引入
普通灯泡和激光笔发出的光，都是光，为什么激光能射到很远还不散开？
为什么激光颜色特别纯？
为什么激光能用来切割金属，也能做眼科手术？
激光不是“更强的光”，而是性质完全不同的光：单色、相干、方向性强、亮度高。这些性质都来自同一个机制——受激辐射。
正文
定义
激光是通过受激辐射实现光放大而产生的高强度、高相干性光束。LASER 是“受激辐射光放大”的缩写。
三种辐射过程
| 过程 | 描述 | 结果 |
|---|---|---|
| 吸收 | 原子吸收光子，从低能级跃迁到高能级 | 光子减少 |
| 自发辐射 | 激发态原子自发跃迁，随机发射光子 | 相位、方向随机 |
| 受激辐射 | 入射光子诱导激发态原子跃迁，发射同频同相光子 | 光子数加倍，全同 |
受激辐射的关键特征：新产生的光子与入射光子的频率、相位、方向、偏振完全相同。这就是“光放大”的来源。
粒子数反转
正常情况下，低能级粒子数多于高能级（玻尔兹曼分布），吸收占优，光被衰减。
要实现放大，必须让高能级粒子数多于低能级——这就是粒子数反转。
| 状态 | 粒子分布 | 光的行为 |
|---|---|---|
| 热平衡 | 低能级多 | 吸收为主，衰减 |
| 粒子数反转 | 高能级多 | 受激辐射为主，放大 |
粒子数反转不能靠单纯升温实现，需要泵浦：用外界能量（光、电、化学反应）把粒子“抽”到高能级。
三能级与四能级系统：
| 系统 | 能级数 | 特点 |
|---|---|---|
| 三能级 | 3 | 泵浦到高能级，快速无辐射跃迁到亚稳态，再受激辐射 |
| 四能级 | 4 | 下能级快速排空，更容易实现反转 |
四能级系统阈值更低，效率更高，是常见激光器的选择。
谐振腔
光在两面镜子之间来回反射，反复通过增益介质，不断被放大：
反射镜（全反射）
↕
增益介质（粒子数反转）
↕
反射镜（部分透射）→ 激光输出谐振腔的作用：
| 作用 | 说明 |
|---|---|
| 光放大 | 增加有效光程 |
| 选频 | 只有满足驻波条件的光被放大 |
| 选向 | 只有沿腔轴的光能持续放大 |
| 起振 | 增益超过损耗时开始输出 |
激光的四大特性
| 特性 | 含义 | 原因 |
|---|---|---|
| 单色性好 | 频率范围极窄 | 受激辐射频率一致 + 谐振腔选频 |
| 相干性好 | 相位一致，可产生稳定干涉 | 受激辐射同相 |
| 方向性强 | 发散角极小 | 谐振腔选向 |
| 亮度高 | 单位面积、单位立体角功率大 | 能量集中在极窄束内 |
对比：
| 光源 | 单色性 | 方向性 | 相干性 |
|---|---|---|---|
| 白炽灯 | 差（连续谱） | 差（各方向） | 差 |
| LED | 较好 | 中等 | 差 |
| 激光 | 极好 | 极好 | 极好 |
常见激光器
| 类型 | 介质 | 波长 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 氦氖激光 | 气体 | 准直、教学 | |
| 半导体激光 | 半导体 | 近红外 | 光通信、光盘、激光笔 |
| 激光 | 气体 | 切割、焊接 | |
| 掺钕钇铝石榴石 | 固体 | 工业加工、医疗 | |
| 染料激光 | 有机染料 | 可调 | 光谱研究 |
应用
| 领域 | 应用 | 利用的特性 |
|---|---|---|
| 工业 | 切割、焊接、打孔 | 高亮度、方向性 |
| 医疗 | 眼科手术、激光刀 | 高亮度、可控性 |
| 通信 | 光纤通信 | 单色性、相干性 |
| 测量 | 激光测距、干涉仪 | 相干性、方向性 |
| 科研 | 激光冷却、光镊 | 相干性、高强度 |
| 生活 | 激光笔、扫描仪 | 方向性 |
安全
激光的危险性取决于波长和功率：
| 类别 | 风险 |
|---|---|
| 低功率（激光笔） | 直射眼睛可能损伤视网膜 |
| 高功率 | 可灼伤皮肤、引发火灾 |
| 不可见（红外、紫外） | 无痛感，更危险 |
绝对不要用激光直射眼睛或观察镜面反射。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “激光是单色光，所以能量大” | 单色性不等于高能量 |
| “激光不需要介质” | 需要增益介质 |
| “普通光也能通过受激辐射放大” | 需要粒子数反转 |
| “激光可以无限聚焦” | 受衍射极限限制 |
引出
为什么激光能实现粒子数反转，而普通光源不能？
激光的相干性使其能用于全息成像，全息图的原理是什么？
为什么激光聚焦后光斑不能无限小？见光的衍射中的衍射极限。