激光切割，激光打标，激光雕刻，激光位移传感器等，都是基于激光。

所以今天我们分享一下激光的基础知识。

本文包含如下内容：

1．什么是激光？

2．激光是如何产生的？

3．激光与自然光有什么区别？

4．激光有哪些种类？

5．激光有哪些等级？

01

什么是激光

激光这个词，对你来说，应该不会陌生。

我们在日常生活中经常会遇到激光，例如教室中使用的激光笔，以及用于读取CD数据的CD-ROM。在工业上，激光常用于切割和显微加工，位移测量等。在军事上，激光还用于拦截导弹。科学家们还利用激光，精确测量了地球和月球之间的距离，所涉及的误差只有几厘米。这些都是激光的一些广泛应用。

那么激光是如何产生的呢？

其实，开发激光花费了很长时间，著名物理学家爱因斯坦早在1917年就已经发现了它的原理，但直到1958年才成功制造出激光。

 

 LASER

激光（LASER）是光受激辐射放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的简称。全名本身就展示了激光产生所涉及的主要流程。在研究这些过程之前，我们必须首先了解物质的结构，以及光发射和吸收的原理。

02

激光产生的原理

 

图1：碳原子示意图。

我们知道，物质是由原子组成的。图1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，如图1所示。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。

 

图2：原子中的电子跃迁。

电子可以通过吸收或释放能量跃迁到其他能级。例如，在电子吸收光子后，它从较低的能级跃迁到较高的能级（图2a）。出于同样的原因，如果一个高能级的电子释放出一个光子，它可能会跃迁到一个低能级的电子（图2b）。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。

 

光的波长与颜色的关系。

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。图1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。

前面提到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2a）。

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2b）。

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2c）。

 

 

图3a：红宝石激光器示意图。

 

图3b：红宝石激光器产生激光示意图。

 

图3c：激光产生原理示意图。

激光基本上是由第三种跃迁机制产生的。红宝石激光器的原理如图3所示。它包括一个闪光灯（Flash Light）、一个激光介质和两个反射镜。激光介质是含有少量铬原子的红宝石晶体（Ruby Crystal）。开始时，闪光灯将光注入激光介质，刺激其中的铬原子并激发原子最外层的电子。此时，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。

 

图4：粒子数反转是产生激光的关键。

微观上来说，产生激光还有另一个条件：达到所谓的粒子数反转状态。以红宝石激光器为例（图4）。原子首先吸收能量并跃迁到激发态（Excited State）。原子只是暂时停留在激发态，10^-7秒后，它会下降到称为亚稳态（Metastable State）的中间状态。它在亚稳态内保持相对较长的时间，大约为10^-3秒。它长时间停留在亚稳态，导致该状态的原子数大于基态（Ground State）的原子数，这种现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它保证了通过受激发射从亚稳态返回基态的原子数量，多于通过自发吸收从基态跃迁到亚稳态的原子数量，从而使介质中的光子数量会增加，因此会产生激光输出。

03

激光的特性

激光相对于普通光有几个特点：方向性，单色性，相干性，以及高能量密度等特点。

 

激光与普通光的区别。

 

激光的特点。

方向性：它具有非常窄且准直的射线，因此光强高，普通光向不同方向发散，并且强度较低。

单色性：整个过程只产生单一波长的光。这不同于普通的光，如阳光或灯光，由不同波长的光组成，接近白光。

相干性：所有光子都具有相同的相位和偏振，因此它们在叠加时会产生非常高的强度。我们在日常生活中看到的光，具有随机相位和偏振，因此它们相对弱得多。

04

激光的分类

按功率分类：

可分为三种类型，第一类是低功率激光器，以气体为激光介质。例如，超市中常用的条码扫描器，使用氦气和氖气作为激光介质。第二种是中功率激光，比如教室里使用的激光笔。最后一种是使用半导体作为激光介质的高功率激光器。其功率输出可达500mW。热核聚变实验中使用的激光可以发射瞬间极强的激光脉冲，其脉动功率达到10¹⁴W！这种激光可以产生一亿摄氏度的高温，并刺激氘氚粒子燃料进行热核聚变。

按照介质分类：

产生激光的介质，可以是固体、气体、液体或半导体等。

 

激光的分类。

 

激光介质及对应的波长和应用。

固态激光器，就像我上面说明的那样，激光材料分布在固体基质中，例如红宝石或钕，缠绕在其上的闪光管将充满能量的原子泵入其中。为了有效地工作，固体必须被掺杂，这个过程用杂质离子代替固体的一些原子，赋予它恰到好处的能级以产生特定、精确频率的激光。固态激光器产生高功率光束，通常是非常短的脉冲。

相比之下，气体激光器使用稀有气体化合物或二氧化碳 (CO2)作为介质，通过电力泵浦产生连续的明亮光束。氦氖（HeNe）是最常见的气体激光器。CO2激光器功能强大、高效，通常用于工业切割和焊接。准分子激光器使用反应性气体，如氯和氟，与惰性气体如氩气、氪气或氙气混合，当受到电刺激时，会产生假分子（二聚体），受光照射时，二聚体产生紫外线范围内的光。

液体染料激光器，使用复杂的有机染料，如罗丹明，在液体溶液或悬浮液中作为激光介质，由弧光灯、闪光灯或其他激光器等泵浦，它们的一大优势是可以用来产生比固态和气体激光器更宽的光频波段，它们甚至可以“调谐”以产生不同的频率。

半导体激光器，有时也称为二极管激光器，它不是固态激光器。这些电子设备通常非常小并且使用低功率。它们可以内置到更大的阵列中，例如某些激光打印机或 CD播放器中的写入源。固体、液体和气体激光器往往体积大、功能强大且价格昂贵，半导体激光器是一种廉价、微型、类似芯片的设备，用于CD 播放器、激光打印机和条形码扫描仪等设备。它们的工作原理就像是传统发光二极管(LED)和传统激光器的结合体，就像LED一样，当电子和“空穴”（实际上是“缺失的电子”）跳来跳去并结合在一起时，它们就会发光，就像激光一样，它们产生相干的单色光，这就是为什么它们有时被称为激光二极管的原因。

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激光等级

根据激光对人体伤害的危险程度，可以分为如下1，2，3，4几个等级。

2，3，4等级的激光有一定的危险性，使用或者接近时，一定要特别注意。

 

激光安全等级。

 

激光安全等级。

 

激光使用注意事项。