激光产生的原理

        美国于1960年成功研制出世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年成功研制出第一台国产红宝石激光器（诞生于中国科学院长春光学精密机械研究所），激光技术被认为是第二个20世纪，继量子物理、无线电技术、原子能技术、半导体技术之后。继计算机技术之后的又一重大新科技成果。

        曾经我们家里有CD或DVD播放机，里面就有激光器，现在可能很少用这个东西了。不过办公室里有激光打印机，商场里有条码扫描仪。并且人们使用激光治疗近视，通过光纤网络发送电子邮件和浏览视频。每个人每天都在使用激光，但是并没有多少人真正了解激光是什么以及它是如何工作的？

        激光是一种自然界中不存在的光，因激发而发射。具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点。

        激光的产生机理可以追溯到1917年爱因斯坦在解释黑体辐射定律时提出的假设，即光的吸收和发射可以经过受激吸收、受激辐射和自发发射三个基本过程。众所周知，任何一种光源的发光都与物质中粒子的运动状态有关。

        激光通过刺激电子发射特定波长的光来工作，或称为“激光”。为了使电子发光，它们必须首先吸收能量以将电子提升到更高的轨道，然后在返回到原来的轨道时以光子的形式释放该能量。这些能源被称为“泵”。

        当处于低能级的粒子（原子、分子或离子）以适当的频率吸收外部能量（光）的时候，会被激发跃迁到相应的高能级时，它总是试图跃迁到较低的能级并以光子的形式释放多余的能量。如果光在没有外部光子作用的情况下自发释放（自发发射），则释放的光是普通光（如电灯、霓虹灯等），其特点是光的频率、方向和速度不一致。

        但是如果是在外部光子的直接作用下，从高能级向低能级跃迁过程中，多余的能量以光子（受激辐射）的形式释放出来，那么释放的光子与外部入射光子完全一致。从频率、相位和传播方向角度看，这意味着外部光得到了加强，这称为光放大。

        激光的产生需要满足三个条件：粒子数反转、腔反馈和满足阈值条件。通过受激吸收，高能级的粒子数比低能级的粒子多（粒子数反转）。还需要在有源区的两端制作能够反射光子的平行反射面，以形成谐振腔，并使增益大于损耗，即同时新产生的光子数量大于散射吸收的光子数量。只有满足这三个条件，才能产生激光。

激光的特点

        激光被称为神奇的光，因为它具有普通光根本不具备的几个特性。

        普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向各个方向发光，而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度的立体角，使照射方向的照度提高了十倍激光的扩散直径每200公里不到1米，如果达到距离地球3.8×月球105公里时，光束扩散不到2公里，而普通探照灯扩散几十米数千米之外。

1、方向性好

        激光准直、制导和测距利用了方向性好的特点。激光是现代最亮的光源。只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光才能与之相比。高功率激光的输出亮度可比太阳光高7～14个数量级。

2、高亮度

        虽然激光的总能量不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在微点处产生数万摄氏度甚至数百万摄氏度的高压和高温。实际应用如激光钻孔、切割、焊接和激光手术都利用了这一特性。

        光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常含有各种波长，是各种颜色的混合体。太阳光包括红、黄、绿七种颜色的可见光、绿色、蓝色和紫色，以及红外光和紫外光等不可见光。

3、单色性好

        激光的波长仅集中在很窄的光谱带或频率范围内。例如氦氖激光的波长为632.8 nm，其波长变化范围小于万分之一。激光良好的单色性提供了是精密仪器测量和刺激化学反应等一些科学实验的非常有利的手段。

光源类型

        在光源中，实现能级粒子数反转是光放大的前提，也就是产生激光的前提。要实现粒子数反转，需要利用外部光的功率，使大低能级的粒子数量跳跃到高能级。这个过程称为“激发”。

        我们通常所说的激光器是一种激发光源中的粒子产生受激辐射跃迁，实现粒子数的反转，然后通过受激辐射产生光放大的装置。激光器的种类虽然有很多种，但它们的使命都是通过激发和受激辐射获得激光。因此，激光器通常由三部分组成：激发介质（即受激发后能产生粒子数反转的工质材料）、激发装置（即能使粒子数反转的能量）激活介质（泵浦源）的数反转和光学谐振腔（即可以使光束反复振荡并多次放大的两个平面镜）。

         由于我们可以通过多种不同的方式激发多种不同类型的原子，因此我们（理论上）可以制造多种不同类型的激光器。

        激光器的种类很多，其中最著名的有固体、气体、液体染料、半导体和光纤激光器。固体激光介质类似于红宝石棒或其他固体结晶材料，缠绕在其上的闪光管进行泵浦为了有效地工作，固体必须进行掺杂，这是用杂质离子取代一些原子以获得适当的能级以产生具有一定精确频率的激光的过程。固态激光器产生高功率光束，通常脉冲很短。相比之下，气体激光器使用惰性气体（所谓的准分子激光器）或二氧化碳（CO2）作为介质，产生连续的强光。CO2激光器功能强大，效率高。常用于工业切割和焊接。液体染料激光器使用有机染料分子的溶液作为介质。主要优点是它们可以用来产生比固态和气体激光器更宽的光学频带，甚至可以“调谐”以产生不同的频率。

        按波长分，覆盖的波长范围包括远红外线、红外线、可见光、紫外线和远紫外线。

        根据激发方式不同，有光激发（光源或紫外激发）、气体放电激发、化学反应激发、核反应激发等；

        根据输出方式不同，有连续、单脉冲、连续脉冲和超短脉冲等；

        在功率输出方面，连续输出功率小至微瓦级，大至兆瓦级。脉冲能量输出可从微焦耳到10万焦耳以上，脉冲宽度从毫秒到皮秒，甚至飞秒（千亿分之一）。

        各种激光器满足不同的应用要求。例如激光加工和一些军用激光器需要高功率激光器或高能量激光器。有的希望尽可能缩短脉冲时间，以便从事一些高级表达工艺的研究。有的还对提高光的单色性、改善输出光的模式、改善光斑的光强分布、要求波长可调等提出了很高的要求。这些要求促使激光研究人员继续探索，使激光的探索深度和应用广度得到空前的发展。