第1章激光的产生
20世纪60年代以来，人们一直在寻找一种强的相干光源。1958年，物理学家A．L．Schawlow和C．H．Townes首次提出可以将MASER（MicrowaveAmplifica—tionforStimulatedEmissionofRadiation，受激辐射微波放大器）原理从微波段延伸到光谱段，并给出了理论证明，几乎同时A．M．Prokhorov也提出研制光波波段的MASER建议。1960年，T．H．Mamain成功研制出了世界第一台光波MASER（LightAmplificationforStimulatedEmissionofRadiation，受激辐射光波放大器，缩写成Laser）——红宝石激光器。1964年，钱学森建议将用于光波段的MASER命名为“激光”。
激光的产生是光与物质相互作用的结果。本章从光与物质相互作用的几个过程出发，叙述激光产生的基本原理。本章讨论的重点是自然光的自发辐射与激光的受激辐射、光放大和振荡的基本概念以及激光器的基本构成。
1．1光与物质相互作用的几个过程
由原子物理学可知，原子可以处于不同的运动状态，且具有不同的内部能量，这些能量在数值上是分立的。若原子处于内部能量最低的状态，则称此原子处于基态10其他比基态能量高的状态，都叫激发态。在热平衡情况下，绝大多数原子都处于基态。处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能量较高的激发态。
普朗克于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，波尔于1913年提出原子中电子运动状态量子化假设，在两者的基础上，爱因斯坦从光量子的概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，并在推导中提出了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。他采用的光和物质相互作用的模型，只考虑原子的两个能级。如图1—1所示的能级E1和E2，单位体积内处于两能级的原子数（原子数密度）分别用n1和n2表示原子从能级E2向能级E1跃迁，辐射出光子hv，由低能级向高能级跃迁，吸收光子hv。辐射光子的过程，分为自发辐射和受激辐射。
1．1．1自发辐射
当原子被激发到高能级时，它在高能级上是不稳定的，总是力图使自己处于低的能量状态E1，如图1—1所示。
处于高能级的原子，即使在没有任何外界作用的情况下，也有可能从高能级E2跃迁到低能级E1，并把相应的能量释放出来。这种在没有外界作用的情况下，原子从高能级向低能级的跃迁方式有两种：一种跃迁过程中释放的能量以热量的形式放出，称为无辐射跃迁。另一种跃迁过程所释放的能量是通过光辐射形式放出，称为自发辐射跃迁。辐射出的光子能量hv21满足玻尔条件E2—E1=hv21。假定，参与自发辐射的原子数dn21，原子通过激发若在时刻t，处于高能级E2上的原子数密度为n2，从时间t到t+dt时间，即在dt时间间隔内，若在单位体积中有dn21个原子从高能级E2自发跃迁低能级E1上去，则显然dn21应与n2成正比，也与dt成正比，即dn21=A21n2dt（1—1）式中：A21为原子从高能级跃迁到低能级的自发辐射爱因斯坦系数。
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