一、激光是如何产生的——原理、特性、过程 

1．激光原理

激光是受激辐射的光放大的简称，英文名为Laser，故也被音译为镭射、莱塞等。1964年钱学森院士提议取名为“激光”，表明了“受激辐射”的科学原理，该名称获得了学术界一致认可，使用至今。

一般有两种发光方式：1）自发辐射；2）受激辐射。

自发辐射：按照字面意思，自发辐射是无外来光子激发原子，原子自发从高能级向低能级跃迁，发出随机的相位、偏振和传播反向毫无关系的光。

受激辐射：受激辐射需要外来光子激励激发基态的原子发生能级跃迁，从而释放出一个与外来光子在频率、相位、传播方向均一致的光子。受激辐射后一个光子变两个光子，因此被“放大了”，所以激光的全程为“受激辐射的光放大。”

受激辐射和自发辐射对比

数据来源：OFWEEK激光

2.激光特性

比较激光和普通光，激光具备四方面的优良性质：1）高能量密度；2）单色性；3）相干性；4）单一方向。

3.激光器发光过程

激光理论自1905年爱因斯坦提出光子说后，55年后，1960年梅曼利用一个高强闪光灯管来激发红宝石，在红宝石（红宝石是一种掺杂了铬原子的刚玉）受激时将发出一种红光，由此产生了世界上第一台激光器（红宝石激光器）。现实当中激光一般是由激光器产生。

激光器产生激光一般具有五个过程：

过程一：工作物质处于基态。所谓基态是指在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动的定态。

过程二：激励源给原子提供能量，发生粒子数反转。激励源就是泵浦源。粒子数反转是激光产生的前提，两能级间受激辐射几率与两能级间粒子数差有关，通常情况下处于低能级的原子数大于处于高能级的原子数，这种情况下得不到激光，为了得到激光，必须让高能级上的原子数大于低能级上的原子数，发生受激辐射，产生光放大。粒子数反转就是将基态的原子大量激发到亚稳态，在高能级和低能级之间实现粒子数反转。

过程三：自发辐射开始引发受激辐射。

过程四：受激辐射建立。

过程五：产生相干激光束。

激光器工作原理

数据来源：广州华之尊光材料公司官网 

二、激光器构成——泵浦源、增益介质、谐振腔

1.激光器的构成

根据上期激光产生的原理，激光器需要至少具备三部分：1）泵浦源；2）增益介质；3）谐振腔。泵浦源主要提供能量使得原子发生跃迁；增益介质是承载原子的物质，谐振腔是一块全反面镜和一块半反面镜构成的前提，主要目的是助光放大，是泵浦源和增益介质之间的回路。

激光器示意图

激光器实物图

2.泵浦源

 常见的泵浦方式主要有电泵浦、化学泵浦、光泵浦和气动泵浦四种。光泵浦和电泵浦被广泛使用，现在的固体激光器和光纤激光器均采用光泵浦的形式，使用的泵浦源为半导体激光器。

泵浦源按照激励方式分为：

普通光源泵浦。一般采用惰性气体制造成，例如氙灯、氪灯等。优势是成本低、无材料限制，劣势是泵浦效率低、功率低，适用于固体和液体激光器。

电泵浦。通电进行泵浦。优势是功率高、成本低，劣势是效率低，且部分材料不能进行泵浦。

激光泵浦源。使用半导体激光器进行泵浦。优势是功率中等、效率高、无材料限制，可以用于绝大部分激光器。劣势是成本高。

泵浦激励方式对比

3.增益介质

增益介质承载发生能级跃迁原子物质，很多固体、气体、液体材料均可作为增益介质。增益介质中原子的能级结构决定了输出激光的能量密度和波长。

增益介质及其对应波长

4.谐振腔

光子在增益介质中产生后方向是随机的，如果不对光子进行限制，得到的只是普通的光束，因此需要用谐振腔来限制方向，同时谐振腔让光子来回反射，使得受激辐射连续进行并不断的使光子加速，从而产生高质量和高能量的能量输出。

谐振腔有许多种不同的设计，有仅两块镜面构成的简单腔体，也有数十块镜面构成的复杂谐振腔。

光纤激光器中则采用光纤光栅作为谐振器，光纤光栅作用是使得特定波长的光不能通过，而其余波长的光透过光栅继续传播，是一种无源滤波器件。同时也可以通过改变谐振腔的设计，可以获得单模、多模等不同的输出模式，从而实现不同的应用。

光纤光栅