前言

為什么（大多數）氦氖（HeNe）激光器發出紅光，氬離子激光器發出綠光和藍光，而二氧化碳（CO?）激光器卻發出紅外光呢？若不借助復雜的數學知識（如量子力學等，這些內容可能會讓你昏昏欲睡），很難在簡短的討論中給出完整答案，但我們仍可概述激光能在特定波長下輸出所需滿足的部分條件。

激光器的波長并非由單一因素決定，而是由其核心物理機制（受激輻射）和具體結構設計共同決定，核心取決于工作物質的能級結構，同時受諧振腔、泵浦方式等因素輔助調控。

激光工作物質

以氦氖激光器中常用的氦氖混合氣體（比例 7:1）為例。當這種混合氣體被電火花激發時，會產生明亮的線狀光譜，其形態與 “氦和氖的明線光譜” 中所示的類似。每條彩色譜線都對應著氦原子或氖原子中特定的能級躍遷（本例中二者譜線相互獨立，混合后的整體光譜會略有不同）。有人可能會認為，光譜中最亮、強度最高的譜線最有可能產生激光作用，但事實并非如此。以氦氖激光器為例：氦原子光譜中的所有譜線都不會直接參與相干光的產生，氦的作用僅僅是激發氖原子，原因在于氦原子的一組高能級與氖原子的能級相匹配，且通過電激發氦原子，再將能量傳遞給氖原子的過程，比直接激發氖原子的效率高得多。即便對于氖原子，其光譜中也只有少數幾條譜線可用于激光產生。事實上，在紅色氦氖激光器中，最終產生 632.8 納米波長輸出的那條關鍵譜線，與其他許多譜線相比，強度其實相當弱。

產生激光的條件

要使激光器產生激光（即 “激光振蕩”），激光諧振腔的往返增益（LRG）初始值必須大于 1。隨后，激光振蕩會逐漸增強，直到非線性效應和有限的泵浦輸入使往返增益降至恰好等于 1。若往返增益初始值小于 1，最多只會在振蕩衰減的過程中發射出微弱的光脈沖,激光能否滿足 “往返增益大于 1” 這一條件，由其自身的基本特性決定，具體包括：

對于目標波長（對應特定光子能量），其一對能級之間必須存在粒子數反轉，這是產生受激輻射的前提條件。

諧振腔的反射鏡必須在目標波長下具有高反射率，且需精確對準、曲率（或平面度）符合要求，以形成穩定的諧振腔，確保腔內能夠建立起激光振蕩。

對于連續波（CW）激光器，泵浦輸入的能量必須大于激光產生過程中消耗的能量，同時中間能級不得出現 “堵塞”（即粒子無法正常躍遷）的情況。

可用于選擇激光波長的激光器物理特性

激光工作物質的成分：以氦氖激光器為例，混合氣體的實際配比和氣壓會在一定程度上影響譜線的相對強度。顯然，完全不同的混合氣體組合會產生截然不同的可能激光波長，甚至可能無法產生激光。

反射鏡涂層：激光器中使用的介質反射鏡僅在窄波長范圍內具有最佳反射效果，這一特性可在鍍膜制造過程中進行高精度控制。事實上，這可能是選擇 “其他顏色” 氦氖激光器（非紅色）輸出顏色的最重要參數。除常見的紅色氦氖激光器外，還存在黃色、橙色和綠色的型號（以及輸出紅外波長的型號），這些激光器管內的放電現象與紅色氦氖激光器完全相同，差異僅在于反射鏡的涂層。

腔內棱鏡或光柵：由于棱鏡或光柵會使不同顏色的光發生不同角度的衍射，因此可通過設置這類元件，使反射鏡僅在單一波長下精確對準，從而在多種可能的輸出顏色中選擇一種。這種選擇方式通常是可調節的。氬離子激光器和氪離子激光器的高反射端（HR 端，非輸出端）通常會配備譜線選擇棱鏡。

不同位置的磁鐵：尤其對于氣體激光器，可利用磁鐵通過 "塞曼分裂" 效應改變不同能級躍遷的相對強度。例如在長腔氦氖激光器中，可利用磁鐵抑制紅外譜線，從而優先輸出可見光。

有些激光器（最典型的是氬離子、氪離子激光器以及混合氣體 "白光" 離子激光器）能夠實現多譜線輸出，即同時輸出多種不同波長的激光。對于這類激光器，其往返增益需在所有目標波長下均大于1。這意味著，除其他條件外，反射鏡的涂層需在所有目標波長范圍內均具有高反射率，且激發過程需能維持所有對應能級躍遷的粒子數反轉，同時避免某一強譜線的增益過高而壓制其他譜線。

影響激光波長的因素有哪些？

以下因素會影響激光的波長：激光以多種激光介質為基礎，如氣體、固體、半導體或摻雜光纖。每種激光介質都具有獨特的特性，這些特性會影響其可能的發射波長。

增益介質是激光系統內發生受激輻射的活性物質。增益介質的特性（如能級、電子躍遷和帶隙）決定了可被放大的波長范圍。

泵浦源的作用是為增益介質提供初始能量，以啟動激光產生過程。泵浦源的波長會影響增益介質的激發狀態和能級，進而對發射波長產生影響。

部分激光器配備了調諧機制，可對輸出波長進行調節，從而在特定范圍內改變發射波長。

激光諧振腔的設計（包括反射鏡及其他光學元件）會通過改變共振模式和相長干涉條件，對波長的選擇產生影響。

非線性光學效應（如倍頻、和頻或差頻產生以及參量過程）可能會產生諧波，或生成激光介質無法直接產生的新波長。

溫度、壓力等因素也會影響激光波長，這在氣體激光器中尤為明顯。增益介質受到的熱效應可能導致發射波長發生偏移。

總結

總結：波長的 “決定邏輯鏈”

根本：工作物質的能級差決定激光的 “基礎波長范圍”（如 Nd:YAG 必然圍繞 1064 nm，CO?必然圍繞 10.6 μm）；

篩選：光學諧振腔從工作物質的多個可能波長中，篩選出滿足諧振條件的 “單一目標波長”；

保障：激勵與外部條件確保工作物質能有效實現目標能級躍遷，穩定輸出篩選后的波長。

簡言之，“工作物質定范圍，諧振腔定具體值，激勵條件保輸出”，共同決定了激光器最終的輸出波長。

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