1.1激光器的选择

激光器的种类已经十分繁多，如1960年诞生的第一台红宝石激光器，氦氖激光器，砷化镓半导体激光器，染料激光器，以及自由电子激光器等。最近几年，激光器更是日新月异。例如，自相似脉冲激光器，最近在实验室内取得成功，其大功率，良好的激光输出线形，让激光器的各项性能达到了新的高度。

本文模拟仿真使用的模型是最原始的红宝石激光器。它所采用的三能级系统是激光形成原理中最基础也是最具有代表性的模型。而且红宝石激光器有着大量的实验资料和数据可以使用，便于仿真模拟和仿真结果的验证。

2激光形成过程的理论基础

2.1激光的基本原理

激光是受激辐射光，是原子在受到外界激励的条件下，原子态由高向低跃迁而产生的光。但是，并不是所有的由高能级向低能级跃迁的原子都能发出激光。比如说对于本文研究的红宝石激光器，它产生的激光主要是第二能级向第一能级跃迁产生的。而第三能级的原子处于不稳定的状态，大部分都会发生无辐射跃迁达到第二能级。基态的原子很容易就被泵浦抽运至第三能级。在受到激励的时候，大量第二能级的电子就会向第一能级进行跃迁，发生受激辐射，产生激光。

2.2激光的产生条件

然而并不是只要具有一定的能级系统就可以产生激光。激光产生的很重要的两个条件是实现粒子数反转和增益大于损耗。

红宝石激光器中，工作物质为红宝石中的Cr+3（而且浓度要达到1022/cm3）。其在脉冲氙灯泵浦作用下，吸收能量，从基态跃迁到E2、E3甚至是E4能级上。但是E3和E4都是不稳定的态，粒子在此能级上的寿命只有10-9s，很快就会跃迁至亚稳态E2，并且是无辐射跃迁。E2上的粒子数越来越多，最后形成粒子数反转。可以看出，只要E2上的寿命远大于E3和E4上的寿命，加大抽运速率就可能实现粒子数的反转。文献综述

一定频率的光反复经过粒子数反转的物体后，此频率的光就会激发E2能级的原子向E1能级跃迁，产生此频率的光的放大。当放大的增益大于光在传播过程中的损耗时，就会在短时间内产生大量的该频率的光，从而使得激光器产生激光。

2.3激光的速率方程

绝大多数的激光器都是三能级系统或者是四能级系统。红宝石激光器属于三能级系统，但大多数激光器属于四能级系统。

图1 激光器能级系统示意图

下面以四能级为例，进行激光速率方程的推导。三能级系统也可以套用四能级的速率方程进行研究。

图2为简化后的四能级图

图2简化后的激光器四能级图

设粒子能级分别为E0、E1、E2，粒子数密度分别为n0、n1、n2，n为单位体内增益介质的总粒子数，在谐振腔中传播的单色光能密度为 ，设E0抽运到E2的速率为R2。因为介质的线型函数远比传播着的光能密度为 的单色受激辐射光的线宽要宽，所以

               （1）

同理

          （2）

如果能够知道工作物质的总粒子数，就可以求得n0的值

          (3)

一般情况下，在系数已知，初始状态已知时，就可以求出各能级粒子数乃至光子数密度。可以利用此原理，对激光产生的过程进行研究。

2.4激光形成的过程来~自^吹冰论+文.网www.chuibin.com/

2.4.1泵浦

在上述过程中，提及了工作物质由低能级向高能级抽运的过程，这个过程就是泵浦过程，也是一般研究激光形成过程的第一阶段。