激光（Laser）

概述

激光（Laser）是“通过受激辐射产生的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。

红（660 & 635nm）、绿（532 & 520nm）、蓝紫（450 & 405nm）可见激光

指通过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的具有同调性（Coherence）的增强光子束。其特点包括发散度极小、亮度（功率）很高、单色性好、相干性好等。产生激光需要“激发来源”、“增益介质”、“共振结构”这三个要素。

激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。

历史背景

爱因斯坦在1916年首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此之后人们很长时间都在猜测，这个现象可否被用来加强光场，因为前提是介质必须存在着群数反转（或译居量反转）的状态。在一个纯粹的二级系统中，基于热力学的分配函数，这是不可能的达到的。故人们首先想到用三级系统，而且计算证实了辐射的稳定性。

1958年，美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文，并分别获得1964年和1981年的诺贝尔物理学奖。

肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960年5月16日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。他的方案是，利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上是一种掺有铬原子的刚玉，当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，这称为红宝石激光。当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。

美国NIF国家点火设施，用多束激光集中高温产生可控核聚变

半导体激光器的发现：前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

在1980年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。

在1990年代，高功率的激光激发原理得到实现，比如片状激光和光纤激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中，从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG激光。

2000年代，激光的非线性得到利用，来制造X射线脉冲（来跟踪原子内部的过程）；另一方面，蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。在2009年，中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾（KBBF）的晶体，可用于激发深紫外线激光，一旦成功应用，可令每片光碟的容量超过1TB，亦使半导体上可储存的电路密度大幅提高。

现在，激光器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。

基本原理受激辐射

电子的运动状态可以分为不同的能级，电子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的电磁波（所谓自发辐射）。一般的发光体中，这些电子释放光子的动作是随机的，所释放出的光子也没有相同的特性，例如钨丝灯发出的光。

受激辐射

当外加能量以电场、光子、化学等方式注入到一个能级系统并为之吸收的话，会导致电子从低能级向高能级跃迁，当自发辐射产生的光子碰到这些因外加能量而跃上高能级的电子时，这些高能级的电子会因受诱导而迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射），受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射包括：频率、相位、前进方向等会是一样的，这些受激辐射的光子碰到其他因外加能量而跃上高能级的电子时，又会再产更多同样的光子，最后光的强度越来越大（即光线能量被放大了），而与一般的光不同的是所有的光子都有相同的频率、相位(同调性)、前进方向。

要做到光放大，就要产生一个高能级电子比低能量级电子数目多的环境，即居量反转，这样才有机会让高能级电子碰上光子来释放新的光子，而不是随机释放。

一般激光产生器有三个基本要素：

主要部件1.活跃激光介质2.光泵浦能量3.高反射率反射镜4.输出功率耦合器5.激光光束粒子数反转（population inversion）

在一个二级系统中，一个电子自低能级向高能级跃迁和自高能级向低能级跃迁的概率是一样的。为了达到光放大的作用，在高能级必须有更多的电子，使得受激辐射发生的概率更高。这个状态称为居量反转。出于这个原因，所以以光子激发的二级系统是无法实现激光的，所以激光一般是以通过三级系统和四级系统得到实现。在三级系统中，电子受激跃迁到高能级后，便很快转为亚稳态。由此激光媒介被激发为高能态，居量反转得到实现。

种类和工作方式

激光器的分类有很多方式，例如按照工作状态、工作物质的种类、输出波长的波段、输出激光波长是否可以调节、激光器的用途等特点分类

连续激光器按工作状态分类按工作物质分类

根据产生激光的媒质，可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等。而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种。

实际应用

激光应用很广泛，主要有光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光唱片、激光扫描、激光灭蚊器等。

激光器用途广泛，其大小尺寸从显微镜下的二极管激光器（上图），到足球场大小的钕玻璃激光器（下图），用于inertial confinement fusion, 核武器研究和其他高能密度的物理试验。

第一次在大众日常生活中使用激光是超市条码扫描仪，于1974年推出。光盘在1978年推出，是包括激光的第一个成功的消费产品，但光盘播放器是第一个装备有激光器的常见设备。紧接着，在1982年开始出现激光打印机。

一些其他用途有：