氦氖激光器是一種常見的氣體激光器，其工作原理基于量子力學(xué)中的能級躍遷和受激輻射等概念。以下是對其原理的詳細(xì)揭秘：

能級結(jié)構(gòu)

- 氦原子和氖原子都具有不同的能級結(jié)構(gòu)。氦原子有一些亞穩(wěn)態(tài)能級，這些能級的壽命相對較長，原子處于這些能級上不容易通過自發(fā)輻射回到基態(tài)。氖原子具有與氦原子亞穩(wěn)態(tài)能級相近的激發(fā)態(tài)能級，這是氦氖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)。

泵浦過程

- 通過氣體放電的方式，使放電管中的氦氣和氖氣混合氣體被激發(fā)。放電過程中，電子與氦原子發(fā)生碰撞，將氦原子從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)能級。由于氦原子亞穩(wěn)態(tài)能級的壽命較長，使得處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子數(shù)量逐漸積累。

能量轉(zhuǎn)移

- 處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子與氖原子發(fā)生碰撞，通過共振能量轉(zhuǎn)移的方式，將氦原子的能量傳遞給氖原子，使氖原子從基態(tài)躍遷到較高的激發(fā)態(tài)能級。由于這種能量轉(zhuǎn)移過程具有較高的效率，使得氖原子在這些激發(fā)態(tài)能級上的粒子數(shù)迅速增加。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

- 在上述過程的持續(xù)作用下，氖原子的某些激發(fā)態(tài)能級上的粒子數(shù)超過了低能級上的粒子數(shù)，從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵條件，只有實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，才能夠產(chǎn)生光的放大。

受激輻射

- 當(dāng)有一個能量等于氖原子兩能級差的光子入射到處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的氖原子系統(tǒng)中時，就會引發(fā)受激輻射過程。處于激發(fā)態(tài)的氖原子在入射光子的刺激下，會發(fā)射出與入射光子具有相同頻率、相同相位、相同偏振方向和相同傳播方向的光子。這些光子又會繼續(xù)去刺激其他處于激發(fā)態(tài)的氖原子，產(chǎn)生更多的相同光子，從而實現(xiàn)光的放大。

諧振腔作用

- 氦氖激光器通常包含一個光學(xué)諧振腔，由兩個反射鏡組成，一個是全反射鏡，另一個是部分反射鏡。諧振腔的作用是使受激輻射產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)來回反射，多次通過增益介質(zhì)（即實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的氖氣），從而不斷得到放大。只有在諧振腔的軸向方向上的光才能形成穩(wěn)定的振蕩，而其他方向的光則會逐漸逸出腔外。**終，從部分反射鏡一端輸出穩(wěn)定的激光束。

基于量子力學(xué)的氦氖激光器通過對氦氖原子的能級利用、巧妙的泵浦方式以及諧振腔的選模作用，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的激光輸出。

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