[发明专利]光抽运的无粒子数反转吸收各向异性二能级增益介质激光器

说明书

发明了一种光抽运的无粒子数反转吸收各向异性二能级增益介质激光器，其结构原理如摘要附图所示。由谐振腔(1，2)，光抽运系统(3，5)和增益介质(4)三部分组成；此发明的关键在于二能级增益介质具有强的吸收空间各向异性和发光效率，谐振腔的光轴与增益介质的最弱吸收光的传播方向一致，因而振荡激光具有弱的吸收损耗，而抽运光沿增益介质的最强吸收光的传播方向照射，激发足够的、但非粒子数反转的二能级激发态布居，克服弱的吸收损耗，实现激光辐射。当二能级介质具有强的线二向色性吸收各向异性时，输出激光辐射是线偏振的；当二能级介质具有强的圆二向色性吸收各向异性时，抽运光应该使用使吸收最强的圆偏振态，输出激光辐射也是圆偏振的。

技术领域

本发明涉及一种新型二能级无粒子数反转激光发射器，属于激光技术领域。其特点是利用具有吸收空间各向异性和二向色性吸收空间各向异性的二能级结构晶体，在无粒子数反转情况下实现激光发射。此发明开辟了二能级激光器新领域，将极大地促进激光技术发展，丰富激光器的种类和直接产生激光的波长，因为二能级介质远比三或四能级介质丰富。

背景技术

现在激光技术基于爱因斯坦提出的受激辐射概念而发展起来，通过实现受激辐射相干放大而获得激光。至今已实现了各种类型的气体、液体和固体激光器。固体激光器又衍生出半导体激光器和光纤激光器。激光应用不仅深入了我们日常生活，而且应用于上天入地、下海大工程，甚至激光强场能够操控原子核聚变，正在发展激光受控核聚变。然而，目前发展的所有激光器，无论形态如何，它们的增益介质都至少是三能级结构，大多数是四能级结构，因为目前的激光物理理论认为，要实现受激辐射放大，必须实现粒子数反转，换句话说，粒子数反转是实现激光辐射的必要条件。二能级结构介质是难以产生粒子数反转的，所以，二能级结构介质不能产生激光。因此，激光发展已近60年，至今未见报道稳定输出激光的二能级结构激光器。尽管有少量文献报道二能级激射研究，但都是集中研究如何使用特殊的抽运手段实现二能级中的粒子数反转，或者是报道观察到二能级共振激射谱成分，从未见报道非相干白光连续抽运下的二能级体系的稳定激光发射。本发明正是要突破现有激光原理理论认知的限制：粒子数反转必要条件，发明无粒子数反转二能级激光器。

发明内容

翻开激光原理教科书，可以发现描述光束在二能级介质中传播距离dz时，光束的光子流密度F的变化量满足如下方程，

dF＝(W₂₁N₂-W₁₂N₁)dz＝F(B₂₁N₂-B₁₂N₁)dz (1)

式中W₂₁，B₂₁和N₂分别是二能级结构中高能级2的受激发射速率，爱因斯坦受激发射系数和布居粒子数，而W₁₂，B₁₂和N₁分别是二能级结构中低能级1的受激吸收速率，爱因斯坦受激吸收系数和布居粒子数。

爱因斯坦认为，g₂B₂₁＝g₁B₁₂；代如上式得：

dF＝Fg₂B₂₁(N₂/g₂-N₁/g₁)dz (2)

式中g₁和g₂分别为二能级结构中低能级1和高能级2的简并度。