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氦氖激光器是一种常见的气体激光器，其工作原理基于量子力学中的能级跃迁和受激辐射等概念。以下是对其原理的详细揭秘：
能级结构
- 氦原子和氖原子都具有不同的能级结构。氦原子有一些亚稳态能级，这些能级的寿命相对较长，原子处于这些能级上不容易通过自发辐射回到基态。氖原子具有与氦原子亚稳态能级相近的激发态能级，这是氦氖激光器能够实现粒子数反转的重要基础。
泵浦过程
- 通过气体放电的方式，使放电管中的氦气和氖气混合气体被激发。放电过程中，电子与氦原子发生碰撞，将氦原子从基态激发到亚稳态能级。由于氦原子亚稳态能级的寿命较长，使得处于亚稳态的氦原子数量逐渐积累。
能量转移
- 处于亚稳态的氦原子与氖原子发生碰撞，通过共振能量转移的方式，将氦原子的能量传递给氖原子，使氖原子从基态跃迁到较高的激发态能级。由于这种能量转移过程具有较高的效率，使得氖原子在这些激发态能级上的粒子数迅速增加。
粒子数反转
- 在上述过程的持续作用下，氖原子的某些激发态能级上的粒子数超过了低能级上的粒子数，从而实现了粒子数反转分布。这是产生激光的关键条件，只有实现了粒子数反转，才能够产生光的放大。
受激辐射
- 当有一个能量等于氖原子两能级差的光子入射到处于粒子数反转状态的氖原子系统中时，就会引发受激辐射过程。处于激发态的氖原子在入射光子的刺激下，会发射出与入射光子具有相同频率、相同相位、相同偏振方向和相同传播方向的光子。这些光子又会继续去刺激其他处于激发态的氖原子，产生更多的相同光子，从而实现光的放大。
谐振腔作用
- 氦氖激光器通常包含一个光学谐振腔，由两个反射镜组成，一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。谐振腔的作用是使受激辐射产生的光子在腔内来回反射，多次通过增益介质（即实现了粒子数反转的氖气），从而不断得到放大。只有在谐振腔的轴向方向上的光才能形成稳定的振荡，而其他方向的光则会逐渐逸出腔外。**终，从部分反射镜一端输出稳定的激光束。
基于量子力学的氦氖激光器通过对氦氖原子的能级利用、巧妙的泵浦方式以及谐振腔的选模作用，实现了高效稳定的激光输出。
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