量為hn= E2- E1的外來光子的激勵(lì)，由高能級(jí)E2受迫躍遷到低能級(jí)E1，同時(shí)輻射出一個(gè)與激勵(lì)光子全同的光子。稱為受激輻射。

　　W21為表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)從E2受激輻射躍遷到E1的概率。

　　2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

　　受激吸收與E1的原子數(shù)N1成正比，受激輻射與E2的原子數(shù)N2成正比。當(dāng)N2《N1時(shí)發(fā)生受激輻射遠(yuǎn)少于發(fā)生受激吸收，是不可能實(shí)現(xiàn)光放大的.要實(shí)現(xiàn)光放大，必須采取特殊措施，打破原子數(shù)在熱平衡下的玻耳茲曼分布，使N2>N1。我們稱體系的這種狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (或“負(fù)溫度”體系)。所以，產(chǎn)生激光的首要條件是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

　　能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)。要造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，首先要求介質(zhì)有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)，其次還要有必要的能量輸入系統(tǒng)。供給低能態(tài)的原子以能量，促使它們躍遷到高能態(tài)去的過程稱為抽運(yùn)過程。

　　3、光學(xué)諧振腔

　　在激光器中利用光學(xué)諧振腔來形成所要求的強(qiáng)輻射場(chǎng)，使輻射場(chǎng)能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱平衡時(shí)的數(shù)值，從而使受激輻射概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射概率。

　　光學(xué)諧振腔的主要部分是兩個(gè)互相平行的并與激活介質(zhì)軸線垂直的反射鏡，有一個(gè)是全反射鏡，另一個(gè)是部分反射鏡。在外界通過光、熱、電、化學(xué)或核能等各種方式的激勵(lì)下，諧振腔內(nèi)的激活介質(zhì)將會(huì)在兩個(gè)能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)產(chǎn)生受激輻射，在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射、往復(fù)通過已實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進(jìn)的該頻率的光得到放大，這個(gè)過程稱為光振蕩。這是一種雪崩式的放大過程，使諧振腔內(nèi)沿軸向的光驟然增強(qiáng)，所以輻射場(chǎng)能量密度大大增強(qiáng)，受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自發(fā)輻射.這種受激的輻射光從部分反射鏡輸出，它就是激光。沿其他方向傳播的光很快從側(cè)面逸出諧振腔，不能被繼續(xù)放大。而自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率也得不到放大。因此，從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。

　　結(jié)論

　　理論上講，只要工作物質(zhì)足夠長(zhǎng)，則不管初始自發(fā)輻射有多弱，最終總可以被放大到一定強(qiáng)度。但在實(shí)際激光器中，一般來說，工作物質(zhì)既沒有必要，也沒有可能特別長(zhǎng)(最近發(fā)展起來的以光纖為工作物質(zhì)的激光器是一個(gè)例外)，通常的做法是在其兩端各放一塊反射鏡，使光得以來回反射多次通過工作物質(zhì)并被不斷放大，為充分利用光能，介質(zhì)往往被置于一聚光腔體中，后者與端面反射鏡共同構(gòu)成激光諧振腔。

　　由以上的討論可以看出，激光作為一種光，與自然界其他發(fā)光一樣，是由原子(或分子、離子等)躍遷產(chǎn)生的，而且是由自發(fā)輻射引起的。不同的是，普通光源自始至終都是由自發(fā)輻射產(chǎn)生的，因而含有不同頻率(或不同波長(zhǎng)、不同顏色)的成分，并向各個(gè)方向傳播。激光則僅在最初極短的時(shí)間內(nèi)依賴于自發(fā)輻射，此后的過程完全由受激輻射決定。正是這一原因，使激光具有非常純正的顏色，幾乎無發(fā)散的方向性，極高的發(fā)光強(qiáng)度。而正是這些神奇的特性，使激光在各個(gè)領(lǐng)域具有一系列令人難以置信而又不得不相信的應(yīng)用。