前世今生

激光是20世纪继核能、半导体、计算机后又一重要发明，凭借其单色性、方向性、亮度等特性被广泛应用于军事、工业制造、生物医疗等领域，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。

LASER 是首字母缩写词，全称为 “Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.” 从英文名称就知道其含义，激光设备，通过激发原子或者分子，从而发射和增强特定波长的光。

图1 LASER全称

接下来就是大佬登场了，如下图，Albert Einstein、Charles Townes、Theodore Maiman，爱因斯坦提出了“受激辐射”理论（一个光子使得受激原子发射相同的光子），也就是激光的理论基础，如图3，最牛逼的大佬就是实验还没做出来，就预测了其理论。中间这位Charles Townes 1954年首次用实验证明爱因斯坦理论的科学家，但他做的是微波发射器，微波的波长比光要长，难度要低一点。1960年，Theodore Maima发明了第一个激光发射器。

值得一提的是，1961年，在王大珩领导的长春光机所诞生了中国第一台激光器。可见中国在建国初时光学技术是很领先的。

图2 三位大佬

图3 受激辐射

激光的三大特性

（1）线宽（linewidth）窄

线宽（linewidth）很窄，理想情况，只有一种波长的波。类似通信领域的带宽（band width）很窄。

图4

白炽灯的线宽很宽，波长覆盖范围广，如下图。

图5

（2）相干性（Coherence）

激光具有相同的偏振方向和相位，如下图。

图6

不同于普通的白炽灯，光波的方向是不相关的（incoherence），如下图

图7

（3）能量强

激光束具有高度的方向性，激光笔仅5 mW的功率对眼睛来说比阳光直射更“致盲”（和危险）。由于其高辐射度，激光束可以投射很远的距离或聚焦到非常小的点。精心设计的激光器产生的光束只会以衍射定律规定的最小量扩展（“发散”）。

图8

激光的基本原理

图9

爱因斯坦预测，被激发的原子可以通过一种称为受激发射的过程将储存的能量转化为光。这个过程通常从一个被激发的原子通过自发发射产生光子开始。当这个光子到达另一个被激发的原子时，相互作用会刺激该原子发射第二个光子。

这个过程有两个重要特征。首先，它是乘法的——一个光子变成两个光子。如果这两个光子与另外两个被激发的原子相互作用，这将产生总共四个光子，依此类推。其次，也是最重要的，这两个光子具有相同的性质：波长、方向、相位和偏振。这种在存在足够数量的激发原子的情况下“放大”光的能力导致“光学增益”，这是激光操作的基础。已经发现了各种固相、液相和气相材料，它们在适当的泵送条件下表现出增益。

图10

激光腔或谐振器是激光系统的核心。在某些高增益装置(如准分子激光器)中，通过一组受激原子或分子的单次跃迁就足以引发激光作用。然而，对于大多数激光器来说，需要通过多次通过激光介质来进一步提高增益。这是沿着由一组产生反馈的腔镜定义的光轴实现的(图10)。激光介质(晶体，半导体或封闭在适当约束结构中的气体)沿着谐振器的光轴放置。这个独特的具有很高光增益的轴也成为了激光束的传播方向。另一个不同的例子是独特的长增益轴是光纤激光器。