什么是激光？
“激光”一词是“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的首字母缩写。激光器 通过受激辐射的过程激光器 输入的能量转化为光。
激光器 尺寸激光器 从小型半导体器件到占据整栋大楼的庞大系统激光器 。它们还采用多种增益介质——从自由电子到固体。但所有这些不同的激光器 基于相同的原理激光器 。
“受激辐射”现象是激光器工作的核心。为了创造并维持受激辐射的条件激光器 三个关键功能元件。它们是：
- 一种能够支持 粒子数反转的增益介质
- 一种为产生粒子数反转提供能量的泵源
- 一个谐振腔，它提供了一种反馈机制以支持 ，同时也决定了激光束的空间和频谱特性
然而，这三个要素的形式和实现方式在不同类型的激光器之间存在显著差异。具体而言，这包括使用不同类型的激光材料（支持 辐射的增益介质）、向该材料提供能量的方式、激光腔的结构形式以及输出特性。
让我们来看看这些要素各自的基本原理，以及它们在各种类型激光器中的具体表现形式。
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激光增益介质
要理解什么是激光增益材料，首先必须了解受激辐射的过程。量子力学告诉我们，原子和分子只能存在于某些特定的、离散的能级上。最低的能级称为基态，而更高的能级则称为激发态。
通常情况下，物质的温度决定了其原子或分子在各个可能的能级之间的分布情况。在典型的热平衡状态下，大多数原子或分子处于低能态，而处于激发态的则逐渐减少。
在某些材料中，可以通过输入能量（这一过程称为“泵浦”）来实现粒子数反转。这意味着超过50%的原子或分子处于激发态 这与正常的热平衡状态恰恰相反。
粒子数反转 为受激辐射过程粒子数反转 有利条件。该过程始于一个原子或分子发射一个光子，从而从高能态跃迁至低能态。这被称为自发辐射。
第一个光子经过另一个原子或分子附近时，会激发它发射出第二个光子。 第二个光子的能量、方向、相位和偏振状态与激发光子完全相同。光子 引发了光子 受激辐射光子 因此现在共有光子。这一过程迅速级联，产生了大量相同光子。光子 级联光子 称为放大或增益——是激光作用的基础。它使得泵浦能量能够转化为高意 。
然而，并非所有材料都能支持 粒子数反转 辐射。这种能力取决于多个因素，包括原子或分子中允许的能级、这些能级之间的跃迁概率、激发态的寿命（即原子或分子通常在该激发态停留的时间），以及其他一些因素。
能够支持 材料几乎涵盖了物质的所有形态——固体、液体和气体。按照惯例，这些材料通常被归类如下表所示。
激光泵浦
必须从外部源向增益介质输入能量，才能产生粒子数反转。（这一过程会导致受激辐射，从而产生激光输出。）具体方法取决于增益介质的类型。最常见的是以电能或光能的形式输入能量。较少见的方法是利用放热化学反应释放的能量。
各种固态晶体和光纤增益介质都是电绝缘体；换句话说，它们无法导电。因此，这些激光材料必须通过光泵浦来激发。具体来说，就是将外部光源聚焦到增益介质中，激光材料中的原子或分子吸收这束光。结果是：这些原子或分子达到所需的激发态。
最早的固态激光器 闪光灯作为泵浦光源，在某些应用中至今仍在使用。其主要优点是成本低廉，且能够提供高脉冲能量。
但闪光灯产生的光谱范围很广。激光增益介质只能利用其中非常窄的一段光谱——具体来说，就是与基态和最高激发态之间的能量差相对应的波长。事实上，闪光灯泵浦能量的大部分都被浪费了，这导致激光器 较低，也就是说它们会产生大量废热。因此，需要相当强大的冷却系统来消除这些热量。
如今激光器 另一种激光器（通常是二极管或固态激光器）激光器 泵浦固态和激光器 已变得更为普遍。泵浦激光器的波长会经过专门选择，以匹配增益介质的吸收波长。这能显著提高整体泵浦效率，并降低对冷却的要求。
将激光器用作泵浦光源还有另一个优势。激光器 的光束易于聚焦。这使得泵浦光能够集中在增益介质中发挥最大作用的区域，即所谓的“模态体积”内。这是增益介质中实际激光束占据的区域。进入激光介质其他部分的泵浦光则会被浪费。 有效填充模态体积不仅能最大化激光效率，还能提升输出光束的质量。
激光器 光纤耦合二极管激光器 泵浦源激光器 纤激光器 正是这一原理的典型例证。根据需要，这类激光器可轻松配置为将泵浦光主要导向增益光纤的芯区或包层，从而形成高效率的激光系统。
电泵技术可用于半导体（二极管）激光器因为这些器件正是专门用于导电的。具体而言，它们由一个正向偏置的半导体 p-n 结组成。 施加的电压提供能量，促使足够多的电子从半导体的价带跃迁至导带，从而形成粒子数反转。当电子与空穴（价带中电子缺失）复合光子 发射光子 ，粒子数反转 受激辐射得以发生。
半导体激光器也可以采用光泵浦方式。在这种情况下，将另一台二极管激光器的输出光聚焦到该二极管的活性区。这样便提供了泵浦能量，而无需使用电电流。光泵浦虽然使半导体激光器的结构更为复杂，但能够提供更广泛的激光输出 选择、更高的输出功率以及更高的效率（即发热更少）。
激光器 电激发激光器 复杂一些。激光器 由封装在激光管内的几种气体组成。通过施加高压，在激光管内产生电子放电。这些高能电子撞击气体分子，并向其传递能量。
在激光器，电子与氮分子发生碰撞并使其发生振动激发。随后，这些氮分子与二氧化碳分子发生碰撞，将能量传递给二氧化碳分子，从而产生粒子数反转。
另一个例子是离子激光器。在离子激光器中，电子放电同样会与激光管内的氩气或氪气发生碰撞。第一次碰撞会使气体电离。随后，与离子 进一步碰撞离子 能量，使它们进入激发态 产生粒子数反转。
谐振腔
通常，会使用谐振腔（或谐振器）使光子 在离开激光器之前多次光子 增益介质。这是为了获得足够强度的激光输出因为光子每次穿过增益介质时所获得的放大量相对较小。准分子 是这一规律的一个主要例外，即使经过很少次的通过，它也能提供非常大的增益（放大）。
最简单的谐振腔结构是由两块相对放置的反射镜组成，激光增益介质置于两者之间。后反射镜的反射率尽可能接近100%。前反射镜（称为输出耦合镜）的反射率则根据增益介质的不同，可能在30%到99%之间。
在工作过程中，光在这些镜子之间来回反射，每次穿过激光介质时强度都会增加。部分光线通过输出耦合器离开谐振腔。因此，激光谐振器 内的光强度总是远激光谐振器 从设备中射出的光强度。
端面镜通常具有曲率，用于在空间上限制光（以光子 多次往复后“走”出谐振腔），并确定光束的形状。
激光谐振器
激光谐振器的主要组成部分。泵浦源向置于镜面之间的增益介质提供能量。镜面提供反馈，使发射光子 多次光子 增益介质以实现放大。
使用两块平面镜的谐振腔结构简单，但对对准误差非常敏感，因为这会导致光子在经过少量往复后“偏离轨道”。不过，如果谐振腔的物理尺寸很小，这便不是问题。这种结构常用于二激光器。
将其中一面或两面反射镜制成凹面，能更好地将光束限制在谐振腔内，同时还能获得光束细小且形状规整的激光器。这种谐振腔设计的变体在许多固态和激光器都很常见。
在光纤激光器中，反射镜通常是直接集成在光纤中的高反射率光纤布拉格光栅 FGB）。在这种情况下，光纤本身在空间上限制了光束并决定了其形状。在半导体激光器，反射镜是通过切割半导体器件的端面并在其上涂覆光学薄膜涂层而形成的。
激光光的独特特性
激光器 众多应用领域中不可或缺的工具。事实上，其工作原理和结构赋予了激光束一系列独特的特性，这是其他任何技术都无法复制的。本文将介绍其中一些最重要的特性。
财产 |
说明 |
应用 |
连贯性 |
受激辐射光子 处于同相状态。这种现象被称为“相干性”。正是这一特性使得激光能够产生清晰的干涉条纹图案。 |
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方向性 |
受激辐射的机制与大多数激光谐振腔的特性相结合，通常能产生一束高度定向的光束，这种光束在传播过程中不会迅速发散。 |
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高强度 |
激光的光强可以非常高，因为所有的激光功率都能轻易地集中（聚焦）到一个小光斑上。 |
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单色性 |
受激辐射产生光子 具有相同的单一波长，或者波长范围非常窄。 |
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第一台激光器于1960年首次亮相。尽管它引起了一定的关注和热议，但在最初的几年里，它基本上仍是一个“无用武之地的解决方案”。不过，激光器的实际应用逐渐被开发出来。如今，激光器 普及，并被应用于极其广泛的领域。
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