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激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）意指通過受激輻射實現(xiàn)的光放大，其原理是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發(fā)）出來的光子束（激光），其中的光子光學(xué)特性高度一致。激光因此具有：高亮度、單色性、方向性好、相干性好的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中應(yīng)用最為重要的是極高的能量密度。激光單色性好并發(fā)散角小，可以聚集出微米大小的小斑點(diǎn)，加上自身的高強(qiáng)度特點(diǎn)，可以讓激光聚集點(diǎn)的溫度達(dá)到10000攝氏度以上。這樣高的溫度幾乎可以使任何的固體材料瞬間便融化，甚至可能蒸發(fā)掉。理論上激光是可以加工各種固體材料的。激光的應(yīng)用范圍自誕生之日起便得到了不斷的拓展，形成了激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光測量等一系列新興產(chǎn)業(yè)。
受激吸收：處于較低能級的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應(yīng)的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。
自發(fā)輻射：粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。
受激輻射：1917年，愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當(dāng)頻率為 ν=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射兩個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。
現(xiàn)在的激光器多使用四能級系統(tǒng)，泵浦源將基態(tài)的粒子抽運(yùn)到高能級E3后通過自發(fā)輻射來到E2能級，由于E1能級不是基態(tài)，通常情況下這一能級幾乎沒有粒子，因此在E2能級與E1能級之間能夠很容易地形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)外來光能量與E1能級與E2能級能級差相等時能夠產(chǎn)生受激輻射，對光進(jìn)行放大。
產(chǎn)生激光的條件有：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光增益大于損耗。因此激光器的組成部分一般有：泵浦源、諧振腔、工作介質(zhì)三部分。
泵浦源是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機(jī)構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種：1.光學(xué)激勵(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成，這種激勵方式也稱作燈泵浦。2.氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。3.化學(xué)激勵。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。4.核能激勵。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質(zhì)并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。
工作介質(zhì)是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。
諧振腔通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：1.提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。2.對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用取決于1.組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式；2.給定的共振腔型，包括平行平面腔，平凹腔，對稱凹面腔，凸面腔等（其對腔內(nèi)不同行進(jìn)方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性）?？梢允沟眉す舛啻瓮ㄟ^工作介質(zhì)反復(fù)放大最終輸出激光。
根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：1.固體激光器（晶體和玻璃），這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的；2.氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用的工作粒子性質(zhì)的不同，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；3.液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機(jī)熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機(jī)化合物溶液，其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機(jī)化合物液體（如SeOCl2）則起基質(zhì)的作用；4.半導(dǎo)體激光器，這類激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用；5.自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場中高速運(yùn)動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域。
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