激光

激光，表示产生激光的物理效应和装置。

激光射线是电磁波。 它们不同于用于照明的光源的光，例如白炽灯，主要在于高强度的无与伦比的组合，通常在非常窄的频率范围内（单色光），光束的锐利集束和长相干长度. 在非常宽的频率范围内，具有精确重复频率的极短且强烈的光束脉冲也是可能的。

激光在技术和研究以及日常生活中有许多可能的应用，从简单的光指示器（例如用于演示的激光指示器）到距离测量设备、切割和焊接工具、读取光存储介质（如 CD、DVD 和蓝光光盘）在日常医疗实践中，光盘、信息传输到激光手术刀和其他使用激光的设备。

在电磁波谱的不同区域有辐射的激光：从微波（微波激射器）到红外线（当时也称为 IRASER）、可见光、紫外线到 X 射线。 激发光的特殊性质源于它们以受激发射的形式产生。 激光的工作原理类似于光学放大器，通常采用谐振反馈。 为此所需的能量由激发光介质（例如晶体、气体或液体）提供，由于外部能量输入，在该介质中存在粒子数反转。 谐振反馈通常是由于激发光介质在电磁谐振器中对特定方向和波长的辐射而产生的。

除了原子跃迁的离散能级外，还有具有连续能量跃迁的激光类型，例如自由电子激光。 由于低于 13.6 eV 的原子能级是有限的，对应于 90 nm 的波长限制，因此在波长低于 10 nm 的 X 射线范围内工作的 X 射线激光器需要具有连续能量跃迁的设计。

一个激光在概念上由三部分组成：

活性介质（激发介质）在活性介质中，光子是由激发的原子或分子光学跃迁到能量更有利的状态而产生的。 激发光介质的核心条件是可以产生铸型反转。 这意味着光学跃迁的上层状态被占据的概率高于下层状态。 这样的介质至少要有三个能级，可以是气态（如CO2）、液态（如染料溶液）或固态（如红宝石晶体、半导体材料）。泵为了带来粒子数反转，激光介质能量泵入其中（英语泵）。 为了使这个泵浦过程不与受激发射竞争，它必须基于另一个量子力学跃迁。 泵浦可以使介质的原子或分子在光学上（光的照射）或电上（例如气体放电，在激光二极管的情况下为电流）进入激发态。谐振器例如，谐振器由两个平行的镜子组成，在这两个镜子之间活性激发光介质位于。 垂直于反射镜传播的光子保留在谐振器中，因此可以反复触发（激发）活性介质中更多光子的发射。 以这种方式创建的光子对应于所有量子数中的触发光子。 例如，横向离开谐振器的自发光子往往不会激发任何进一步的光子。 谐振器的这种选择导致激光辐射的辐射方向变窄。 一些谐振器也是波长选择性的（分色镜、布拉格光栅），因此可以进一步限制振荡的纵模。 在一些高增益激发光介质中，谐振器并不是实现受激发射所必需的（参见超级辐射器）。

首先，激发介质中的原子从较低能级（例如基态）转移到能量较高的能级，兴奋状态。 激发态的平均衰减时间（通常由于自发辐射）应尽可能长。 因此，泵浦能量在那里存储了“更长”的时间，从而可以建立粒子数反转。 具有要发射的能量的光子对原子的刺激现在足以使激发的原子回到其基态t 并因此发射与激发光子具有相同能量（即相同波长和频率）和相同相位位置的光子。 两个光子都朝同一个方向运动。 由于刺激光子的这种加倍，激发光介质就像光增强器一样。 “新形成的”第二个光子可以反过来刺激其他激发的原子发射，并发生连锁反应。

除了这种放大器效应之外，该装置还位于谐振器中（请参阅下面的激光谐振器），该谐振器通过其尺寸与所需波长相匹配。 这样，一个光子在多次穿过激发光介质时就有足够的机会激发其他原子。 谐振器基本上由阵列末端的两个反射镜组成。 产生的光束的方向也最终由这些反射镜决定。 两个镜子中的一个被设计成部分透明的，以便部分光线可以逸出并被利用。

在谐振器的活性介质中，有固定数量的 N 原子或分子，每个原子或分子都有几个但总是相同的能级。