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？

NASA供圖
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。

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。

整個宇宙中大約只有100多種不同的原子。我們看到的所有東西都是由這100多種原子以窮極無限的方式組合而成。這些原子之間排列組合的方式決定了構成的物體是一杯水、一塊金屬或是汽水瓶中的泡沫！

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。激發態能量層級的高低取決于通過熱能、光能、電能等形式賦予原子的能量有多少。

下圖可以很好地闡釋原子的結構：

最簡單的原子模型
由原子核和沿軌道旋轉的電子組成。

由原子核和沿軌道旋轉的電子組成。

簡單原子由原子核（含有質子和中子）和電子云組成。我們可以把電子云中的電子想象成沿多個不同軌道環繞原子核運動。

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，但把這些軌道設想成原子不同的能級會對我們的理解有所幫助。換言之，如果我們對原子加熱，處于低能量軌道上的部分電子可能受激發而躍遷到距離原子核更遠的高能量軌道。

能量吸收：
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，但它確實揭示了原子形成激光的核心原理。

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、煤氣燈、白熾燈，都是通過改變電子軌道并釋放光子來發光的。

激光器是控制受激原子的光子釋放方式的設備。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受激輻射光放大）的簡稱。這一名稱簡要的描述了激光器的工作原理。

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。粒子數反轉是指處于激發態的原子和處于基態的原子之間的數量比。

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），這取決于釋出光子時電子的能量狀態。兩顆擁有相同電子狀態的原子會釋放出相同波長的光子。

激光和普通光區別很大。它具有以下特性：

• 發射的激光具有單色性。激光含有一種特定波長（即特定顏色）的光線。光線的波長由電子回到低能軌道時釋放的能量決定。

• 發射的激光具有良好的相干性。激光的組織結構較好，每個光子都緊跟其他光子運動。也就是說，所有光子的波前完全一致。

• 激光具有良好的指向性。激光光束緊密、集中且能量極高。相反，手電筒發出的光線朝多個方向散射，光線能量弱，集中度低。

為了實現以上三個特性，需要經過一個稱為受激發射的過程。這種現象不可能在普通手電筒中出現，因為它的原子是隨機釋放光子。而受激發射時，原子是有組織地發射光子。

原子釋放的光子具有特定的波長，此波長取決于激發態和基態之間的能量差。如果光子（擁有一定能量和相位）碰到另一個原子，且該原子擁有處于相同激發狀態的電子，即可引起受激發射。第一個光子可以激發或引導原子發射光子，而后發射的光子（即第二個原子發射的光子）按與進入光子相同的頻率和方向振蕩。

激光器的另一個關鍵部件是一對反光鏡，分別位于激光介質的兩端。特定波長和相位的光子通過兩端反光鏡的反射，在激光介質之間來回穿行。在此過程中，它們會激發更多的電子由高能軌道向低能軌道跳躍，從而發射出更多相同波長和相位的光子，隨后將產生“瀑布”效應，進而在激光器內迅速聚集起大量相同波長和相位的光子。激光介質某一端的鏡面采用“半反射”鍍層，也就是說它只會反射部分光線，而其他光線則可以穿透。穿透的光線就是激光。

紅寶石激光器包括類似相機閃光燈的閃光管、紅寶石棒和兩面反射鏡（其中一面為半反射鏡面）。紅寶石棒是激光介質，閃光管是泵激源。

1. 未發射狀態的激光器

2. 閃光管閃光并將光線射入紅寶石棒。光線激發紅寶石內的原子。

3. 其中的部分原子釋放出光子。

4. 部分光子沿紅寶石軸的平行方向運動，因而在兩塊反光鏡之間來回反彈。它們經過紅寶石晶體時，還會繼續激發其他原子。

5. 單色、單相柱狀光線通過半反射鏡射出紅寶石棒，形成激光！

以下是真實的三級激光器的工作原理示意圖。

激光器分為許多不同種類。激光介質可以是固體、氣體、液體或半導體。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能量，用于切割高硬度物質。

• 準分子(Excimer)激光器使用由氯、氟等活性氣體和氬、氪、氙等惰性氣體組成的混合物，其英語名稱取自“excited”（受激發的）和“dimers”（二聚體）兩個單詞。通電激發時，可產生準分子（即二聚體）。發射激光后，二聚體可產生紫外波段的光線。

• 染料激光器使用羅丹明6G等合成有機染料的溶液或懸濁液作為激光介質。染料激光器具有極為寬廣的波長調節范圍。

• 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。二氧化碳激光器如此危險的原因在于其發射的激光處于光譜的紅外和微波區域。紅外輻射就是熱量，因此二氧化碳激光器基本上可以熔化其對準的所有物體。

其他激光器，如二極管激光器，功率較弱，通常用于現在的便攜式激光指示器。這些激光器通常能發出波長在630納米至680納米之間的紅色光束。激光器廣泛應用于工業和科研領域，例如，使用強激光激發其他分子，以觀察其反應。

以下是一些常見的激光器及其激光波長：

激光種類

波長（納米）

氬氟激光（紫外光）

193

氪氟激光（紫外光）

248

氙氯激光（紫外光）

308

氮激光（紫外光）

337

氬激光（藍光）

488

氬激光（綠光）

514

氦氖激光（綠光）

543

氦氖激光（紅光）

633

羅丹明6G染料（可調光）

570-650

紅寶石（CrAlO3）（紅光）

694

釹-釔鋁石榴石（近紅外光）

1064

二氧化碳（遠紅外光）

10600

根據可能造成的生理傷害，激光器可分為四個廣泛的種類。每套激光設備都應具有以下四種標志之一：

• I級：這種激光器不會構成任何已知程度的傷害。

• I.A.級：這是一個特殊的級別，指“不適宜用眼睛直接觀看”的激光器，比如超市使用的激光掃描器。此級別激光器的最高限定功率為4.0毫瓦。

• II級：指低功率可見光激光器，其發射功率比I級高，但是輻射功率不高于1毫瓦。人類對強光的自動防御反應可以保護人類不受傷害。

• IIIA級：指中低功率激光器（連續波：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都屬于該級別。

• IIIB級：指普通功率的激光器。

• IV級：指高功率激光器（連續波：500毫瓦，脈沖波：10 J/cm2或漫反射極限值），任何情況下，無論直接還是間接觀測都有危險，而且可能引發火災或灼傷皮膚。IV級激光設備必須接受嚴格的控制。