自1960年第一台激光器问世以来，激光技术以其独特的特性和广泛的应用，迅速发展成为现代科技中的重要组成部分。激光不仅在科学研究中具有举足轻重的地位，还广泛应用于通讯、医疗、制造等各个领域。可以说不论从事什么行业，光学设计师总要和激光打打交道。但是不知道大家是否了解，“激光”一词的全称是什么呢？本篇文章将介绍激光的基本原理。首先，回顾光的受激辐射这一基础概念，然后探讨如何通过这一原理实现光的放大与振荡，进而产生激光。接着，我们将深入分析激光的几大基本特性。希望对各位工作和科研有所帮助。
Part1
受激辐射的原理和特点
要深入理解激光的原理，我们必须首先回顾光的受激辐射这一基础概念。受激辐射（Stimulated Emission）是指当一个电子由高能态跃迁到低能态时，释放出一个与原光子相同的光子，并且这个光子与原光子具有相同的频率、相位和传播方向。这一过程是激光产生的核心机制。
受激辐射的发现可以追溯到爱因斯坦于1917年提出的光与物质相互作用的理论模型。在这个模型中，爱因斯坦提出了两个重要的过程：自发辐射和受激辐射。自发辐射指的是原子或分子在没有外部刺激的情况下自发地释放光子，而受激辐射则是在外界电磁场的激发下，原子或分子从高能态跃迁至低能态时释放光子的过程。
“激光”一词实际上是“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。这个全称准确地描述了激光的本质——通过受激辐射过程实现光的放大。
Part2
光放大和振荡
在了解了受激辐射的原理和特点之后，我们需要探讨如何利用这一原理来实现光的放大与振荡，这是产生激光的关键步骤。
光放大是通过受激辐射实现的。当一个光子通过一个激活介质时，它可以诱发激活介质中的电子从高能态跃迁到低能态，同时释放出与原光子相同的额外光子。这个过程可以被看作是光信号的放大。
当一个光子（可以是自发辐射产生的或者是外部注入的）通过激活介质时，如果它的能量与激活介质中电子的能级差匹配，它可以诱发一个电子从高能级跃迁到低能级，并释放出一个与诱发光子完全相同的光子（包括频率、相位和偏振状态）。由于共振腔的反馈机制，这些光子在腔内来回反射，每次通过激活介质时都会诱发更多的受激辐射，从而实现光的放大。这个过程被称为“雪崩效应”，因为每次光子通过激活介质时，产生的光子数呈指数增长。
在激光器的共振腔内，存在许多可能的振荡模式。只有那些与共振腔模式匹配的光才能在腔内得到有效的放大。这是因为只有特定频率和方向的光才能在两个反射镜之间形成驻波，从而在腔内来回反射而不损失能量。当光在腔内放大到一定程度后，部分光子通过输出元件输出，形成激光束。输出的激光束具有高度的单色性、相干性和方向性。之前介绍过的波片在光学共振腔中就有应用。
不同横模的形状
激光振荡过程中，光的放大主要依赖于受激辐射和光学共振腔的反馈机制。激光器的激活介质中的原子或分子被外部能量源（泵浦源）激发，通常是通过电能、光能或其他形式的能量，使得电子跃迁到高能级（激发态）。通过泵浦，激活介质中处于高能级的粒子数多于低能级的粒子数，形成所谓的“粒子数反转”状态。这是产生激光的必要条件，因为在自然状态下，原子或分子的基态粒子数总是多于激发态的。
激光振荡过程中的粒子数反转是一个关键现象，它是指在激活介质中，处于高能级（激发态）的粒子数多于处于低能级（基态）的粒子数。这种非平衡状态是实现激光放大和振荡的基础。
粒子数反转是激光产生的基础，但维持这种状态需要精确控制泵浦过程和激活介质的特性。不同的激光器设计和激活介质可能需要不同的方法来实现和维持粒子数反转。综上所述，为了实现持续的光放大和振荡，需要构建一个激光器，它至少包含激活介质，泵浦源和光学谐振腔，这三部分的基本功能总结如下：
- 激活介质：这是激光器的核心部分，包含了能够进行受激辐射的原子或分子。
- 泵浦源：泵浦源用于提供能量，使激活介质中的电子激发到高能态，为受激辐射做准备。
- 谐振腔：谐振腔的作用是提供反馈机制，使得光子在腔内来回反射，多次通过激活介质，从而实现光的持续放大。
Part3
激光的特性
激光技术之所以在众多领域中得到广泛应用，很大程度上归功于激光的独特特性。这些特性可以总结为三好一高，即高亮度、方向性好、单色性好和相干性好，它们共同决定了激光在实际应用中的行为和效果。
高亮度
激光的高亮度意味着它能够在很小的面积上集中非常高的能量。这种高强度的光束使得激光在材料加工、医疗手术和军事应用中表现出色。例如，在激光切割和焊接中，高亮度的激光束能够迅速熔化或蒸发材料，实现精确的加工。
方向性
激光束具有极好的方向性，这意味着它能够在长距离上保持相对狭窄的光束宽度。这一特性使得激光在测距、定位和指向应用中非常有用。例如，激光雷达（LiDAR）技术就依赖于激光的高方向性来精确测量距离和创建三维地图。
单色性
激光光束的频率非常单一，这意味着它具有非常窄的频率带宽。这种高单色性使得激光在光谱学、精密测量和原子物理学中成为理想的光源。在这些应用中，激光的单色性允许科学家进行精确的频率控制和测量。
相干性
激光的高相干性是指光束中不同部分的光波之间具有恒定的相位关系。这种相干性使得激光能够产生干涉图样，并且在光纤通信中实现长距离的信息传输。相干光源的使用大大提高了信号的传输质量和系统的灵敏度。
为了充分利用激光的这些特性，必须精确控制激光束的质量和方向。这通常涉及到具体的光学设计，如利用透镜、反射镜、波片和光阑，来整形和引导激光束。关于这方面的内容，我在公众号已经写过很多了，欢迎大家阅读。
此外，自适应光学系统能够实时调整光束的波前，以补偿大气扰动或其他介质引起的畸变，确保激光束的质量和方向保持在所需的标准。而今年来得到广泛应用的衍射元件也是研究的热点。例如单个DOE元件即可实现激光光束的高质量整形，可以将均匀的入射高斯光束整形成线性、矩形或各种设计要求的平顶光斑，如下面的案例所示（实例所用DOE元件为Holo/or公司产品）
Part4
总结
在本文中，我们尝试解释“激光”一词其实是“受激辐射光放大”的缩写。接着我们详细讨论了激光的几大基本特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，这些特性共同赋予了激光在现代科技中的独特地位和广泛应用。
最后，还是谢谢各位看到这里。您的点赞、转发就是我更新的动力，如果对您有帮助，可以在下面赞赏作者哦。拜托啦，这对我真的很重要。对本文中提到的系统有任何疑问或者需要，可以加下方微信交流。
更多精彩内容，请关注之晓光学公众号，获取更多光学设计专业知识。近期其他精彩内容：
END
更多内容请到之晓光学公众号主页
广告/咨询/合作/科研成果推广等，请联系微信号: lgs810975
