2.3.4 光的自激振荡

根据前面的分析，受激辐射除了与受激吸收过程相矛盾外，还与自发辐射过程相矛盾。处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态，在这两种过程中，自发辐射是主要的。可见，即使介质已实现粒子数反转，也未必就能实现以受激辐射为主的辐射。要解决受激辐射与自发辐射的矛盾，使受激辐射占绝对优势，还需要利用光学谐振腔来实现光的自激振荡，即激光振荡。

1.光学谐振腔

要使n2个激发态的原子以受激辐射为主产生跃迁，则要B21ρν＞A21。在一台激光器中，我们希望加上泵浦源之后就能输出激光，在产生激光的初始时刻，并不另外输入激励光子，引起受激辐射最初的激励光子应来自自发辐射。

那么，方向性和单色性都很好的激光是如何产生的呢？设想有一粒子数反转的介质，其长度远远大于横向尺寸。起始时介质以自发辐射为主，而且凡是偏离轴向l的自发辐射光子很快地逸出介质。而沿着轴向传播的自发辐射光子会不断地引起受激辐射而得到加强，使相应的光场单色能量密度ρν不断增大。如果增益介质足够长，就有可能使ρν满足B21ρν＞A21，从而获得以受激辐射为主的输出。这一过程如图2-11所示。

通常激光器并不需要采用一个很长的工作物质，而是利用光学谐振腔来解决这个问题。在工作介质的两头放置两块相互平行并与工作物质的轴线垂直的反射镜，这两块反射镜与工作介质一起，就构成一个光学谐振腔。

沿轴向传播的光束可以在两个反射镜之间来回反射，被连锁式地放大，最后形成稳定的激光束，这一过程就是光的自激振荡，如图2-12所示。两个反射镜之一的反射率是100%，另一个是部分反射镜，激光从部分反射镜输出。

反射镜可根据需要选择凹面镜、凸面镜、平面镜等，几种组合可构成各种各样的光学谐振腔。光学谐振腔对激光的形成及光束特性有多方面的影响，是激光器中最重要的部件之一。

2.振荡条件

有了能实现粒子数反转的工作物质和光学谐振腔，还不一定能引起自激振荡而产生激光。因为工作物质在光学谐振腔内虽然能够引起光放大，但谐振腔内还存在着使光子减少的相反过程，称为损耗。损耗有多种原因，如反射镜的透射、吸收和衍射，工作物质不均匀所造成的折射或散射等。显然，只有当光在谐振腔内来回一次所得到的增益大于同一过程中的损耗时，才能维持光振荡。也就是说，要产生激光振荡，必须满足一定的条件，这个条件是激光器实现自激振荡所需要的最低条件，又称阈值条件。

下面推导这个条件。

光通过激活介质时受到的放大作用的大小通常用增益（放大）系数G来描述。设在光传播方向上z处的光强为I（z），则增益系数定义为

即G（z）表示光通过单位距离激活物质后光强增长的百分数。在光强I很小时，增益系数近似为常数，记为G0，称为小信号增益系数。

光放大的同时，还存在着光的损耗，用损耗系数α来描述，α定义为

即光通过单位距离后光强衰减的百分数。

同时考虑增益和损耗，则

起初，激光器中光强按小信号放大规律增长，设初始光强为I0

要形成光放大，需满足

即

这就是激光器的振荡条件（阈值条件）。

综上所述，激光的产生需满足三个条件：

（1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。

（2）有外界激励源，使激光上、下能级之间产生集居数反转。

（3）有激光谐振腔，并且使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。

概括地说，集居数反转和光学谐振腔是形成激光的两个基本条件。由激励源的激发在工作物质能级间实现集居数反转是形成激光的内在依据；光学谐振腔则是形成激光的外部条件。前者是起决定性作用的，但在一定条件下，后者对激光的形成和激光束的特性也有着强烈的影响。