一、激光是如何產(chǎn)生的——原理、特性、過程?
1．激光原理
激光是受激輻射的光放大的簡稱，英文名為Laser，故也被音譯為鐳射、萊塞等。1964年錢學(xué)森院士提議取名為“激光”，表明了“受激輻射”的科學(xué)原理，該名稱獲得了學(xué)術(shù)界一致認(rèn)可，使用至今。
一般有兩種發(fā)光方式：1）自發(fā)輻射；2）受激輻射。
自發(fā)輻射：按照字面意思，自發(fā)輻射是無外來光子激發(fā)原子，原子自發(fā)從高能級向低能級躍遷，發(fā)出隨機的相位、偏振和傳播反向毫無關(guān)系的光。
受激輻射：受激輻射需要外來光子激勵激發(fā)基態(tài)的原子發(fā)生能級躍遷，從而釋放出一個與外來光子在頻率、相位、傳播方向均一致的光子。受激輻射后一個光子變兩個光子，因此被“放大了”，所以激光的全程為“受激輻射的光放大?！?/p>
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受激輻射和自發(fā)輻射對比
數(shù)據(jù)來源：OFWEEK激光
2.激光特性
比較激光和普通光，激光具備四方面的優(yōu)良性質(zhì)：1）高能量密度；2）單色性；3）相干性；4）單一方向。
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3.激光器發(fā)光過程
激光理論自1905年愛因斯坦提出光子說后，55年后，1960年梅曼利用一個高強閃光燈管來激發(fā)紅寶石，在紅寶石（紅寶石是一種摻雜了鉻原子的剛玉）受激時將發(fā)出一種紅光，由此產(chǎn)生了世界上第一臺激光器（紅寶石激光器）?，F(xiàn)實當(dāng)中激光一般是由激光器產(chǎn)生。
激光器產(chǎn)生激光一般具有五個過程：
過程一：工作物質(zhì)處于基態(tài)。所謂基態(tài)是指在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，電子在離核最近的軌道上運動的定態(tài)。
過程二：激勵源給原子提供能量，發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激勵源就是泵浦源。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的前提，兩能級間受激輻射幾率與兩能級間粒子數(shù)差有關(guān)，通常情況下處于低能級的原子數(shù)大于處于高能級的原子數(shù)，這種情況下得不到激光，為了得到激光，必須讓高能級上的原子數(shù)大于低能級上的原子數(shù)，發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生光放大。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是將基態(tài)的原子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，在高能級和低能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
過程三：自發(fā)輻射開始引發(fā)受激輻射。
過程四：受激輻射建立。
過程五：產(chǎn)生相干激光束。
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激光器工作原理
數(shù)據(jù)來源：廣州華之尊光材料公司官網(wǎng)?
二、激光器構(gòu)成——泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔
1.激光器的構(gòu)成
根據(jù)上期激光產(chǎn)生的原理，激光器需要至少具備三部分：1）泵浦源；2）增益介質(zhì)；3）諧振腔。泵浦源主要提供能量使得原子發(fā)生躍遷；增益介質(zhì)是承載原子的物質(zhì)，諧振腔是一塊全反面鏡和一塊半反面鏡構(gòu)成的前提，主要目的是助光放大，是泵浦源和增益介質(zhì)之間的回路。
激光器示意圖
激光器實物圖
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2.泵浦源
?常見的泵浦方式主要有電泵浦、化學(xué)泵浦、光泵浦和氣動泵浦四種。光泵浦和電泵浦被廣泛使用，現(xiàn)在的固體激光器和光纖激光器均采用光泵浦的形式，使用的泵浦源為半導(dǎo)體激光器。
泵浦源按照激勵方式分為：
普通光源泵浦。一般采用惰性氣體制造成，例如氙燈、氪燈等。優(yōu)勢是成本低、無材料限制，劣勢是泵浦效率低、功率低，適用于固體和液體激光器。
電泵浦。通電進(jìn)行泵浦。優(yōu)勢是功率高、成本低，劣勢是效率低，且部分材料不能進(jìn)行泵浦。
激光泵浦源。使用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行泵浦。優(yōu)勢是功率中等、效率高、無材料限制，可以用于絕大部分激光器。劣勢是成本高。
泵浦激勵方式對比
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3.增益介質(zhì)
增益介質(zhì)承載發(fā)生能級躍遷原子物質(zhì)，很多固體、氣體、液體材料均可作為增益介質(zhì)。增益介質(zhì)中原子的能級結(jié)構(gòu)決定了輸出激光的能量密度和波長。
增益介質(zhì)及其對應(yīng)波長
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4.諧振腔
光子在增益介質(zhì)中產(chǎn)生后方向是隨機的，如果不對光子進(jìn)行限制，得到的只是普通的光束，因此需要用諧振腔來限制方向，同時諧振腔讓光子來回反射，使得受激輻射連續(xù)進(jìn)行并不斷的使光子加速，從而產(chǎn)生高質(zhì)量和高能量的能量輸出。
諧振腔有許多種不同的設(shè)計，有僅兩塊鏡面構(gòu)成的簡單腔體，也有數(shù)十塊鏡面構(gòu)成的復(fù)雜諧振腔。
光纖激光器中則采用光纖光柵作為諧振器，光纖光柵作用是使得特定波長的光不能通過，而其余波長的光透過光柵繼續(xù)傳播，是一種無源濾波器件。同時也可以通過改變諧振腔的設(shè)計，可以獲得單模、多模等不同的輸出模式，從而實現(xiàn)不同的應(yīng)用。
光纖光柵
