激光是基于受激辐射放大原理产生的一种相干光辐射。具体而言，能够产生激光的物质被激发后发生粒子数反转，通过谐振器的放大所释放出来的光就是激光（laser）。因此为了理解激光产生原理，首先需要明白几个概念，即受激释放、粒子数反转和光学谐振腔。

电磁辐射（electromagnetic radiation）：是指能量以电磁波的形式在空间传播的物理现象。电磁辐射具有波粒二相性。波的特性表现为电场和磁场的快速交替形成电磁波，具有波长（λ）和频率（f）。在固定的介质中，电磁辐射波的波长长，则频率低；相反，波长短，则频率高。长波长/低频率的电磁波携带的能量较短波长/高频率的能量低。电磁辐射的粒子特性表现为它所携带的能量是以光子的形式进行传导的，不是连续模式，这一特性是激光产生的重要因素。

爱因斯坦在1917年提出了一套全新的理论：在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子（photon）的激发（hν=E2-E1），会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。

处于高能态的原子时不稳定的，在没有外界的作用下，激发态原子会自发地向低能态跃迁，并释放一个光子，光子的能量是hν=E2-E1，这称为自发辐射。普通光源的发光就是自发辐射。由于发光物质中各个原子进行的是自发的独立的辐射，因此各个光子的相位、偏振态和传播方向没有确定的关系。对于大量的发光原子来说，即使在同样的两能级E1、E2之间跃迁，所发出的光也不是相干光。

处于低能态E1的原子，收到频率为v的光照射时，若满足hν=E2-E1，原子就有可能吸收光子向高能态E2跃迁，这种过程叫做受激吸收。

处于高能态的原子，若在自发辐射之前收到能量为hν=E2-E1的外来光子的诱发作用，就有可能从高能态跃迁到低能态。同时发射一个外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子，这一过程称为受激辐射。在受激辐射中，一个入射光子作用的结果会得到两个状态完全相同的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，这样继续下去，就会获得大量特征相同的光子，这个过程叫做光放大。这种受激辐射光的放大，就是激光。

如上所述，受激辐射是产生激光的基础。当能量为hν=E2-E1的光子进入原子系统时，受激吸收和受激辐射过程同时存在。且统计物理学指出，在通常的热平衡状态下，工作物质中的原子在各能级的分布服从玻尔兹曼分布定律，处于高能态的原子数远远小于处于低能态的原子数。因此在这种分布下，光通过物质时，受激吸收过程较受激辐射过程占优势，不能实现光放大（前文已提出，光放大是产生激光的必要条件），因此，想要实现受激辐射占优势，必须使高能态的原子数大于低能态的原子数，这种分布就叫粒子数布局反转。

要实现粒子数布局反转，要实现两个条件。

①激光工作物质（laser material，或称工作介质、增益介质、增益媒质）：是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质，这种物质必须具有适当的能级结构，其次必须从外界输入能量，使激活介质吸收能量跃迁到高能态。这一过程称为“激励”。激励的方法一般有光激励、化学激励、核能激励等。

②具有亚稳态能级的物质：处于激发态的物质是不稳定的，而有些物质存在比一般激发态稳定得多的亚稳态能级。具有亚稳态能级的物质就可以实现粒子数反转，从而实现光放大。

工作物质产生粒子数布局反转为产生激光提供了必要条件，单不能得到方向性和单色性很好的激光。利用谐振腔可实现将其他方向和频率的光子抑制住，只使某一方向和频率的光子享有最优越的条件被放大，从而获得方向性和单色性很好的激光。

谐振腔是一种光振荡器，它是在工作物质两端放置一对相互平行的反射镜所构成。如图所示，其中一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。

从上述激光的产生原理来看，一个激光器可由以下三个主要部分构成：

（1）工作物质

按工作物质来分，激光器可分为气体激光器，液体激光器和固体激光器（如红宝石激光器[4]）、半导体激光器和自由电子激光器；按光的输出方式则可分为连续输出激光器和脉冲输出激光器。

（2）激励能源

激励能源能将工作物质处于基态的粒子激发到所需要的激发态，以获得粒子数布局反转。红宝石激光器采用光激发方式，氦氖激光器采用气体放电进行激励。

（3）谐振腔

最简单的光学谐振腔由激光工作物质+反射镜片构成。谐振腔损耗越小，腔内光子寿命越长；腔内激光工作物质使谐振腔净损耗减小，光子寿命变长。

激光的产生机理决定了它与普通光源相比具有方向性好、单色性好、高亮度以及相干性好等特点，并使得它在许多领域得到广泛应用。

在医疗领域，飞秒激光是一种以脉冲形式发射的激光，持续时间只有几个飞秒（1飞秒=千万亿分之一秒），是人类在实验条件下所能获得的最短脉冲。飞秒激光被用于眼科手术，被誉为继波前像差技术之后“屈光手术的又一次革命”。

激光在科技、军事上的应用也有很多。如激光光谱、激光雷达、激光武器(远程击毁导弹)等等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。目前，低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备；高能激光武器主要采用化学激光器。

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