激光技术是自20世纪60年代发展起来的新技术。激光器发射的光子在空间和时间上高度集中，相位高度一致，因而可获得普通光源无法达到的高功率密度、极好的方向性、单色性和相干性，从而在科学领域中得到了广泛的应用。
所谓激光，指的是受激辐射光放大。因此，产生激光的关键是受激辐射和光放大。我们将从光与物质的相互作用入手来讨论产生激光的基本原理。
一、吸收、自发辐射和受激辐射
光与物质的相互作用就是光与原子的相互作用，主要包括吸收、自发辐射和受激辐射。
1．吸收：若有一个原子开始时处于低能级E1上，当有一个能量恰为hν21= E2-E1的光子接近该原子时，它就有可能吸引这个光子而提高其能量状态，从E1能级跃迁到E2能级。这种过程称为原子的吸收过程。吸收过程不能自发发生，必须依赖外来光子的激发才能实现。设处于能级E1的原子数密度为N1，频率为n的入射光的能量密度为ρ(ν),则单位时间单位体积内因吸收光子而从能级E1跃迁到E2能级的原子数N12应与N1和ρ(ν)成正比。
（4.7）
式中比例系数B12称为吸收系数。而W12＝B12ρ(ν)表示在能量密度为ρ(ν)的光照射下，单位时间内发生吸收的原子占处于能级E1的总原子数的比例，称为吸收速率或吸收概率。
2．自发辐射：处于高能态即激发态的原子是不稳定的，即使在不受外界影响的情况下，它们也会在大约10－8秒的极短时间内，自发地由高能态返回较低的能态，并辐射出相应能量的光子，光子的能量由能级间隔决定，即hν21= E2-E1。这个过程称为自发辐射。显然，若处于高能态的原子数密度为N2，则自发辐射的光子数密度N21与N2成正比。
（4.8）
式中比例系数A21称为自发辐射系数。表示单位时间内处在E2能级上的一个原子自发辐射跃迁到E1能级上的概率。
自发辐射过程的特点是与外界作用无关。因此，各个原子的跃迁是完全自发和独立的，我们无法预测哪一个原子在何时发生跃迁，因此，各个原子辐射出光子的振动方向、传播方向和初相位都是随机的。而且由于原子系统有多个激发态，任意时刻自发辐射光子的频率也不尽相同。从而，原子系统通过自发辐射发出的是非相干光。普通光源（如白炽灯）发出的光即属此列。
3．受激辐射：处于激发态E2的原子，在发生自发辐射之前，若受到能量恰好为hν21= E2-E1的外来光子的刺激（碰撞、感应、诱导），就会从E2能级跃迁到较低能级E1，同时辐射出一个与外来光子全同的光子。这个过程称为受激辐射。它是吸收过程的反过程。设处于能级E2的原子数密度为N2，频率为n的入射光能量密度为P(ν)，则单位时间单位体积产生受激辐射的原子数密度
应与N2和ρ(ν)成正比。
（4.9）
式中的比例系数B21称为受激辐射系数，而W21＝B21ρ(ν)称为受激辐射速率或受激辐射概率。它表示单位时间在能量密度为ρ(ν)的入射光照射下，受激跃迁至低能级E1的原子数占处于高能级E2的总原子数的比例。它与入射光的强度有关。
受激辐射具有与自发辐射完全不同的特点，所辐射的光子与外来光子具有完全相同的频率、相位、振动方向和传播方向。而且，输入一个光子即可获得两个与入射光子状态完全相同的光子；这两个光子又可以刺激其它原子产生受激辐射，产生四个全同的光子。依此类推，就可能在一个辐射光子的作用下，形成雪崩式的辐射跃迁，产生大量状态完全相同的光子，从而形成了光放大，这便是激光产生的依据。
4．三个系数间的关系：上述三个系数B12、A21、B21均是用来表征同种原子特性的，它们之间应当存在着内在的联系。
实际上，当光和原子系统相互作用时，吸收、自发辐射和受激辐射总是同时存在的。当这三种过程达到平衡时，单位时间单位体积内通过吸收过程由低能级跃迁到激发态的原子数应等于从激发态通过自发辐射和受激辐射跃迁回低能态的原子数。
根据上述平衡条件，爱因斯坦从处于各能级上的粒子数密度按能量分布的统计规律出发，导出了光的辐射能量密度ρ(ν)表达式，并将其与热辐射公式进行比较，得到了吸收系数。自发辐射系数和受激辐射系数之间的关系
B12=B21=B（4.10）
（4.11）
式中h为普朗克常数，ν为辐射频率，c为光速。上式即为爱因斯坦受激辐射理论的重要关系式。该式表明，自发辐射系数与受激辐射系数之比与辐射频率的三次方成正比。表明在低频区受激辐射的概率大于自发辐射概率，而在高频区受激辐射概率小于自发辐射概率。故研制紫外光、x射线及g射线激光器较之红外光区、可见光区的激光器要困难得多。
爱因斯坦早在1917年就提出了受激辐射的理论，但第一台激光器直至1960年才诞生，问题在于吸收、自发辐射和受激辐射总是同时存在，不可能要求只存在受激辐射过程。摆在人们面前的是如何创造条件，使受激辐射胜过吸收和自发辐射而占据主导地位，这是产生激光的关键所在。理论和实践证明，为使受激辐射胜过吸收过程，必须造成粒子数布居反转分布；而要使受激辐射超过自发辐射，就必须借助于光振荡。
二、粒子数布居反转分布
在通常情况下，当粒子系统处于热平衡状态时，根据统计理论可知，处于高能级Em上的粒子数密度Nm和处于低能级En上的粒子数密度Nn之间，总有
（4.12）
的关系。式中k为玻耳兹曼常数。表明低能级的粒子数密度必然大于高能级的粒子数密度，二者之比由系统的绝对温度决定，且随着能级的升高而按指数形式衰减。由此看出，在热平衡状态下，当光与粒子系统相互作用时，吸收的能量总是大于受激辐射的能量，即吸收过程总是超过受激辐射过程。光在介质中传播，总是因被吸收而减弱。但是，如果我们能够通过某种方法破坏粒子数的热平衡分布，使得Nm> Nn，则受激辐射能量将大于吸收的能量，受激辐射过程将胜过吸收过程。当然，这时的粒子数分布已经不是平衡态分布，这种反常的分布称为粒子数布居反转分布。
总之，受激辐射和吸收过程是一对矛盾。在通常情况下，吸收是主要的，受激辐射是次要的。但在特定条件下，在破坏了原子体系的平衡态分布后，就有可能使受激辐射过程占优。这个特定状态就是粒子数布居反转分布。它是光放大的前提，是产生激光的必要条件之一。
要使低能级的原子激发到高能级上去而形成粒子数布居反转，就必须有外界输入能量进行激励（或称抽运、泵浦）。激励可通过光、电、热、化学等方式来进行。然而，并非所有的物质系统均可以通过激励而形成粒子数布居反转。原子系统内部的能级结构也将对粒子数布居反转产生影响。通常被激发到高能级上的原子，其在该能级上平均能够停留的时间（称为平均寿命）极短，它瞬间即会自发地返回到低能级；当原子吸收外界能量而发生跃迁的时间与该能级的平均寿命相当时，将不能形成粒子数布居反转。原子能级的寿命与原子结构有关。有的物质激发态能级的寿命较长，我们说它具有亚稳态，原子在亚稳态能级上停留的时间大于跃迁时间，是形成粒子数布居反转的充分条件。从而，寻找具有亚稳态能级结构的物质系统（激活介质），是制造激光器的首要条件。目前经常使用的氦－氖激光器、二氧化碳激光器、钇铝石榴石（YAG）激光器、钕玻璃激光器等的激活介质均满足这些条件。
三、光学谐振腔
解决了受激辐射与吸收过程的矛盾，还不能产生激光。这是由于受激辐射与自发辐射之间的矛盾尚未解决。处于激发态能级的原子，可以因自发辐射和受激辐射而回到低能级，而在这两种过程中，自发辐射往往是主要的。为了解决这个问题，人们设计了一种光学谐振腔装置，它可以使受激辐射在某一个方向上不断得到加强和放大，即产生所谓光振荡，使得在该特定方向上使受激辐射超过自发辐射而占据主导地位。
普通的谐振腔由两块相互平行的反射镜构成。其中一块为全反射镜，其反射率在99％以上，另一块为部分反射镜，其反射率约为40％～80％，激活介质置于两块反射镜之间。如图4.15所示。
能实现粒子数反转的激活介质受外界激励后，有若干粒子跃迁至激发态，在返回低能级时将因自发辐射而向四面八方放出光子，而偏离轴向的光子将逸出腔外，只有沿轴向的光子因两端反射镜的反射而留在腔内，成为引起受激辐射的外界感应因素，形成了轴向的受激辐射。它们在反射镜间来回反射而形成光振荡，并产生连锁式的光放大。这种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光大大增强，由部分反射镜输出后形成激光。
在制作激光器时，在谐振腔内还存在着许多损耗的因素。如反射镜的吸收、透射和衍射，激活介质不均匀而造成的折射和散射等等，都会使得腔内的光子数减少。如果激活介质的放大作用抵偿不了这些损耗，就无法在腔内形成光放大，也就不可能得到激光输出。由此，要使光强在腔内来回反射过程中不断增强，并最终形成稳定的光振荡，就要求激活介质对光放大的能力高于某个最低限度，以克服反射过程的各种损耗。即产生激光振荡必须满足一定的条件，称为阈值条件。该条件可表示为：
（4.13）
式中R1、R2分别为两个反射镜的反射率，a为损耗系数，L为腔长，G为表征激活介质光放大能力的物理量，称为增益系数。
综上所述，为了最终获得激光输出，除了要具备能实现粒子数反转的激活介质和稳定的光学谐振腔外，还必须减少损耗，加快泵浦的抽运速率，使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。
四、激光器的种类
激光器的种类繁多，其分类的方式也有多种，例如可以按运转方式（连续或脉冲）、激励方式（光、电、化学、热、核能）、输出波长范围（远红外、中红外、近红外﹑可见光﹑近紫外、紫外、x射线、γ射线）来分类。但通常多以激活介质的性质将其分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
将激活介质的原子和离子掺进晶体或玻璃等透明固体基质中，加工为棒状，将端面抛光，保持两端面平行，再镀上金或铝的高反射膜，即可制成固体激光器，它通常通过高压水银灯或氙灯激励。这类激光器包括红宝石（694.3nm）、钇铝石榴石(YAG:1060nm)、钕玻璃(1060nm)和钛宝石等。
气体激光器以气体作激活物质。常见的有氦―氖（He－Ne）激光器、CO2、氙离子、铜蒸汽、氮分子等。一般采用气体放电的方式激励。除CO2激光器的功率可做得很大（如连续输出功率可达4KW以上）外，其它气体激光器的功率均较小，为几个mW至几十W。
液体激光器中最重要的是有机液体激光器，由有机染料化合物与酒精配制成激活物质，常用的染料有若丹明、荧光素等。多采用光泵浦激励。当染料溶液的浓度、温度或PH值改变时，其发射的波长可连续改变。因此，输出波长可调构成染料激光器的重要特征。它主要应用于激光光谱学和非线性光学的研究当中，在激光显示、信息记录和存储、激光医学及生物学研究中具有特殊的应用价值。
半导体激光器以半导体为激活物质，称为半导体激光二极管，简称激光二极管（LD）。主要的激活物质有砷化镓（GaAs）、锑化铟(InSb)、硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、碲化锡(SnTe)、碲锡铅（PbSnTe）等化合物半导体材料。其中，应用较为广泛的是GaAs激光器。激励方式有PN结电流注入、光泵、高能电子束激励和碰撞电离激励等。半导体激光器因其体积小、结构简单牢固、可直接调谐及高效高速的特点，成为激光光纤通信的光源，在光信息处理、光存储、光计算机外部设备的光耦合、全息照相以及测距、制导、雷达等方面都具有广泛的应用前景。
自20世纪80年代以来，一种基于与通常激光器截然不同机理的自由电子激光器引起了人们极大的关注。它是使由高能加速器提供的接近光速的电子束，通过一个随空间作周期变化的“扭摆”磁场。电子在该磁场中摇摆前进，由于有加速度，故电子将会发射电磁波，形成自发辐射。若有一束光（辐射）沿磁场的轴向射入电子通道，当该光波的频率与扭摆磁场中运动电子的自发辐射频率相同时，则该光辐射将从电子持续地获得能量而加强，形成“受激辐射”。自由电子激光器是一种大功率、高效率、波长调谐范围宽广的多功能激光器，具有一系列普通激光光源无法替代的优点。中科院高能所已于1993年制成了我国第一台红外自由电子激光装置。
五、激光的特性和应用
激光具有一系列与普通光辐射截然不同的新颖特点：
1．方向性好：由于激光特殊的发光机理及光学谐振腔对光传播方向的限制作用，激光光束的方向性较之普通光源强百万倍。激光束在几公里之外形成的光斑直径仅几个厘米，它射到距地球38万公里的月球上时，光束扩散的直径不到两公里；而普通光源则将散开几百公里以上。
2．单色性强：由于激活介质的粒子数反转只能在有限的能级间进行，故相应产生的激光只能在有限的光谱范围能产生，再加上光学谐振腔有选频作用，使得激光的单色性远远优于普通光源。例如He—Ne激光器发射波长为6328?，线宽Δl≤10-7?,而普通光源中单色性最好的氪(Kr86)等波长为6057?，线宽Δl＝4.7×10-3?，二者相差几万倍。
3．亮度高：由于激光的方向性好，有利于将能量在空间和时间上高度集中起来，故可以获得极为可观的亮度。其亮度超过太阳亿万倍，较之普通人造光源中亮度最高的高压脉冲疝灯高出几十亿倍。这里要注意的是，光源的亮度是表征该光源发光能力大小的物理量，与人眼视觉上对不同波长的感光灵敏度无关。亮度最高，并非视觉最亮。
4．相干性好：由于激光器发射的光子在相位上彼此相关，能形成稳定的干涉图样。故激光器是一种非常好的相干光源。
正是由于激光具有上述优越的特性，使得它在科学技术和产业活动中获得了极为广泛的应用。例如利用其方向性和高亮度的特点，可以进行激光加工、激光通信、激光手术、激光武器、激光核聚变；利用其单色性和相干性，可以进行激光测量、激光全息、激光干涉；在科学研究方面，可以利用激光产生的超高温，超高压、超高场强等一系列极端条件来发现一些新的现象和规律，开展诸如非线性光学、激光生物学等方面的研究。
匿名