激光器廣泛用于各種產品和技術，其種類之多令人驚嘆。從CD播放機、牙鉆、高速金屬切割機到測量系統，似乎所有東西都有激光器的影子，它們都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手電筒光束的區別何在呢？
 美國國家航空航天管理局蘭利研究中心（Langley Research Center） 的光學損傷閥值測試裝置有三部激光器：高能脈沖釹-釔鋁 石榴石激光器、鈦-藍寶石激光器和諧振氦氖激光器。 的光學損傷閥值測試裝置有三部激光器：高能脈沖釹-釔鋁 石榴石激光器、鈦-藍寶石激光器和諧振氦氖激光器。 |
整個宇宙中大約只有100多種不同的原子。我們看到的(de)(de)所有東西都是由這(zhe)100多種原子以窮(qiong)極無限的(de)(de)方式(shi)(shi)組合而成。這(zhe)些原子之間排列(lie)組合的(de)(de)方式(shi)(shi)決定了(le)構成的(de)(de)物體是一杯水、一塊金屬或是汽水瓶(ping)中的(de)(de)泡沫！
原子是永恒運動著的。它們不停地振動、移動和旋轉，就連構成我們座椅的原子也是不斷運動著的。固體實際上也在運動！原子有幾種不同的激發狀態，換言之，它們具有不同的能量。如果賦予原子足夠的能量，它就可以從基態能量層級上升到激發態能量層級。激發(fa)態能(neng)量層級的高低取決(jue)于(yu)通過(guo)熱能(neng)、光能(neng)、電(dian)能(neng)等形(xing)式賦予原子(zi)的能(neng)量有多少。
下圖可以很好地闡釋原子的結構(gou)：
 由原子核和沿軌道旋轉的電子組成。 |
簡單原子(zi)由原子(zi)核（含(han)有質子(zi)和(he)中子(zi)）和(he)電子(zi)云組成。我們(men)可(ke)以(yi)把(ba)電子(zi)云中的電子(zi)想象成沿多個不同軌道環繞原子(zi)核運(yun)動。
即便以現代技術觀察原子，我們也無法看到電子的離散軌道，但把這些軌(gui)道設想成原(yuan)子(zi)(zi)不同的(de)能級會對(dui)(dui)我們的(de)理解有所(suo)幫助。換(huan)言之，如果我們對(dui)(dui)原(yuan)子(zi)(zi)加熱(re)，處于(yu)低能量軌(gui)道上的(de)部分電子(zi)(zi)可能受(shou)激(ji)發而(er)躍遷(qian)到距離原(yuan)子(zi)(zi)核更遠的(de)高(gao)能量軌(gui)道。
 原子可以吸收熱能、光能、電能等形式的能量。然后電子可以從低能量軌道躍遷至高能量軌道。 |
盡管這種描述很簡單，但它確實揭示了原(yuan)子形成激光的核(he)心原理。
電子躍遷至更高能軌道后，最終仍要回到基態。在此過程中，電子以光子（一種光線粒子）的形式釋放能量。您會發現，原子不斷地以光子形式釋出能量。例如，烤(kao)箱中的加熱元件變成亮紅色，其中的紅色就是由于原子受熱激發而釋放的紅色光子。觀看電視屏幕上的圖像時，您看到的其實是磷原子受高速電子激發所釋放的各種不同顏色的光線。任何發光物體，包括熒光燈、煤(mei)氣(qi)燈(deng)、白熾燈，都是通過(guo)改變(bian)電(dian)子軌道并(bing)釋放光(guang)子來發光(guang)的(de)。
激光器是控制受(shou)激原(yuan)子的(de)光子釋放方(fang)式的(de)設備。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受(shou)激輻射(she)光放大）的(de)簡(jian)稱(cheng)。這一名稱(cheng)簡(jian)要的(de)描(miao)述了激光器的(de)工作原(yuan)理。
雖然激光器種類繁多，但它們都有一些基本特征。激光器中，激光介質須經過泵激使原子處于激發狀態。一般來說，高強度閃光或放電可以泵激介質，進而產生大量激發狀態的原子（含高能電子的原子）。而激光器要有效運行就必須要有大量處于激發狀態的原子。一般來說，原子必須受激上升到基態以上兩到三個能量層級。這就提高了粒子數反轉的程度。粒子數反(fan)轉是指處于激發態的原子和處于基態的原子之(zhi)間的數量比。
激光介質受到泵激后，其中就包括一批帶有激發態電子的原子。受激電子所含能量比低層級電子的能量高。就像電子可以吸收一定能量達到激發態一樣，電子也可以釋放這種能量。如下圖所示，電子只要向低層級躍遷，就會釋放部分能量。釋放的能量轉化為光子（光能）的形式。發射出的光子具有特定的波長（顏色），這(zhe)取(qu)決于(yu)釋(shi)(shi)出光子(zi)時(shi)電(dian)子(zi)的能(neng)量狀(zhuang)態。兩(liang)顆(ke)擁(yong)有相(xiang)同電(dian)子(zi)狀(zhuang)態的原子(zi)會釋(shi)(shi)放出相(xiang)同波長的光子(zi)。
激光和普通光區別很大。它具有以下特性：
發射的(de)激光具(ju)有(you)單色(se)性(xing)。激光含有(you)一(yi)種特(te)定(ding)(ding)波長（即特(te)定(ding)(ding)顏(yan)色(se)）的(de)光線。光線的(de)波長由電子(zi)回到(dao)低能軌道時釋(shi)放的(de)能量決(jue)定(ding)(ding)。
發(fa)射的(de)(de)激(ji)光具有良好的(de)(de)相干(gan)性。激(ji)光的(de)(de)組織結(jie)構(gou)較好，每個光子(zi)都緊(jin)跟其他光子(zi)運動。也就是說，所有光子(zi)的(de)(de)波(bo)前完(wan)全一致。
激(ji)(ji)光(guang)(guang)具有(you)良好的(de)(de)指向性。激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)緊密(mi)、集中(zhong)且(qie)能(neng)量(liang)極高。相(xiang)反，手電筒發出的(de)(de)光(guang)(guang)線(xian)朝多個方向散射，光(guang)(guang)線(xian)能(neng)量(liang)弱，集中(zhong)度低。
為了實現以上三個特性，需要經過一個稱為受激發射的(de)過程(cheng)。這種現象(xiang)不(bu)可能在普通手電筒中(zhong)出現，因為它的(de)原子(zi)是(shi)隨(sui)機釋放光子(zi)。而受(shou)激發射(she)時(shi)，原子(zi)是(shi)有組(zu)織地(di)發射(she)光子(zi)。
原子(zi)(zi)(zi)釋放的(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)具(ju)有特定的(de)波長，此波長取決于(yu)(yu)激發(fa)(fa)態(tai)(tai)和(he)基態(tai)(tai)之間的(de)能量(liang)差。如果光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)（擁有一(yi)定能量(liang)和(he)相位）碰到另一(yi)個原子(zi)(zi)(zi)，且該原子(zi)(zi)(zi)擁有處(chu)于(yu)(yu)相同激發(fa)(fa)狀態(tai)(tai)的(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)，即(ji)可引起受激發(fa)(fa)射。第一(yi)個光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)可以激發(fa)(fa)或引導原子(zi)(zi)(zi)發(fa)(fa)射光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)，而(er)后發(fa)(fa)射的(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)（即(ji)第二個原子(zi)(zi)(zi)發(fa)(fa)射的(de)光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)）按與進入光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)相同的(de)頻率和(he)方向振(zhen)蕩。
激光器的另一個關鍵部件是一對反光鏡，分(fen)別位于(yu)激(ji)(ji)光(guang)(guang)介質的(de)(de)兩端。特定(ding)波(bo)長(chang)和相位的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)通過兩端反(fan)(fan)光(guang)(guang)鏡(jing)的(de)(de)反(fan)(fan)射(she)(she)，在(zai)(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)介質之間來(lai)回穿(chuan)行。在(zai)(zai)此(ci)過程中，它們會激(ji)(ji)發(fa)更多的(de)(de)電(dian)子(zi)由高能軌(gui)(gui)道向低能軌(gui)(gui)道跳躍，從而(er)發(fa)射(she)(she)出更多相同波(bo)長(chang)和相位的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)，隨后將產生“瀑布(bu)”效應，進而(er)在(zai)(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器內迅速聚集起(qi)大量相同波(bo)長(chang)和相位的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)。激(ji)(ji)光(guang)(guang)介質某一端的(de)(de)鏡(jing)面采用(yong)“半反(fan)(fan)射(she)(she)”鍍層(ceng)，也就是說它只會反(fan)(fan)射(she)(she)部分(fen)光(guang)(guang)線，而(er)其他光(guang)(guang)線則可(ke)以穿(chuan)透(tou)。穿(chuan)透(tou)的(de)(de)光(guang)(guang)線就是激(ji)(ji)光(guang)(guang)。
紅寶石激光器包括類似相機閃光燈的閃光管、紅寶(bao)石(shi)棒和兩面(mian)反(fan)射鏡（其(qi)中一面(mian)為半反(fan)射鏡面(mian)）。紅寶(bao)石(shi)棒是激(ji)光介(jie)質，閃光管是泵激(ji)源。
 1. 未發射狀(zhuang)態的(de)激光器 |
 2. 閃光管閃光并將光線(xian)射入紅寶石棒。光線(xian)激(ji)發紅寶石內的(de)原子。 |
 3. 其中(zhong)的部分原(yuan)子釋(shi)放出光子。 |
 4. 部分(fen)光子(zi)沿紅寶石(shi)軸的(de)平(ping)行方向運(yun)動，因而在兩塊反光鏡之間來回反彈。它們(men)經(jing)過(guo)紅寶石(shi)晶體(ti)時，還會繼(ji)續激(ji)發(fa)其他原子(zi)。 |
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以下是真實的三級激光器的工作(zuo)原(yuan)理(li)示意圖。
激光器分為許多不同種類。激光介質可以是固體、氣體、液體或半(ban)導(dao)體。我們通常按照用于發出激光的介質對其進行分類：
固態激光器的發光材料分布在固態基質中（如紅寶石激光或釹-釔鋁石榴石激光）。釹-釔鋁石榴石激光器可以發出波長為1064納米(nm)的紅外激光，其中1納米等于1x10-9米。
氣態激光器主要輸出紅色的可見光束，最常見的氣態激光器包括：氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以發射遠紅外(wai)能(neng)量，用于(yu)切割(ge)高硬(ying)度物質。
準分子(Excimer)激光器使用由氯、氟(fu)等活性(xing)氣體和(he)氬、氪、氙等惰(duo)性(xing)氣體組成(cheng)的混合物，其英(ying)語(yu)名(ming)稱取自“excited”（受激發的）和(he)“dimers”（二(er)(er)聚(ju)體）兩(liang)個單詞。通電激發時，可(ke)產生準分子（即二(er)(er)聚(ju)體）。發射激光(guang)后，二(er)(er)聚(ju)體可(ke)產生紫外波段的光(guang)線。
染料激光器使用羅(luo)丹(dan)明6G等合(he)成有機染(ran)(ran)料的溶液或懸濁液作為激(ji)光介質(zhi)。染(ran)(ran)料激(ji)光器具有極為寬(kuan)廣的波長調節范(fan)圍。
半導體激光器，有時也稱為二極管激光器，屬非固態激光器。這種電子設備通常體積小、功率低。它們可以內置到大型激光二極管陣列（如激光打印機或CD播放機的寫入源）中。
紅寶石激光器（如前所述）屬固態激光器，其釋放的波長為694納米。根據所需發射的波長（參閱下表）、功率、脈沖持續時間，可以選擇其他激光介質。有些激光器功能非常強大，例如二氧化碳（CO2）激光器可以切割鋼板(ban)。二氧化碳激光器如此(ci)危險的(de)原因在于其發(fa)射(she)(she)的(de)激光處于光譜的(de)紅(hong)外和微波區域。紅(hong)外輻射(she)(she)就是熱量(liang)，因此(ci)二氧化碳激光器基本上可以熔化其對準(zhun)的(de)所有物體。
其他激(ji)(ji)光(guang)(guang)器，如(ru)二極(ji)管激(ji)(ji)光(guang)(guang)器，功率較弱，通(tong)常用于(yu)現在(zai)的便攜式(shi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)指示(shi)器。這些(xie)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器通(tong)常能(neng)發出(chu)波長(chang)在(zai)630納(na)米至680納(na)米之間(jian)的紅(hong)色光(guang)(guang)束。激(ji)(ji)光(guang)(guang)器廣泛應用于(yu)工業和科研領域(yu)，例如(ru)，使用強激(ji)(ji)光(guang)(guang)激(ji)(ji)發其他分子(zi)，以觀察其反(fan)應。
以下是一些常見(jian)的激光器及其激光波長：
根據可能造成的(de)生理傷害，激(ji)光(guang)器(qi)可分為四個廣泛的(de)種類。每(mei)套激(ji)光(guang)設備(bei)都應具有以下(xia)四種標志之一：
I級：這種(zhong)激光器不會構(gou)成任何已(yi)知程度的傷害。
I.A.級：這是一(yi)個特殊的級(ji)別(bie)，指“不適(shi)宜用眼睛直接觀看(kan)”的激(ji)(ji)光器，比(bi)如超(chao)市使用的激(ji)(ji)光掃描(miao)器。此級(ji)別(bie)激(ji)(ji)光器的最(zui)高限定功率為4.0毫瓦。
II級：指低功(gong)率(lv)可見光激(ji)光器(qi)，其(qi)發射功(gong)率(lv)比I級高，但是輻射功(gong)率(lv)不高于(yu)1毫瓦。人類(lei)對強光的自動防御(yu)反應可以保護人類(lei)不受(shou)傷害。
IIIA級：指中低功率激光器(qi)（連續(xu)波(bo)：1-5 mW），只有光束內視的情況下才會構成危險。多數的筆狀激光指示器(qi)都屬(shu)于該(gai)級別。
IIIB級：指普通(tong)功率的激光(guang)器(qi)。
IV級：指高功率激光器（連續波：500毫瓦，脈沖波：10 J/cm2或(huo)(huo)漫(man)反射極限值），任(ren)何(he)情(qing)況下，無論直接(jie)還是間接(jie)觀測都有危險(xian)，而且可能(neng)引發火災或(huo)(huo)灼傷(shang)皮膚(fu)。IV級激光設備(bei)必(bi)須接(jie)受嚴格的(de)控(kong)制。