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激光机理的能量激发和谐振放大与激光种类的介绍
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形成“激光”，先完成两个重要步骤
「激光（Laser）」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写，意思是「利用激励放射来增加光的强度」，所谓的「激励放射」其实就是完成两个重要的步骤，第一个是「能量激发（Pumping）」，第二个是「共振放大（Resonance）」：
能量激发（Pumping）
固体激光（大多使用光激发光）属于「原子发光」，前面曾经介绍过原子发光的原理为，外加能量（光能或电能）激发掺杂原子的电子由内层能级跳到外层能级，当电子由外层能级跳回内层能级时，将能量以光能的型式释放出来，如图二（a）所示。半导体激光（大多使用电激发光）则是属于「半导体发光」，前面曾经介绍过半导体发光的原理为：外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的型式释放出来，如图二（b）所示。
要发出激光，受激辐射是最基本的条件，如图二（c）所示，能量激发有「光激发光（PL）」或「电激发光（EL）」二种方式，不论使用那一种方式都可以产生激光，光激发光（PL）是外加光能使电子跳跃；电激发光（EL）则是外加电能使电子跳跃，将在后面详细介绍。
图二 能量激发的原理
谐振放大（Resonance）
在发光区外加一对「谐振腔（Cavity）」，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，如图三所示，使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大。
光激发光（PL：Photoluminescence）？我们以「钛蓝宝石激光（Ti Sapphire laser）」为例，先在蓝宝石内掺杂钛原子得到钛蓝宝石晶体，在晶体四周放置许多高亮度的光源（发出某一种波长的光）对着晶体照射，当晶体吸收光能产生「能量激发（Pumping）」，则会发出另外一种波长（颜色）的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大（Resonance）」，由于右方的反射镜设计可以穿透5％的光，所以高能量的激光就会由右方穿透射出，如图三（a）所示。
电激发光（EL：Electroluminescence）我们以「砷化镓激光二极管（GaAs laser diode）」为例，先在砷化镓激光二极管芯片（大约只有一粒砂子的大小）上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生「能量激发（Pumping）」，则会发出某一种波长（颜色）的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射产生「谐振放大（Resonance）」，由于右方的反射镜设计可以穿透5％的光，所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出，如图三（b）所示。
图三 激光产生的原理
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李岩章
2017-10-07
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