阅读说明：本技术 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 (Optically pumped two-level gain medium laser without population inversion absorption anisotropy ) 是由 赖天树 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses an optically pumped non-population inversion absorption anisotropy two-level gain medium laser, and the structural principle of the optically pumped non-population inversion absorption anisotropy two-level gain medium laser is shown in an abstract figure. The device consists of three parts, namely a resonant cavity (1, 2), an optical pumping system (3, 5) and a gain medium (4); the key point of the invention is that the two-level gain medium has strong absorption space anisotropy and luminous efficiency, the optical axis of the resonant cavity is consistent with the propagation direction of the weakest absorbed light of the gain medium, so that the oscillation laser has weak absorption loss, and the pumping light irradiates along the propagation direction of the strongest absorbed light of the gain medium to excite enough two-level excitation state population which is not particle number inversion, thereby overcoming weak absorption loss and realizing laser radiation. When the two-level medium has strong linear dichroic absorption anisotropy, the output laser radiation is linearly polarized; when the two-level medium has strong circular dichroic absorption anisotropy, the pump light should use the circular polarization state that gives the strongest absorption, and the output laser radiation is also circular polarized.)

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

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。

方程(2)表明，要实现光传播过程中放大，即dF/dz＞0，必须满足N₂/g₂＞N₁/g₁，或N₂＞N₁(当 g₂＝g₁＝1时)，此即为粒子数反转，因为在热平衡条件下，总是N₂/g₂＜N₁/g₁或N₂＜N₁(当g₂＝g₁＝1 时)。即使强光抽运，也只能到透明状态，不能实现反转。所以说，二能级系统不能产生稳定的激光输出。这一理论论断，导致实验研究者们不再研究二能级激光；所以，至今未见报道二能级激光器的实现。

然而，重新审视上述结论的来源，它来自方程(2)，而方程(2)是在爱因斯坦关系g₂B₂₁＝g₁B₁₂成立条件下从方程(1)导出来的。爱因斯坦关系g₂B₂₁＝g₁B₁₂是基于热平衡条件下电磁辐射与二能级原子或分子直接相互作用而获得的。热平衡电磁辐射是传播各向同性的、能量密度均匀的、偏振各向同性的、宽频谱的。而实际激光器中光辐射是单向传播的、能量密度随传播距离变化的、频谱极窄的，甚至偏振也可能是确定取向的(通常使用布儒斯特窗片或切割固体增益介质端面为布儒斯特角)。所以，激光器中光辐射与热平衡电磁辐射的特性差别甚大。另一方面，与热平衡辐射作用的二能级原子或分子是各向同性随机取向的；而位于固体或者一些液体介质中的二能级原子或分子的取向却是锁定在某一特定方向上的，这也偏离二能级原子或分子是各向同性随机取向条件的。所以，实际的固体激光器中无论是光辐射场或是二能级体系都与热平衡辐射场和二能原子、分子的特性差别甚大。因此，我们有理由怀疑在实际的固体二能级激光腔中，爱因斯坦关系不成立，即g₂B₂₁≠g₁B₁₂；所以，方程(2)不成立。然而，方程(1)仍是成立的。对于固体中二能级原子或分子体系，由于原子、分子的固定取向和晶格场的作用，我们相信完全可能存在受激吸收系数B₁₂丧失热平衡辐射场中的完全对称性，即B₁₂是辐射场的空间传播方向偏振P和频率ν的函数，即若针对特殊方向传播的准单色(ν₀)、特定偏振(P₀)的辐射，满足此时，方程(1) 近似为：

方程(3)表明，只要N₂＞0，即激发态有布居，单向传播的辐射光子流F就能获得放大，不再需要满足粒子数反转条件：N₂＞N₁。

条件可能太苛刻或严格，本发明表明在一个较宽松的条件：下，都可能实现光放大。此时，方程(1)近似为：

dF/dz＝F(B₂₁N₂-B₁₂N₁)≥FB₂₁(N₂-N₁/2) (4)

显然，特定方向传输、特定偏振的准单色光流密度F要获得增益，只要N₂＞N₁/2，而不是N₂＞N₁的粒子数反转条件。换句话说，只要N₂＞N/3(N＝N₁+N₂为二能级原子总粒子数)，或者说有三分之一以上的原子处于激发态2上，通过该二能级体系单向传播的光子流就能获得增益。而N/3 的布居离饱和透明条件N/2，还有相当宽的可调范围，所以在这样的二能级体系中增益可调范围还是相当大的，是完全实际的，具有实用价值的。因而，本发明具有重大应用价值。

事实上，B₁₂的各向异性在现实中实际上已有报道。在一些应力晶体或纳米结构晶体中都有报道吸收各向异性现象，即不同通光方向的吸收系数不同。而吸收依赖偏振更是早有报道，所谓的线二色效应和圆二色效应正是吸收的偏振依赖效应。所以，只要二能级固体介质的受激吸收系数B₁₂的各向异性强到满足条件时，这样的二能级发光介质就适合制作二能级激光器。

然而，一个实际问题是和B₂₁都是一个难于直接实验测量的量，所以，无法实际判断条件：为此，本发明提出一个替代条件：

式中α为二能级介质的吸收系数，是实验可测量。方程(5)要求二能级吸收各向异性激光介质的各向异性吸收系数的最大值要比最小值大至少100倍。它类似于三能级或四能级激光晶体的FOM参数。通常要求三或四能级激光晶体的FOM≥100。

各向异性吸收系数α是实验可测量。使用与二能级共振吸收的窄带准单色、线偏振光，通过1/2波片可以连续旋转线偏振面的偏振方向；通过1/4波片，可以转换线偏振光为左或右旋圆偏振光；将待测的二能级晶体切割成多面体，安装在三维旋转台上。测量晶体对不同通光方向不同偏振态P(线偏振，左、右旋圆偏振)的窄带准单色光的吸收系数测量获得的最大吸收系数为最小吸收系数为如果它们满足方程(5)，则此二能级各向异性晶体适合制作激光器，可实现二能级无粒子数反转激光发射。

附图说明

图1吸收空间各向异性二能级激光器原理图

图2线二向色性吸收空间各向异性二能级激光器原理图

图3圆二向色性吸收空间各向异性二能级激光器原理图

图1中，1为高反射率反射镜，作为激光腔的全反射镜；2为部分透射的反射镜，作为激光器的耦合输出镜；3为抽运光源；4为二能级激光晶体，它具有吸收空间各向异性；它的光轴方向是吸收最弱方向，即激光振荡沿吸收最弱方向，从而有最小的吸收损耗；5为光能收集与定向传输系统，将3发出的能量定向传输给晶体4，激发足够的激发态粒子数N₂，实现受激辐射放大；照射光线的方向沿晶体4的最强吸收方向。6为输出的激光束；Φ是晶体4的最弱吸收方向与最强吸收方向之间的夹角。

图2中，1为高反射率反射镜，作为激光腔的全反射镜；2为部分透射的反射镜，作为激光器的耦合输出镜；3为抽运光源；4为二能级激光晶体，它具有线二向色性吸收空间各向异性，即吸收不仅依赖光的传播方向，而且还依赖光的线偏振方向。它的光轴方向是线二向色性吸收最弱的方向，即激光振荡沿吸收最弱方向，从而有最小的吸收损耗；5为光能收集与定向传输系统，将3发出的能量定向传输给晶体4，激发足够的激发态粒子数N₂，实现受激辐射放大；照射光线的方向沿晶体4的线二向色性吸收最强方向。6为输出的激光束；由于晶体的强线二向色性吸收，输出激光束应该是线偏振的；7为线偏振片，将3发出的光变为线偏振光；它的通光方向可以转动，直到偏振方向与线二向色性吸收最强方向一致。Φ是晶体4的最弱吸收方向与最强吸收方向之间的夹角。

图3中，1为高反射率反射镜，作为激光腔的全反射镜；2为部分透射的反射镜，作为激光器的耦合输出镜；3为抽运光源；4为二能级激光晶体，它具有圆二向色性吸收空间各向异性，即吸收不仅依赖光的传播方向，而且还依赖光的圆偏振旋向(左或右旋)。它的光轴方向是圆二向色性吸收最弱的方向，即激光振荡沿吸收最弱方向，从而有最小的吸收损耗；5为光能收集与定向传输系统，将3发出的能量定向传输给晶体4，激发足够的激发态粒子数N₂，实现受激辐射放大；照射光线的方向沿晶体4的圆二向色性吸收最强方向；6为输出的激光束；由于强的圆二色吸收各向异性，输出激光束是圆偏振的。7为线偏振片，将3发出的光变为线偏振光；8为1/4波片，将入射的线偏振光转换为圆偏振光；它的快慢轴可以自由旋转，获取左或右旋圆偏振光，实现抽运光的最强吸收。Φ是晶体4的最弱吸收方向与最强吸收方向之间的夹角。

具体实施方式

基于上述发明内容，本发明已具体实施如下三个实例，分别产生非偏振、线偏振和圆偏振激光输出。

实例一、吸收空间各向异性二能级激光器

如果一种二能级晶体的吸收各向异性强到满足方程(5)，并且具有强的发光效率。这样的二能级激光晶体就适合做激光器。将此晶体切割成平行四面体或圆柱体，让吸收最弱方向与光轴方向一致。加上谐振腔和抽运光源，光收集系统，组成图1原理图所示的激光器。反射镜1和2组成谐振腔，激光从2耦合输出。4就是切割好的吸收各向异性二能级激光晶体，即增益介质。3是抽运光源，5是光收集与定向传输系统，实现抽运光沿晶体4的最强吸收方向照射激光晶体。所以该激光器是沿最强吸收方向抽运，而沿最弱吸收方向振荡，因而能够有净能量累积，转化为光增益。当3的抽运功率超过激光振荡阈值时，能输出稳定的激光。

实例二、线二向色性吸收空间各向异性二能级激光器

如果一种二能级晶体具有线二向色性吸收各向异性，并且此吸收各向异性强到满足方程 (5)，并且具有强的发光效率。这样的二能级激光晶体就适合做线偏振激光器。将此晶体切割成平行四面体或圆柱体，让吸收最弱方向与光轴方向一致。加上谐振腔和抽运光源，光收集系统，组成图2原理图所示的激光器。反射镜1和2组成谐振腔，激光从2耦合输出。4就是切割好的线二向色性吸收各向异性二能级激光晶体，即增益介质。3是抽运光源，5是光收集与定向传输系统，实现抽运光沿晶体4的最强吸收方向照射激光晶体。转动线偏振片7的方位，使抽运光的吸收达到最大值。所以该激光器是沿最强吸收方向抽运，而沿最弱吸收方向振荡，因而能够有净能量累积，转化为光增益。当3的抽运功率超过激光振荡阈值时，能输出稳定的激光。由于线二向色性吸收，输出激光应该是线偏振的。偏振方向沿线二色吸收最小的偏振方向。

值得注意，本实例中的线偏振片7也可以去掉，反而可能提高抽运光的抽运效率。因为自然光包含两个正交偏振、强度相等的分量。偏振片7就是去掉一个与其偏振通方向正交的分量。然而，去掉的偏振分量虽然吸收弱，但也能部分吸收，从而增强了抽运效率。

实例三、圆二向色性吸收空间各向异性二能级激光器

如果一种二能级晶体具有圆二向色性吸收各向异性，并且此吸收各向异性强到满足方程 (5)，并且具有强的发光效率。这样的二能级激光晶体就适合做产生圆偏振激光的激光器。将此晶体切割成平行四面体或圆柱体，让吸收最弱方向与光轴方向一致。加上谐振腔和抽运光源，光收集系统，组成图3原理图所示的激光器。反射镜1和2组成谐振腔，激光从2耦合输出。4就是切割好的圆二向色性吸收各向异性二能级激光晶体，即增益介质。3是抽运光源，5是光收集与定向传输系统，实现抽运光沿晶体4的最强吸收方向照射激光晶体。固定线偏振片7的方位，转动1/4波片8的快慢轴，产生左或右旋圆偏振抽运光，使抽运光的吸收到达最大值。也可以固定1/4波片8的快慢轴，转动线偏振片7的方位，同样可以获得左或右旋圆偏振光。所以该激光器是沿圆二色吸收最强方向抽运，而沿最弱吸收方向振荡，因而能够有净能量累积，转化为光增益。当3的抽运功率超过激光振荡阈值时，能输出稳定的激光。由于圆二向色性吸收，输出激光应该是圆偏振的。旋向与圆二色吸收最小的旋向一致。