激光器 · aiwiki.page

激光器是一种通过受激辐射产生或放大光的装置。其英文名称 laser 最初是“light amplification by stimulated emission of radiation”（通过受激辐射实现光放大）的首字母缩略词。与大多数常规光源不同，激光器能够产生方向性很强、具有高度光学相干性且波长范围很窄的光束。这些特性使其成为光学、通信、制造和科学测量中的重要工具。激光辐射不一定是可见光，激光器也不一定以高功率运行。(educationalgames.nobelprize.org)

物理原理

激光器的工作原理基于量子力学。原子、分子或其他活性体系可以吸收能量，进入激发态，随后可能以光子的形式释放这些能量。在自发辐射中，发射过程无须入射光波触发；在受激辐射中，适当的入射辐射会诱导跃迁，使激发它的光场得到增强。这就是光放大的机制。(educationalgames.nobelprize.org)

对于两个能级之间的跃迁，光子能量满足 $E_2-E_1=h\nu$ ，其中 $h$ 为普朗克常数， $\nu$ 为光的频率。在常规激光器中，光放大需要粒子数反转：按适当权重计算后，激光上能级的粒子数多于下能级。外部泵浦维持这种非平衡状态，抵消材料倾向于吸收光而非放大光的作用。(catalogimages.wiley.com)

组成与运行

典型的激光器由增益介质、能量源和光学谐振腔组成。增益介质提供光放大；泵浦则通过光照、放电或其他激发机制，将能量传入介质。在简单的谐振腔中，反射镜使辐射反复通过介质，形成光学反馈。一面部分透射的反射镜允许部分往返传播的光射出，形成输出光束。(educationalgames.nobelprize.org)

当光放大能够补偿谐振腔内的损耗时，振荡便开始产生；这些损耗也包括作为有效输出而提取的光。这一条件确定了激光振荡阈值。超过阈值后，受激辐射消耗激发态粒子，而泵浦不断补充它们。介质与谐振腔共同决定哪些光学频率和空间分布能够持续存在。因此，输出既取决于发光材料，也取决于其周围光学系统的设计。(catalogimages.wiley.com)

光束特性

相干性描述光波相位在空间或时间上的相关性。空间相干性使光束能够聚焦到很小的区域，时间相干性则支持涉及光程差的测量。许多激光器还具有很窄的光谱线宽，因此适用于需要明确频率的场合。这些特性彼此相关，但并不等同。(catalogimages.wiley.com)

激光束仍会因衍射而扩散，并非完全平行。某些半导体激光器的发散程度较大，需要额外的光学元件进行准直。也并非所有激光都严格单色：超短脉冲包含多个光谱成分。激光的实际优势在于能够集中和控制辐射，而不是其总输出能量必然很大。(catalogimages.wiley.com)

主要类型

激光器通常按增益介质分类：

固体激光器使用晶体或玻璃基质中的活性离子。第一台成功运行的激光器以红宝石为介质；掺钕钇铝石榴石，即 Nd:YAG，通常在约 1,064 纳米处发光。
气体激光器包括氦氖激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器以约 633 纳米的红光输出而广为人知；二氧化碳激光器则在约 10.6 微米处具有显著的红外发射。
半导体激光器在半导体结构中产生光。其紧凑的结构使其适用于光盘读取器和通信系统等设备。
染料激光器使用有机染料溶液，可在一定范围内调节输出波长，而不局限于单一固定波长。(osha.gov)

连续与脉冲发射

连续波激光器提供持续输出，脉冲激光器则发射一个个离散的光脉冲。脉冲持续时间、重复频率和单脉冲能量是彼此独立的特征：短脉冲可以具有很高的峰值功率，却不一定具有相应的高平均功率。在比较激光系统及其与材料的相互作用时，这些区别十分重要。(osha.gov)

调Q技术先利用谐振腔损耗抑制振荡，使能量在增益介质中积累，再迅速降低损耗，释放出强烈的脉冲。锁模技术在各光学模式之间建立固定的相位关系，产生规则排列、持续时间短得多的脉冲序列，包括皮秒和飞秒脉冲。因此，这两种技术通过不同的机制控制脉冲的形成。(photonics.creol.ucf.edu)

历史发展

阿尔伯特·爱因斯坦于 1917 年提出受激辐射理论。20 世纪 50 年代，对能够放大微波辐射的微波激射器的研究，为光学器件奠定了实际基础。查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛于 1958 年分析了光学激射器的概念。1960 年，西奥多·梅曼展示了第一台成功运行的激光器，利用红宝石产生红光脉冲。(educationalgames.nobelprize.org)

1964 年诺贝尔物理学奖授予汤斯、尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫，以表彰他们在量子电子学方面的基础性工作，这些工作促成了微波激射器和激光器的诞生。此后的发展将激光技术拓展至半导体器件、精密光谱测量以及原子的冷却与俘获等领域。(educationalgames.nobelprize.org)

应用与危害

激光用于通过光纤传输信息、读取光盘和扫描条形码。在工业中，聚焦光束可用于切割、钻孔、焊接和标记。在光谱学中，可控波长用于探测物质；在干涉测量中，对相位敏感的测量能够揭示微小的光程差。LIGO 使用激光干涉仪，通过从相互垂直的两臂返回的光所产生的干涉变化，探测引力波。(osha.gov)

激光的危害取决于波长、暴露时间、功率和光束的几何特征。直接或反射的辐射可能损伤眼睛或皮肤，高功率系统还可能造成火灾。配套设备可能带来电气危险，材料加工则可能产生有害烟气。产品的安全等级描述的是在规定条件下人员可接触到的辐射；封闭式设备内部的激光器，其功率可能远高于该设备外部安全等级所暗示的水平。(osha.gov)