激光

激光，表示產生激光的物理效應和裝置。

激光射線是電磁波。 它們不同于用于照明的光源的光，例如白熾燈，主要在于高強度的無與倫比的組合，通常在非常窄的頻率范圍內（單色光），光束的銳利集束和長相干長度. 在非常寬的頻率范圍內，具有精確重復頻率的極短且強烈的光束脈沖也是可能的。

激光在技術和研究以及日常生活中有許多可能的應用，從簡單的光指示器（例如用于演示的激光指示器）到距離測量設備、切割和焊接工具、讀取光存儲介質（如 CD、DVD 和藍光光盤）在日常醫療實踐中，光盤、信息傳輸到激光手術刀和其他使用激光的設備。

在電磁波譜的不同區域有輻射的激光：從微波（微波激射器）到紅外線（當時也稱為 IRASER）、可見光、紫外線到 X 射線。 激發光的特殊性質源于它們以受激發射的形式產生。 激光的工作原理類似于光學放大器，通常采用諧振反饋。 為此所需的能量由激發光介質（例如晶體、氣體或液體）提供，由于外部能量輸入，在該介質中存在粒子數反轉。 諧振反饋通常是由于激發光介質在電磁諧振器中對特定方向和波長的輻射而產生的。

除了原子躍遷的離散能級外，還有具有連續能量躍遷的激光類型，例如自由電子激光。 由于低于 13.6 eV 的原子能級是有限的，對應于 90 nm 的波長限制，因此在波長低于 10 nm 的 X 射線范圍內工作的 X 射線激光器需要具有連續能量躍遷的設計。

一個激光在概念上由三部分組成：

活性介質（激發介質）在活性介質中，光子是由激發的原子或分子光學躍遷到能量更有利的狀態而產生的。 激發光介質的核心條件是可以產生鑄型反轉。 這意味著光學躍遷的上層狀態被占據的概率高于下層狀態。 這樣的介質至少要有三個能級，可以是氣態（如CO2）、液態（如染料溶液）或固態（如紅寶石晶體、半導體材料）。泵為了帶來粒子數反轉，激光介質能量泵入其中（英語泵）。 為了使這個泵浦過程不與受激發射競爭，它必須基于另一個量子力學躍遷。 泵浦可以使介質的原子或分子在光學上（光的照射）或電上（例如氣體放電，在激光二極管的情況下為電流）進入激發態。諧振器例如，諧振器由兩個平行的鏡子組成，在這兩個鏡子之間活性激發光介質位于。 垂直于反射鏡傳播的光子保留在諧振器中，因此可以反復觸發（激發）活性介質中更多光子的發射。 以這種方式創建的光子對應于所有量子數中的觸發光子。 例如，橫向離開諧振器的自發光子往往不會激發任何進一步的光子。 諧振器的這種選擇導致激光輻射的輻射方向變窄。 一些諧振器也是波長選擇性的（分色鏡、布拉格光柵），因此可以進一步限制振蕩的縱模。 在一些高增益激發光介質中，諧振器并不是實現受激發射所必需的（參見超級輻射器）。

首先，激發介質中的原子從較低能級（例如基態）轉移到能量較高的能級，興奮狀態。 激發態的平均衰減時間（通常由于自發輻射）應盡可能長。 因此，泵浦能量在那里存儲了“更長”的時間，從而可以建立粒子數反轉。 具有要發射的能量的光子對原子的刺激現在足以使激發的原子回到其基態t 并因此發射與激發光子具有相同能量（即相同波長和頻率）和相同相位位置的光子。 兩個光子都朝同一個方向運動。 由于刺激光子的這種加倍，激發光介質就像光增強器一樣。 “新形成的”第二個光子可以反過來刺激其他激發的原子發射，并發生連鎖反應。

除了這種放大器效應之外，該裝置還位于諧振器中（請參閱下面的激光諧振器），該諧振器通過其尺寸與所需波長相匹配。 這樣，一個光子在多次穿過激發光介質時就有足夠的機會激發其他原子。 諧振器基本上由陣列末端的兩個反射鏡組成。 產生的光束的方向也最終由這些反射鏡決定。 兩個鏡子中的一個被設計成部分透明的，以便部分光線可以逸出并被利用。

在諧振器的活性介質中，有固定數量的 N 原子或分子，每個原子或分子都有幾個但總是相同的能級。