激光与普通光：区别何在？激光如何产生
激光与普通光：区别何在？激光如何产生
激光技术是现代科技的重要组成部分，从医疗手术到工业加工，从光通信到科学研究，激光的应用无处不在。那么，激光究竟是如何产生的？它与我们常见的普通光又有哪些不同？本文将为您详细解析激光的基本原理。
在现代科技的众多奇迹中，激光技术无疑是最引人注目的创新之一。自从第一台激光器在1960年问世以来，激光已经变革了医疗、通信、工业加工和科学研究等众多领域。激光器的高度集中能量和精确控制使其成为现代技术不可或缺的工具。
“激光”一词代表“受激辐射光放大”。 激光是通过吸收辐射能量而放大的光。激光辐射由激光源生成，高密度能量激发晶体棒（固态激光）或特殊气体混合物（气体激光）而产生激光辐射。此能量以光线（闪光灯光或二极管激光器）或以电释放的形式（相当于荧光灯）提供。水晶棒或激光激活气体位于两个镜子之间，形成激光谐振腔，将激光引向特定方向，通过此方式放大光信号。激光以确定比例部分穿过透光镜，用于材料加工。
激光与普通光的区别
方向性好
普通光源（太阳、白炽灯或荧光灯）向四面八方发光，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光每200千米扩散直径小于1米，若射到距地球3.8×105km的月球，光束扩散不到2千米，而普通探照灯几千米外就扩散到几十米。
单色性好
光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长，是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光以及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米，其波长变化范围不到万分之一纳米。例如，激光良好的单色性为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。
相干性好
干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性，它必然会是相干性极好的光。激光的这一特性使全息照相成为现实。所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。
亮度高
激光是当代最亮的光源，只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是1.865×109cd/m2，而一台大功率激光器的输出光亮度可以高出太阳光的亮度7～14个数量级。尽管激光的总能量并不一定很大，但由于能量高度集中，很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。例如，激光打孔、切割、焊接和激光外科手术等实际应用就是利用了这一特性。
激光的产生
著名物理学家爱因斯坦早在1917年就已经发现了激光产生的原理，但直到1958年才成功制造出激光。
激光（LASER）是 光受激辐射放大（LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation）的简称。
碳原子示意图
我们知道，物质是由原子组成的。上图显示了碳原子的示意图。原子的中心是原子核。它由质子和中子组成。质子带正电荷，但中子不带任何电荷。原子外面是一团带负电荷的电子。它们围绕着原子核运动。
有趣的一点是，在原子中，电子的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学指出，每个电子都停留在一定的能级上，不同的能级对应着不同的电子能量。为了简化图片，我们可以将能级想象为围绕原子核的一些轨道。它们离原子核越远，它们的能量就越高。而且，每个轨道可以容纳的最大电子数也不同。例如，最低轨道（最接近原子核的轨道）有两个电子的容量，而较高的轨道最多可以容纳八个电子。这种简化模型实际上并不完全准确，但足以帮助我们解释激光的基本原理。
原子中的电子跃迁
当一个原子的所有电子都处于最低能级，该原子拥有最低的能量，我们说它处于基态。碳原子示意图显示了基态碳原子的电子排布。当一个或多个电子处于较高能级时，我们说原子处于激发态。
电子通过吸收或发射光在能级之间转移。这些转换分为三种类型：
自发吸收：电子通过吸收光子，从较低能级跃迁到较高能级（图原子中的电子跃迁a）。
自发发射：电子自发发射光子，以从较高能级过渡到较低能级（图原子中的电子跃迁b）。
在这些过程中，吸收或释放的光子能量总是等于两个能级之间的能量差。由于光子的能量决定了光的波长，因此吸收或发射的光具有一定的颜色。
- 受激发射：光子入射到物质中，以刺激电子从较高能级过渡到较低能级，并发射光子。当原子处于某种激发态时，有能量合适的光子从该原子附近通过，该原子就会释放出一个具有同样电势能的光子，从而跃迁到低能级状态。入射光子和发射光子具有相同的波长和相位，该波长对应于两个能级之间的能量差。一个光子刺激一个原子发射另一个光子，因此产生两个相同的光子（图原子中的电子跃迁c）。
激光的产生过程可以概括为以下几个步骤：
激发：激光介质（增益介质）中的原子或分子被外部能量源激发，比如电流、光、化学反应或热能，从低能级跃迁到高能级。这个过程导致介质中的粒子数在高能级上超过低能级，形成一个“粒子数反转”状态。
受激发射：原子(分子)从外部吸收能量后,从低能级(基底状态)变为高能级。将这种状态称为受激状态这种受激状态是不稳定的状态，将会立即恢复到低能级。此时释放出相当于能量差的光。通常将此现象称为传递，放射出的光与同样处于受激状态的其他原子碰撞，引起同样的传递。将这种受激后放射出的光称为受激发射。
光的放大：当一个处于高能级的粒子受到一个与两个能级之间能量差相匹配的光子的刺激时，它会以相同的频率、相位和方向辐射出一个光子，同时跃迁到低能级。随着越来越多的粒子通过受激发射过程释放光子，光的强度不断增加，形成光放大。这个过程可以在一个光学谐振腔（由两个反射镜组成）中进行，以确保光子在介质中来回反射，从而多次通过增益介质，实现持续的放大。
最终，一些电子会通过发射光子返回到较低的能级。发射的光子会被位于在激光介质两端的反射镜反射，激发更多的电子进行受激发射，从而增加激光的强度。两端的一面镜子会反射所有光子，另一面会反射大部分光子，穿过反射镜的小部分光子构成了我们看到的激光。
参考文献：
1.一文看懂激光技术
https://zhuanlan.zhihu.com/p/27990894
2.什么是激光？如何产生的？