(3)自由空間鐳射通訊主要應用於太空領域的一項通訊技術,採用的光波波長短,能量高,組成上同大氣通訊的系統差不多,但是在太空中充斥著複雜的電磁波,因此,需要提升接收機的靈敏度,高靈敏度的抗干擾光訊號接受技術,高增益的收發天線,來幫助提升資訊傳
工作介質:實現粒子數反轉併產生光的受激輻射放大作用的物質體系
(相對論有質動力推導可以參看《Short Pulse Laser Interactions with Matter》by Paul Gibbon)考慮均勻等離子體對高頻場的響應,其高頻場為時空函式,其中
因為不斷激發放大的光(鐳射)都是頭一個自發幅射光子引起的“受激幅射“,既然是受激引起的,就是和激起這一過程的頭一個光子相關,同頻,同偏,同向,固定相位差
受激輻射和自發輻射(自發躍遷,也就是物質自己會往低能量的狀態跑,那樣更穩定)是一個競爭關係,自發躍遷相對受激輻射越小,越容易產生鐳射
因為原子總會受到外界環境(溫度、電、磁)的影響,高能級電子不穩定,會自發躍遷到低能級,其效果可能被吸收,也可能產生特別的激勵作用而出現“自發輻射”
鐳射的產生,首先是一個受激輻射的過程,然後,要能夠輸出,以及輸出足夠的功率,這樣的鐳射才是有用的鐳射,所以透過泵浦過程,使工作物質中的關鍵能級,達到粒子數反轉的一個狀態,然後再透過諧振腔,形成光學振盪,為實現有效振盪,光在腔內的每次傳播中,
鐳射器的型別在光源中,實現能級粒子數反轉是實現光放大的前提,也就是產生鐳射的先決條件
由於GSD是將粒子激發到高能自發輻射級,與STED強制讓粒子做受激輻射而不是自發輻射相比,其所需能量可能會小很多
如下圖所示:平行平面鏡透過在兩個鏡子之間的來回反射和放大,只有沿著諧振腔軸線往返多次放大的光才可以出射,偏離軸線的光經過反射鏡的數次反射會側向逸出增益介質,就這樣,光學諧振腔就保證了輸出的鐳射既有很高的強度,又有很好的方向性,即不發散
愛因斯坦指出:光與物質的三種作用形式:(1) 自發輻射由於處於高能級的電子是不穩定的,未收到外界激發,自發的躍遷到低能級,根據能量守恆原理,此時發射一個光子,其能量E2-E1=hf21其中,h是普朗克常數,h21是從E2能級躍遷到E1能級,
原來的粒子損失了能量,從高能變化為低能,而變化的能量會產生一個與路過光子完全相同的光子,這個過程稱為受激輻射
因此,一個鐳射器要想發光,這個物質必須要處於粒子數的反轉分佈狀態,這時候,外來光子激發時,才有可能使得受激輻射的過程大於受激吸收的過程,才會出現光的放大
若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1,在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程