現(xiàn)代很多領(lǐng)域中都使用了激光器，激光器在很多設(shè)備中都發(fā)揮著核心作用。今天我們一起學(xué)習(xí)一下激光器的工作原理。
1.光與物質(zhì)的三種相互作用
根據(jù)量子力學(xué)，原子中的電子有固定軌道和能級，能級間的能量量子化。當(dāng)物質(zhì)受到光的輻照時，光與物質(zhì)（原子、分子、電子等）相互作用，存在三種光躍遷過程（three optical transition processes）: 受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。以下討論輻射光與電子的相互作用，原子中的電子參見下圖。
1.1 受激吸收stimulated absorption
受激吸收，一般稱為吸收，原子中的電子吸收外來光場中的光子，從低能級躍遷至高能級，滿足hv=E2-E1,（受激）吸收使外來光子數(shù)減少，如下圖。
躍遷幾率（躍遷概率）為B12u(v)N1 ，其中B12為愛因斯坦B系數(shù)，u(v)為光場，N1為低能級上的粒子數(shù)。可見受激吸收與光場和低能級的粒子數(shù)有關(guān)系。
1.2 自發(fā)輻射spontaneous emission
自發(fā)輻射如下圖，激發(fā)態(tài)的粒子在初態(tài)處于高能級，處于不穩(wěn)定，向低能級躍遷，躍遷過程中輻射出光子，光子頻率滿足hv=E2-E1,。
自發(fā)輻射的躍遷幾率（transition probalility）為A21N2，其中A21為愛因斯坦A系數(shù)，N2為高能級上的粒子數(shù)?？梢娮园l(fā)輻射與高能級的粒子數(shù)有關(guān)系。A21的物理意義是指單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度，占E2能級總粒子數(shù)密度的百分比，即每一個處于E2能級的粒子在單位時間內(nèi)發(fā)生的自發(fā)躍遷幾率。
1.3 受激輻射stimulated emission
外來光子輻照至高能級的粒子，粒子結(jié)果產(chǎn)生向低能級躍遷，同時輻射出一個光子，這個光子與外來的入射光子波長頻率一致，滿足hv=E2-E1。受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同，即具有相同的頻率、偏振方向、傳播方向以及相同的相位。這樣，輸入一個光子，輸出變成了兩個狀態(tài)完全相同的光子，并且這兩個光子可再作用于其他粒子，繼續(xù)引起受激輻射，從而獲得大量特征完全相同的光子。即實現(xiàn)了光放大作用。
受激輻射躍遷幾率為B21u(v)N2，B21愛因斯坦B系數(shù)，受激輻射系數(shù)，u(v)為光場，N2為高能級上粒子數(shù)?？梢姡芗ぽ椛渑c光場和處于高能級的粒子數(shù)有關(guān)。
1.4 受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別
受激輻射光有完全相同的相位關(guān)系，為相干光(coherent)，例如激光。
自發(fā)輻射光沒有固定的相位關(guān)系，為非相干光（incoherent）,例如燈泡和蠟燭發(fā)光。
如下圖：
相干光(coherent)：
非相干光（incoherent，不同波長的光）
2.激光器原理
激光，受激而發(fā)的光，英文為laser, 是light amplification by stimulated emission of radiation的縮寫。從字面可以看出，激光的發(fā)光原理就是要使受激輻射占主導(dǎo)地位。使受激輻射占主導(dǎo)地位需要滿足兩個條件：一是實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，二是要使增益大于損耗。
2.1 粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)
我們知道，粒子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布，如下圖，
室溫情況下，粒子都處于低能級上，高能級上沒有粒子。以溫度T=3000K的熱輻射光源，發(fā)射可見光500納米為例，N2/N1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，說明受激輻射強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自發(fā)輻射強度，受激輻射是可以忽略不計的。受激吸收（吸收光子）使得系統(tǒng)的光子數(shù)極大地減小。
粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，就是使高能級E2的粒子數(shù)N2遠(yuǎn)大于低能級E1的粒子數(shù)N1。激光器采用激勵抽運系統(tǒng)（多采用光學(xué)激勵或氣體放電激勵）實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，如下圖：
泵浦源提供能量，將低能級E1上的粒子抽運輸送至高能級E3上（如果從E1抽運至E2，E2粒子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，很快輻射躍遷至低能級E1，這樣抽運和輻射很快平衡，實現(xiàn)不了N2遠(yuǎn)大于N1），高能粒子從E3躍遷至E2，高能級間E3至E2的躍遷是無輻射躍遷，即激發(fā)態(tài)粒子弛豫的過程。這樣，高能級上E2的粒子數(shù)就增多了，從而實現(xiàn)高能級E2上的粒子數(shù)比低能級E1上的粒子數(shù)多，即實現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，使光實現(xiàn)放大。
2.2 增益大于損耗
激光器都設(shè)計為長條棒狀，如下圖：
激光器內(nèi)部有激光介質(zhì)1（激活介質(zhì)或工作介質(zhì)），泵浦源2提供能量，光學(xué)諧振腔兩端為反射鏡，一個鏡子為反射率100%的全反射鏡3，另一個鏡子反射率略小于100%為激光輸出反射鏡4。
光源發(fā)出光子，刺激高能級的反轉(zhuǎn)粒子，高能級的反轉(zhuǎn)粒子向低能級產(chǎn)生輻射躍遷，發(fā)出相同的光束，所以一個光子變成了2個光子，繼續(xù)向前傳播，2變4, 進(jìn)而4變8，實現(xiàn)自發(fā)輻射的雪崩式放大，如下圖：
激光器中的光學(xué)諧振腔，將初次的出射光經(jīng)激光輸出鏡再反射回去，又進(jìn)行一次放大，完成一次正反饋。
正反饋過程在來回反射過程中，初始很小的光，就會被放大到一個很高級別的光（指光子數(shù)從1被放大到很大很大），使得這個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系里面的能量全部向這個方向集中，最后在輸出反射鏡這個地方，總有一點分量溢出耦合出來，即輸出激光。在這個放大過程中，在其他方向上同時也產(chǎn)生了少量損耗，但總體上，因諧振腔的放大作用，使增益大于損耗。
光學(xué)諧振腔的附加作用使激光頻率更加集中。
對于固定的共振系統(tǒng)，只能響應(yīng)一個頻率，或其諧波（像吉他兩點之間的弦，改變兩點距離，發(fā)出不同頻率的聲音）。諧振腔中兩個鏡子是固定的結(jié)點，光就像弦。只有當(dāng)光的波長是光程的半整數(shù)倍時，光來回的一個反射才是增強的，否則，會相干消掉。這個使得我們頻率也非常集中，所以輸出的激光光方向一致，波長集中。
激光的單色性特別高，空間相干性特別強，單色亮度非常高。激光幾乎都是平行的，向著一個方向。