激光的產(chan) 生機理可以溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體(ti) 輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程。眾(zhong) 所周知，任何一種光源的發光都與(yu) 其物質內(nei) 部粒子的運動狀態有關(guan) 。當處於(yu) 低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當頻率外來能量（光）被激發而躍遷到相應的高能級上（受激吸收）後，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多餘(yu) 的能量以光子形式釋放出來。

如果光是在沒有外來光子作用下自發地釋放出來的（自發輻射），此時被釋放的光即為(wei) 普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點是光的頻率大小、方向和步調都很不一致。

但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多餘(yu) 的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與(yu) 外來的入射光子在頻率、位相、傳(chuan) 播方向等方麵完全一致，這就意味著外來光得到了加強，我們(men) 稱之為(wei) 光放大。

圖：激光產(chan) 生機理：（左）受激吸收，（中）自發輻射，（右）受激發射

而激光的產(chan) 生需要滿足三個(ge) 條件：粒子數反轉、諧振腔反饋和滿足閾值條件。通過受激吸收，使處於(yu) 高能級的粒子數比處於(yu) 低能級的越多（粒子數反轉），還需要在有源區兩(liang) 端製作出能夠反射光子的平行反射麵，形成諧振腔，並使增益大於(yu) 損耗，即相同時間新產(chan) 生的光子數大於(yu) 散射吸收掉的光子數。隻有滿足了這三個(ge) 條件，才有可能產(chan) 生激光。

激光的特性

激光之所以被譽為(wei) 神奇的光，是因為(wei) 它有普通光完全不具備的四大特性。

1.方向性好 ——普通光源（太陽、白熾燈或熒光燈）向四麵八方發光，而激光的發光方向可以限製在小於(yu) 幾個(ge) 毫弧度立體(ti) 角內(nei) ，這就使得在照射方向上的照度提高千萬(wan) 倍。激光每200千米擴散直徑小於(yu) 1米，若射到距地球3.8×105km的月球，光束擴散不到2千米，而普通探照燈幾千米外就擴散到幾十米。

激光準直、導向和測距就是利用方向性好這一特性。

2.亮度高 ——激光是當代最亮的光源，隻有氫彈爆炸瞬間強烈的閃光才能與(yu) 它相比擬。太陽光亮度大約是1.865×109cd/m2，而一台大功率激光器的輸出光亮度可以高出太陽光的亮度7～14個(ge) 數量級。

盡管激光的總能量並不一定很大，但由於(yu) 能量高度集中，很容易在某一微小點處產(chan) 生高壓和幾萬(wan) 攝氏度甚至幾百萬(wan) 攝氏度的高溫。激光打孔、切割、焊接和激光外科手術等實際應用就是利用了這一特性。

3.單色性好 ——光是一種電磁波。光的顏色取決(jue) 於(yu) 它的波長。普通光源發出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合。太陽光包含紅、登、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的可見光以及紅外光、紫外光等不可見光。

而某種激光的波長隻集中在十分窄的光譜波段或頻率範圍內(nei) 。如氦氖激光的波長為(wei) 632.8納米，其波長變化範圍不到萬(wan) 分之一納米。激光良好的單色性為(wei) 精密度儀(yi) 器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供了極為(wei) 有利的手段。

4.相幹性好 ——幹涉是波動現象的一種屬性。基於(yu) 激光具有高方向性和高單色性的特性，它必然會(hui) 是相幹性極好的光。激光的這一特性使全息照相成為(wei) 現實。 

激光器的類型

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(chan) 生激光的先決(jue) 條件。要實現粒子數反轉，需借助外來光的力量，使大量原來處於(yu) 低能級的粒子躍遷到高能級上去，這個(ge) 過程我們(men) 稱之為(wei) “激勵”。

我們(men) 通常所說的激光器，就是使光源中的粒子受到激勵而產(chan) 生受激輻射躍遷，實現粒子數反轉，然後通過受激輻射而產(chan) 生光的放大的裝置。激光器雖然多種多樣，但使命都是通過激勵和受激輻射而獲得激光。因此激光器通常均由激活介質（即被激勵後能產(chan) 生粒子數反轉的工作物質）、激勵裝置（即能使激活介質發生粒子數反轉的能源，泵浦源）和光諧振腔（即能使光束在其中反複振蕩和被多次放大的兩(liang) 塊平麵反射鏡）三個(ge) 部分組成。

圖：激光器的工作原理

由於(yu) 我們(men) 可以以許多不同的方式激發許多不同種類的原子，我們(men) 可以（理論上）製造許多不同種類的激光。

激光器有多種分類方式，其中最著名的是固體(ti) ，氣體(ti) ，液體(ti) 染料，半導體(ti) 和光纖激光器。固態激光器介質是類似紅寶石棒或其他固體(ti) 結晶材料，並且纏繞在其上的閃光管泵送其充滿能量的原子。為(wei) 了有效地工作，固體(ti) 必須摻雜，這是一種用雜質離子代替一些原子的過程，使其具有恰當的能級以產(chan) 生一定精確頻率的激光。固態激光器產(chan) 生高功率光束，通常是非常短的脈衝(chong) 。相比之下，氣體(ti) 激光器使用惰性氣體(ti) （即所謂的準分子激光器）或二氧化碳（CO2）作為(wei) 介質的化合物產(chan) 生連續的亮光。 CO2激光器功能強大，效率高，常用於(yu) 工業(ye) 切割和焊接。液體(ti) 染料激光器使用有機染料分子的溶液作為(wei) 介質，主要優(you) 點是可用於(yu) 產(chan) 生比固態和氣體(ti) 激光器更寬的光頻帶，甚至可“調諧”以產(chan) 生不同的頻率。

按波長來分，覆蓋的波長範圍包括遠紅外、紅外、可見光、紫外直到遠紫外，最近還研製出X射線激光器和正在開發的γ射線光器；

按激勵方式不同，有光激勵（光源或紫外光激勵）、氣體(ti) 放電激勵、化學反應激勵、核反應激勵等；

按輸出方式不同，有連續的、單脈衝(chong) 的、連續脈衝(chong) 的和超短脈衝(chong) 等；

從(cong) 功率輸出的大小來看，其中連續的輸出功率小至微瓦級，最大可達兆瓦級。脈衝(chong) 輸出的能量可從(cong) 微焦耳至10萬(wan) 以上焦耳，脈衝(chong) 寬度由毫秒級到皮秒級乃至飛秒級（1000萬(wan) 億(yi) 分之一）。

各式各樣激光器滿足不同的應用要求。如激光加工和某些軍(jun) 用激光都要求高功率激光或高能量激光（即所謂強激光）。有的希望脈衝(chong) 時間盡量縮短，以從(cong) 事某些特快過程的研究。有的還對提高光的單色性、改善輸出光的模式、改善光斑的光強分布以及要求波長可調等提出了很高的要求。這些要求促使著激光器的研究者不斷探索，從(cong) 而使激光器的探索深度和應用廣度得到前所未有的發展。

蓬勃發展的激光應用 

所謂激光技術，就是探索開發各種產(chan) 生激光的方法以及探索應用激光的這些特性為(wei) 人類造福的技術的總稱。

50多年來，激光技術與(yu) 應用發展迅猛，已與(yu) 多個(ge) 學科相結合形成多個(ge) 應用技術領域，比如光電技術，激光醫療與(yu) 光子生物學，激光加工技術，激光檢測與(yu) 計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光製導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等。這些交叉技術與(yu) 新的學科的出現，大大地推動了傳(chuan) 統產(chan) 業(ye) 和新興(xing) 產(chan) 業(ye) 的發展。

1、激光在信息領域的應用

半導體(ti) 激光器和光纖放大器是光纖通信的兩(liang) 項關(guan) 鍵技術。

半導體(ti) 激光器發出的激光不僅(jin) 單色性和相幹性好，而且光波頻率比微波頻率又高萬(wan) 倍，故以激光為(wei) 傳(chuan) 遞信息的載體(ti) ，用光纖做信息傳(chuan) 遞線路的光纖通信，不僅(jin) 通信質量好、抗幹擾能力強、保密性好，而且通信容量比微波通信要提高上萬(wan) 倍。

利用激光技術進行光存儲(chu) ，使信息的存儲(chu) 發生了革命性的飛躍。一張CD聲頻光盤的記錄密度相當於(yu) 1000萬(wan) bit／cm2，可記錄78分鍾的音樂(le) 節目，比密紋唱片要大好幾個(ge) 數量級。

圖： CD或DVD播放機中的光盤的激光和鏡頭。右下方的小圓是半導體(ti) 激光二極管，而較大的藍色圓圈是從(cong) 激光器從(cong) 光盤的光滑表麵反射後讀取光的透鏡。

此外，激光打印機、激光傳(chuan) 真機、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應用。

2、激光在全息術領域的應用

光作為(wei) 一種波動現象，表征它的物理量有波長（同顏色有關(guan) ）、振幅（同光的強弱有關(guan) ）和位相（表示波動起點同基準時間的關(guan) 係）。

人們(men) 利用感光的照相方法，隻能記錄下波長和振幅，所以無論照得多麽(me) 逼真，看照片和看真的景物總是不一樣。

而激光具有高相幹性，能獲取幹涉波空間包括相位在內(nei) 的全部信息。因此，采用激光進行全息攝影，被拍物體(ti) 的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能複現被攝取物體(ti) 栩栩如生的立體(ti) 形象。

全息照相具有三維成像的特點，可重複記錄，而且每一小塊全息底片都能再現物體(ti) 的完整立體(ti) 形象，可廣泛用於(yu) 精密幹涉計量、無損探傷(shang) 、全息光彈性、微應變分析和振動分析等科學研究。

其中，利用全息幹涉術研究燃氣燃燒過程、機械件的振動模式、蜂窩板結構的粘結質量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應用。並且，全息照相用作商品和信用卡的防偽(wei) 標記已形成產(chan) 業(ye) ，用全息照相拍攝珍貴藝術品，不僅(jin) 欣賞起來令人如臨(lin) 其境，而且為(wei) 藝術品的修複提供了可靠而逼真的依據。正在發展的全息電視還將為(wei) 人們(men) 增添一種新的生活享受。

3、激光在醫療領域的應用

激光在醫學上的應用分為(wei) 兩(liang) 大類：激光診斷與(yu) 激光治療，前者是以激光作為(wei) 信息載體(ti) ，後者則以激光作為(wei) 能量載體(ti) 。

在激光診斷方麵，激光可穿透到組織較深的地方進行診斷，直接反映組織病況，給醫生診斷提供了充分依據。

在激光治療方麵，激光技術已成為(wei) 臨(lin) 床治療的有效手段，也成為(wei) 發展醫學診斷的關(guan) 鍵技術。它解決(jue) 了醫學中的許多難題，例如激光手術治療切口小，對組織基本沒有損害或損害極小，毒副作用反應少。目前，激光臨(lin) 床應用領域包括近視矯正、視網膜修補、蛀牙修複、分子級微創手術等，當前激光醫學的出色應用研究主要表現在以下方麵：光動力療法治癌；激光治療心血管疾病；準分子激光角膜成形術；激光美容術；激光纖維內(nei) 窺鏡手術；激光腹腔鏡手術；激光胸腔鏡手術；激光關(guan) 節鏡手術；激光碎石術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光在口腔、頜麵外科及牙科方麵的應用；弱激光療法等。目前，激光治療在基礎研究、新技術開發以及新設備研製和生產(chan) 等諸多方麵都保持持續的、強勁的發展勢頭。

圖：激光在口腔醫學領域的應用

4.激光加工

利用激光的高強度（亮度）聚焦激光束在1 ms內(nei) 能發射100J的光能量，聚焦起來足以使材料在短時間內(nei) 融化或汽化，從(cong) 而對不同特性難以加工的材料進行加工處理，如：焊接、打孔、切割、熱處理、光刻等。

激光加工具有精度高、畸變小、無接觸、能量省等優(you) 點，其應用領域幾乎可以覆蓋整個(ge) 機械製造業(ye) ，包括礦山機械、石油化工、電力、鐵路、汽車、船舶、冶金、醫療器械、航空、機床、發電、印刷、包裝、模具、製藥等行業(ye) 。其中關(guan) 鍵零部件和精密設備的磨損和腐蝕都能很好地利用激光熔覆技術進行修複和優(you) 化，成為(wei) 化腐朽為(wei) 神奇的利器。

5.精密測量

精密測量是利用了激光單色性好、相幹性強、方向性好的特點。相比於(yu) 其他測距儀(yi) ，激光測距具有探測距離遠，精度高，抗幹擾，保密性好，體(ti) 積小重量輕的優(you) 點。測距儀(yi) 發出光脈衝(chong) ，經被測目標反射後，光脈衝(chong) 回到接收係統，測量發射與(yu) 接收時間間隔。

激光同時具有高亮度和高相幹性，這使得光的多普勒效應能夠在測速方麵得到應用。激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達係統。從(cong) 工作原理上講，激光雷達與(yu) 微波雷達沒有根本的區別：向目標發射探測信號（激光束），然後將接收到的從(cong) 目標反射回來的信號（目標回波）與(yu) 發射信號進行比較，作適當處理後，就可獲得目標的有關(guan) 信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從(cong) 而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別，它在軍(jun) 事領域發揮著重要的作用，也成為(wei) 環境監測的有力武器。

此外，引力波的探測也是利用激光幹涉測量方法，進行中低頻波段引力波的直接探測，觀測雙黑洞並合和極大質量比天體(ti) 並合時產(chan) 生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

激光是20世紀人類最重大的發明之一，激光技術的應用已廣泛深入到工業(ye) 、農(nong) 業(ye) 、軍(jun) 事、醫學乃至社會(hui) 的各個(ge) 方麵，對人類社會(hui) 的進步正在起著越來越重要的作用，正奇跡般地改變著我們(men) 的世界。