激光是什么
激光的英文名字是 laser，是“light amplification by stimu1ated emissinn of radiation”的首字母缩写。激光与普通的阳光、烛光、灯光所发出的光（或称荧光）不一样。研究表明：
光具有波料二象性，即：既可把光看作是一种频率很高的电磁波（10赫兹），也可把光看成是一个粒子，即光量子，简称光子。光子能量为hυ，h为普朗克常量，υ为光的频率。υ＝c／λ，λ为光的波长。一般情况下，光由许多光子组成，在荧光中，光子与光子之间，毫无关联，即波长不一样、相位不一样、偏振方向不一样、传播方向不一样。而在激光光束中，所有光子都是相互关联的，即它们的频率（或波长）一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。激光就好像是一支纪律严明的光子部队，行动一致，因而有着极强的战斗力！而普通的太阳光、灯光、烛光，则是一支无组织、无纪律的光子部队，各光子都是散兵游勇，不能做到行动一致，因而缺乏战斗力。这就是为什么许多事情激光能做，而阳光、灯光、烛光不能做的主要原因。
世界上的第一台激光器是1960年5月发明的，第二年，我国也研制成功了第一台激光器。这一具有极高亮度、极好单色性和极好方向性的新型激光的出现，开创了一个光学新时代，在学术界引起了强烈反响。但是，直到1964年底，我国还没有一个统一的、大家认同的名字。当时，有人根据laser的发音称它为“莱塞”或“镭射”，我国台湾、香港地区和若干东南亚国家至今还在应用这名词；有人根据laser的英文含义，称它为“光受激发射放大器”；也有人根据这种新光源是从微波激射器演变而来的这一历史事实，把它称作“光激射器”。此时，还有“光量子放大器”、“光量子振荡器”等。同一样东西，叫法如此之多，会造成混乱，不利于学术交流，也不利于发展激光技术应用。1964年12月，我国着名科学家钱学森给《光受激辐射》杂志编辑部写信说：
“我有一个小建议，光受激幅射这个名称似乎太长，说起来费事。能不能就称‘激光’？”钱教授的建议在全国第三届光受激辐射学术会议上得到全体代表的赞同，从此，在我国的学术论文、新闻报道中，就统一使用激光、激光器这样的名称了。
简单地说，激光就是由受激辐射所产生的光，激光光束中的所有光子都是相互关联的，它们频率一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致，用科学术语表达就是：激光是单色性、方向性极好、亮度极高的光源，由于激光有着许多普通光源所没有的迷人特点，从而，广泛地用于人类生活各领域，在国民经济各部门，为经济发展社会进步做出了不可估量的贡献。
激光的物理基础
大家知道：原子是由原子核和电子组成的，原子核较重，带正电，位于原子中心；电子较轻，带负电，绕核不停运动。研究表明，电子只能在一定的原子轨道上运动，对于不同的轨道，电子具有不同的能量。
当外来光子的能量大于或等于原子的两个能级差时，就会把原子从低能态激发到高能态，这个过程称为受激吸收跃迁，处在激发态的原子，随后又在很短（约10-7秒）的时间内，返回基态，或者较低能态，并伴随着发出光子。处于激发态的原子在没有受到外来光子作用而跃迁回低能态，并同时发出光辐射的过程称为自发辐射跃迁，它产生的光辐射称为自发辐射，或称荧光。
1916年，着名物理学家爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时发现：除了受激吸收跃迁、自发辐射跃迁这两种过程之外，还存在第三种过程——受激辐射跃迁，即在能量相应于两个能级差的外来光子作用下，会诱导处在高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出能量相同的光子。由受激发射跃迁所产生的光子具有如下特性：它的频率、相位、传播方向、偏振方向，都与诱导产生这种跃迁的光子相同。也就是说，受激辐射具有很好的相干性和方向性。
受激辐射是产生激光的基础，没有受激辐射，就没有激光。但是，由于在普通光源中，自发辐射跃迁速率总是比受激辐射跃迁速率大得多，因而所产生的光辐射大部分是自发辐射。正是由于这个原因，爱因斯坦当初提出的受激辐射概念并没有受到人们的高度重视。
对激光的渴求
爱因斯坦从理论上阐明了受激辐射的存在，现实生活也使人们认识到相干光的重要性。
在第二次世界大战中，雷达所起的杰出作用给科学家们留下了深刻的印象，以致在战争结束后，对雷达的研究工作一刻也没有停止过。雷达不仅在军事上有重要应用，而且在国民经济建设中，如气象预报、飞机和轮船导航等，也是非常重要的工具。雷达的空间分辨本领，即能区分的最小物体长度，与使用的电磁波波长有关，θ＝1.22λ／D，其中θ为电磁波的衍射角，D是电磁波束的直径。波长长的电磁波，衍射角大，空间分辨率低。比如，用波长为1米的雷达可区分长度为10米的物体，那么用波长为1毫米的电磁波就能区分长度为1厘米的物体。但是，要得到波长为厘米或毫米的单位电磁波非常困难，因为制造相同尺度的电磁波振荡器加工很难，而且所能得到的电磁波功率也不高。
20世纪50年代初，汤斯（C.H.Townes)在研究毫米波和亚毫米波电磁辐射时，就遇到了很多困难，为了摆脱困境，他大胆设想用原子、分子做电磁波振荡器，用这样的振荡器，可产生微波，甚至可见光波段的相干辐射。一个原子、分子振荡器产生的电磁波辐射强度固然很弱，但如果大量分子、原子振荡器能够统一行动，以相同的相位发射相同波长的电磁波，就能获得很强的单色相干电磁辐射波。使各个原子、分子振荡器“统一行动”，要应用的就是上述受激发射原理。汤斯按照这个思想，在1954年成功地研制出了氨分子振荡器，发射波长为1.25厘米。这种振荡器被命名为maser（微波激射器），它发射的电磁辐射频率非常稳定，可以用作频率标准（即原子钟）；它的噪声极低，可以用作高灵敏度放大器。此后，人们又研制成用固体物质（如红宝石晶体）做成的微波激射器，能在极低的温度下工作，噪声更低，几乎是零。
微波激射器的研制成功，激起了许多物理学家开拓更短波长相干辐射的热情，肖洛（A.L.Schawlow）和汤斯联手合作研究，于1958年12月，在《物理学评论》杂志上发表了题为《红外和光学激射器》的论文，首次论述了获得激光的可能性和实验方法。相似的建议也由前苏联的普落赫罗夫（Prohofor）和巴索夫（Basov）提出，他们都获得了1968年诺贝尔物理学奖。
光波激射器理论
光波激射器和微波激射器有3个重要差别——在共振腔方面：为在共振腔内保持单一的电磁辐射波形，腔体尺寸应与波长同数量级。在微波波段这是容易实现的，但在光波段，满足这一要求的胶体尺寸实在太小了，即使能制造出来，实用价值也不大。若用比波长大许多的腔体，会存在许多复杂波型（或称模式），对获得单色性好的光辐射是不利的；在频率调谐方面：在微波波段，通过调节外加磁场强度，利用塞曼效应就可获得大于或相当于微波频率的变化量。但对光波段来说，其变化量仅仅是光频的极小份额；在本底噪声方面：因为自发辐射跃迁概率正比于辐射频率的立方，所以在光波段，由自发辐射跃迁产生的本底噪声要远远高于微波波段的本底噪声。
考虑到上述这些差别之后，汤斯和肖洛设想了一种新式共振腔（称为开放腔），把共振腔的大部分壁面去掉，用两块平行放置的高反射率反射镜组成共振腔。这么一来，就只有沿共振腔轴线方向传播的光波能形成共振模式，沿其方向的共振模式消失，从而达到了控制共振腔内模数的目的，同时也降低了自发辐射的作用，降低了本底噪声水平；继而他们又构思实现受激辐射跃迁过程，即让受激辐射放大发挥作用。在开放式共振腔内放入发光材料，然后用光源对它进行泵浦，使原子获得激发，原子停留在激发态的平均时间很短，因此，起码会有不少原子会在同一时刻发射光子。这些光子（又称“外来光子”）又会诱导其它在激发态的原子产生受激辐射，使腔内“相同”光子数加倍；这些光子又诱导其它在激发态的原子受激辐射，使相同光子数目再加倍。如此不断循环进行，使腔内“相同”光子的数目以指数函数形式增长，当通过受激辐射过程产生的光功率，比腔壁以及腔内其它原因造成的损失还要大时，光源就可进入振荡状态。汤斯和肖洛指出：达到振荡状态时，光学材料内处于高能态的原子数目要比低能态原子数目多（即粒子数反转），并给出了要达到振荡，泵浦源需要给激光材料提供的最低能量或功率（阈值）。
第一台激光器
梅曼制成了世界上第一台激光器
20世纪50年代末，提出制造激光器的方案有好几种，汤斯和肖洛提出用碱金属蒸汽（主要是钾和钻）做激光器的工作物质，用金属气体放入电灯做泵浦源。贾万（A.Javan）提出用氟氖混合气体做激光器的工作物质，采用气体放电将氦、氖原子激发到高能级，梅曼（C.M.Maman）采用红宝石晶体做激光器的工作物质，用航灯做泵浦源。结果是：梅曼的工作方案首先获得成功，于1960年5月制成了世界上第一台激光器。
梅曼曾用红宝石晶体做过微波激射器的实验。当时，有人说，用红宝石晶体做激光器的工作物质并不合适，理由是，红宝石中铬离子受激发射跃迁的终态是基态，要产生粒子数反转需要非常强的泵浦光源，这种光源不容易找到。还有，红宝石晶体的量子效率较低。在经过一番分析对比和实验之后，梅曼决定采用红宝石，原因是：红宝石是固体，机械强度很高，很适用，可以室温工作。他通过实验测定发现：红宝石具有较高的量子效率。根据他的计算，Cr3+离子受激发射终态是基态这一点是事实，但关键是泵浦光源亮度，只要光源的辐射温度能达到5000K就行。氖灯的辐射温度可高达8000K，因此，应该可以满足要求。最后，他将体积为 1厘米3红宝石晶体塞进了一个螺旋形的氖灯，于1960年5月，观察到受激发射放大现象。同年7月，休斯公司召开新闻发布会，公布了这项发明，当天纽约时报作了报道，8月6日，英国《自然》杂志发表《红宝石光激射作用》一文。此后，将多实验室进行了重复实验，证实了梅曼的实验装置所得到的光辐射具有受激辐射的特点，荧光持续时间缩短，荧光谱线宽度变窄和相干性变好。激光器就这样问世了。
激光器三大要素
由分析梅曼的这台激光器可知，激光器主要由三部分组成：工作物质，他用的是5厘米3红宝石；共振腔，他用的是两块互相平行的反射镜，称平平腔，或F－P腔；泵浦源，他用的是螺旋形氖灯。现代激光理论表明：工作物质、共振腔和泵浦源乃是激光的三大要素，这是所有激光器都必须具备的。
这三大要素不同，所构成的激光器就不同：工作原理不同、激光特性不同、用途不同等。从而构成了如今五彩缤纷的、深入人类生活各个领域的激光大千世界。
(一)工作物质
工作物质是指能够产生受激辐射的材料。从原则上讲，光学透明、均匀性好的材料，包括固体、气体、液体等，都可用作激光器的工作物质。但从激光输出性能，如能量转换效率、相干性、器件寿命、功率稳定性、激光阈值、频率可调谐范围等方面考虑，对工作物质是有一定要求的。最基本要求是：光学性质均匀、光学透明性良好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能级等。
(二)共振腔
共振腔，也称谐振腔，是指光子可在其中来回振荡的光学胶体。梅曼激光器所用的谐振腔，由2块相互平行的平面反射镜组成，其中一块反射镜对激光的反射率接近100％，另一块对激光有适量透过率，以便对外输出激光。除了上述平平腔之外，还有其它形式的共振腔，如平凹腔、共焦腔等，共振腔的作用有两个：正反馈：让光辐射不断地在工作物质中往返传播，使受激辐射强度不断增强，最终达到和维持激光振荡；选模：原子向某个模作受激辐射跃迁的速率与处在这个模的光子数目成正比。共振腔内的模式很多，各个模的光学增益是不一样的，沿光轴附近小立体角内传播的模增益最大。随着光辐射在腔内往返传播次数的增加，处在这个模的光子迅速增多，以致后来差不多所有在激发态的原子都向这个模作受激辐射跃迁。于是，我们就可以获得发散角小、相干性更好的激光束。仔细设计腔镜反射率，可以让激光器输出不同波长，如 He－Ne激光器，可输出633纳米或1.5微米波长。
(三)泵浦源
泵浦源是指向工作物质供给能量的能源，依靠它把工作物质中的原子、分子从基态激发到高能态，并形成粒子数反转。常用的泵浦方式有：
1.电子注入。用电学方法将电子或空穴从作用区的两侧注入到作用区中，以在作用区形成粒子数反转。二极管激光器（LD）采用的就是这种方法，这种泵浦方法的优点是：结构简单，容易调制，效率高等。
2.光学泵浦。这是利用光源（如高亮度氙灯、氪灯或激光器）的光辐射把工作物质中的原子泵浦到高能态。固体激光器、光纤激光器、染料激光器、有机激光器等都采用这种方法。
对泵浦光源的基本要求是，发射波长应与工作物质吸收波长匹配。满足这个条件，泵浦光源的大部分光能就会真正用于泵浦，获得比较高的泵浦效率；此外，近年来，用半导体二极管激光器作泵浦光源，具有体积小，使用寿命长，发光效率高等优点。
3.气体放电泵浦。利用气体放电（弧光放电或辉光放电），加热气体，使它们电离，或者让电子、离子与工作物质中的原子发生非弹性碰撞，把它们激发到高能态。离子激光器、原子或分子气体激光器、金属蒸气激光器等采用这种方法。
4.粒子束泵浦。向工作物质注入高能电子或离子，让它们与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞，把后者激发到高能态。
高压气体激光器等采用这种方法。
5.化学泵浦。利用工作物质本身化学反应时所产生的能量，把原子、分子激发到高能态。化学泵浦可分为直接泵浦、能量转移泵浦和光分解泵浦三种方式，直接泵浦是由工作物质发生的化学反应形成激发态原子；能量转移泵浦是利用某些化学反应产生的激发态原子与工作物质的原子作非弹性碰撞，通过能量交换把后者激发到高能态；光分解泵浦是利用光辐射照射工作物质，使其发生光分解反应，并在反应过程中形成激发态原子。
激光的特点