激光器工作原理
激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在呢？
 NASA供图 美国国家航空航天管理局兰利研究中心（Langley Research Center） |
整个宇宙中大约只有100多种不同的原子。我们看到的所有东西都是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。这些原子之间排列组合的方式决定了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！
原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转，就连构成我们座椅的原子也是不断运动着的。固体实际上也在运动！原子有几种不同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能量，它就可以从基态能量层级上升到激发态能量层级。激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。
下图可以很好地阐释原子的结构：
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最简单的原子模型 由原子核和沿轨道旋转的电子组成。 |
简单原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成。我们可以把电子云中的电子想象成沿多个不同轨道环绕原子核运动。
即便以现代技术观察原子，我们也无法看到电子的离散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会对我们的理解有所帮助。换言之，如果我们对原子加热，处于低能量轨道上的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。
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能量吸收： |
尽管这种描述很简单，但它确实揭示了原子形成激光的核心原理。
电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态。在此过程中，电子以光子（一种光线粒子）的形式释放能量。您会发现，原子不断地以光子形式释出能量。例如，烤箱中的加热元件变成亮红色，其中的红色就是由于原子受热激发而释放的红色光子。观看电视屏幕上的图像时，您看到的其实是磷原子受高速电子激发所释放的各种不同颜色的光线。任何发光物体，包括荧光灯、煤气灯、白炽灯，都是通过改变电子轨道并释放光子来发光的。
激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。
虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。
激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。受激电子所含能量比低层级电子的能量高。就像电子可以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量。如下图所示，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。释放的能量转化为光子（光能）的形式。发射出的光子具有特定的波长（颜色），这取决于释出光子时电子的能量状态。两颗拥有相同电子状态的原子会释放出相同波长的光子。
激光和普通光区别很大。它具有以下特性：
- 发射的激光具有单色性。激光含有一种特定波长（即特定颜色）的光线。光线的波长由电子回到低能轨道时释放的能量决定。
- 发射的激光具有良好的相干性。激光的组织结构较好，每个光子都紧跟其他光子运动。也就是说，所有光子的波前完全一致。
- 激光具有良好的指向性。激光光束紧密、集中且能量极高。相反，手电筒发出的光线朝多个方向散射，光线能量弱，集中度低。
为了实现以上三个特性，需要经过一个称为受激发射的过程。这种现象不可能在普通手电筒中出现，因为它的原子是随机释放光子。而受激发射时，原子是有组织地发射光子。
原子释放的光子具有特定的波长，此波长取决于激发态和基态之间的能量差。如果光子（拥有一定能量和相位）碰到另一个原子，且该原子拥有处于相同激发状态的电子，即可引起受激发射。第一个光子可以激发或引导原子发射光子，而后发射的光子（即第二个原子发射的光子）按与进入光子相同的频率和方向振荡。
激光器的另一个关键部件是一对反光镜，分别位于激光介质的两端。特定波长和相位的光子通过两端反光镜的反射，在激光介质之间来回穿行。在此过程中，它们会激发更多的电子由高能轨道向低能轨道跳跃，从而发射出更多相同波长和相位的光子，随后将产生“瀑布”效应，进而在激光器内迅速聚集起大量相同波长和相位的光子。激光介质某一端的镜面采用“半反射”镀层，也就是说它只会反射部分光线，而其他光线则可以穿透。穿透的光线就是激光。
红宝石激光器包括类似相机闪光灯的闪光管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质，闪光管是泵激源。
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1. 未发射状态的激光器 |
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2. 闪光管闪光并将光线射入红宝石棒。光线激发红宝石内的原子。 |
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3. 其中的部分原子释放出光子。 |
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4. 部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子。 |
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5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光！ |
以下是真实的三级激光器的工作原理示意图。
激光器分为许多不同种类。激光介质可以是固体、气体、液体或半导体。我们通常按照用于发出激光的介质对其进行分类：
- 固态激光器的发光材料分布在固态基质中（如红宝石激光或钕-钇铝石榴石激光）。钕-钇铝石榴石激光器可以发出波长为1064纳米(nm)的红外激光，其中1纳米等于1x10-9米。
- 气态激光器主要输出红色的可见光束，最常见的气态激光器包括：氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以发射远红外能量，用于切割高硬度物质。
- 准分子(Excimer)激光器使用由氯、氟等活性气体和氩、氪、氙等惰性气体组成的混合物，其英语名称取自“excited”（受激发的）和“dimers”（二聚体）两个单词。通电激发时，可产生准分子（即二聚体）。发射激光后，二聚体可产生紫外波段的光线。
- 染料激光器使用罗丹明6G等合成有机染料的溶液或悬浊液作为激光介质。染料激光器具有极为宽广的波长调节范围。
- 半导体激光器，有时也称为二极管激光器，属非固态激光器。这种电子设备通常体积小、功率低。它们可以内置到大型激光二极管阵列（如激光打印机或CD播放机的写入源）中。
红宝石激光器（如前所述）属固态激光器，其释放的波长为694纳米。根据所需发射的波长（参阅下表）、功率、脉冲持续时间，可以选择其他激光介质。有些激光器功能非常强大，例如二氧化碳（CO2）激光器可以切割钢板。二氧化碳激光器如此危险的原因在于其发射的激光处于光谱的红外和微波区域。红外辐射就是热量，因此二氧化碳激光器基本上可以熔化其对准的所有物体。
其他激光器，如二极管激光器，功率较弱，通常用于现在的便携式激光指示器。这些激光器通常能发出波长在630纳米至680纳米之间的红色光束。激光器广泛应用于工业和科研领域，例如，使用强激光激发其他分子，以观察其反应。
以下是一些常见的激光器及其激光波长：
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激光种类 |
波长（纳米） |
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氩氟激光（紫外光） |
193 |
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氪氟激光（紫外光） |
248 |
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氙氯激光（紫外光） |
308 |
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氮激光（紫外光） |
337 |
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氩激光（蓝光） |
488 |
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氩激光（绿光） |
514 |
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氦氖激光（绿光） |
543 |
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氦氖激光（红光） |
633 |
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罗丹明6G染料（可调光） |
570-650 |
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红宝石（CrAlO3）（红光） |
694 |
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钕-钇铝石榴石（近红外光） |
1064 |
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二氧化碳（远红外光） |
10600 |
根据可能造成的生理伤害，激光器可分为四个广泛的种类。每套激光设备都应具有以下四种标志之一：
- I级：这种激光器不会构成任何已知程度的伤害。
- I.A.级：这是一个特殊的级别，指“不适宜用眼睛直接观看”的激光器，比如超市使用的激光扫描器。此级别激光器的最高限定功率为4.0毫瓦。
- II级：指低功率可见光激光器，其发射功率比I级高，但是辐射功率不高于1毫瓦。人类对强光的自动防御反应可以保护人类不受伤害。
- IIIA级：指中低功率激光器（连续波：1-5 mW），只有光束内视的情况下才会构成危险。多数的笔状激光指示器都属于该级别。
- IIIB级：指普通功率的激光器。
- IV级：指高功率激光器（连续波：500毫瓦，脉冲波：10 J/cm2或漫反射极限值），任何情况下，无论直接还是间接观测都有危险，而且可能引发火灾或灼伤皮肤。IV级激光设备必须接受严格的控制。