奧林巴斯顯微鏡，什么是激光？

 在20世紀(jì)50年代流行的科幻影片，怪物往往描繪，可以發(fā)光的致命射線從他們的眼睛（圖1），但直到激光的發(fā)明，這種集中和**的能量光束分別只有幻想。 現(xiàn)在是可能的修改中，探針，或使用從已知的激光能量源的高度集中的輻射破壞的問(wèn)題。 幾乎所有的光，我們?cè)谖覀兊娜粘Ｉ钪锌吹?，從太?yáng)，星星，白熾燈和熒光燈，甚至我們的電視機(jī)，自發(fā)地發(fā)生時(shí)，原子和分子排除體內(nèi)多余能量的自己。

普通的自然和人工光源被釋放在原子和分子水平?jīng)]有任何外部干預(yù)發(fā)生的能量變化。 但是第二種類型的光線存在，并且當(dāng)一個(gè)原子或分子保持其多余的能量，直到刺激放出的能量以光的形式出現(xiàn)。 激光器的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和放大這種刺激光的形式進(jìn)入激烈和聚焦光束。 這個(gè)詞激光是杜撰的一個(gè)縮寫對(duì)于L的洞察力一個(gè)mplification由S timulated?adiation以東使命。 激光的特殊性質(zhì)已經(jīng)在日常生活中，包括通訊，娛樂(lè)，制造和醫(yī)藥的幾乎每個(gè)方面做出的激光技術(shù)的重要工具。

愛因斯坦可能在不經(jīng)意間已經(jīng)被認(rèn)識(shí)到兩種類型的排放是可能采取激光發(fā)展的*步。 在出版于1917年的一篇文章，他是*個(gè)提出受激輻射的存在。 多年的物理學(xué)家認(rèn)為，光的自發(fā)輻射是*有可能和主要形式，而任何受激發(fā)射將永遠(yuǎn)是弱得多。 但直到二戰(zhàn)結(jié)束后，搜尋開始為有需要的受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，并作出一個(gè)原子或分子激發(fā)許多人產(chǎn)生放大發(fā)射光的影響條件。

科學(xué)家在哥倫比亞大學(xué)的查爾斯·H.湯斯，是*個(gè)在受激輻射放大成功在50年代初，但他的工作圍繞微波（具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)比可見光），他被稱為他的設(shè)備微波激射器 。 其他科學(xué)家隨后在建立成功的微波激射器，以及一個(gè)顯著的精力是集中在試圖生產(chǎn)在較短波長(zhǎng)的受激發(fā)射。 許多用于產(chǎn)生激光的主要概念是在開發(fā)大約在同一時(shí)間，后來(lái)在20世紀(jì)50年代，由湯斯和肖洛亞瑟（貝爾實(shí)驗(yàn)室），以及由戈登·古爾德在哥倫比亞大學(xué)。 古爾德提出了**申請(qǐng)，而不是發(fā)表他的想法，雖然他得到的榮譽(yù)在他的筆記本電腦創(chuàng)造出這個(gè)詞“激光”，近30年過(guò)去了，他被授予多項(xiàng)**之前。 仍有分歧誰(shuí)的功勞激光的概念。 兩個(gè)蘇聯(lián)人，尼古拉·巴索夫和亞歷山大·普羅霍羅夫，分享了1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與湯斯他們對(duì)底層微波激射器和激光器的原則開拓性的工作。 肖洛被授予1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的份額為他的激光研究。

湯斯出版的“和肖洛的工作激發(fā)了巨大的努力，建立一個(gè)工作激光系統(tǒng)。 在1960年5月，西奧多·梅曼，在休斯研究實(shí)驗(yàn)室工作，建成使用合成紅寶石棒已被計(jì)入，因?yàn)檫@是*臺(tái)激光設(shè)備。 在694納米的緊密集中的窄波束，比較典型的由目前許多激光顯示的特點(diǎn)梅曼的紅寶石激光器發(fā)出的相干紅光強(qiáng)烈的脈沖。 *激光使用具有鍍銀反射光的端部，通過(guò)一個(gè)螺旋形的閃光燈包圍的小紅寶石棒，并且是小到足以被握在手中。 有趣的是，休斯委托宣傳的發(fā)現(xiàn)攝影師認(rèn)為實(shí)際激光太小，不得不梅曼構(gòu)成一個(gè)更大的激光，這是不可操作，直到后來(lái)。 有照片顯示了“更令人印象深刻”梅曼激光仍然流傳，并在許多出版物中使用。

雖然激光發(fā)射可見光是*常見的，基本的原則是適用通過(guò)多的電磁頻譜。 *受激發(fā)射是在頻譜的微波區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的，但是現(xiàn)在的激光器可發(fā)射紫外和紅外光，并正在朝著生產(chǎn)激光器，用于X-射線光譜區(qū)的進(jìn)展。 今天在實(shí)際使用范圍的激光器輸出功率從不到一毫瓦連續(xù)輸出的多千瓦，而一些生產(chǎn)瓦萬(wàn)億美元的極短脈沖。 圖2給出了代表性的激光器，它有很大的不同大小和應(yīng)用的一些例子。 軍事和其他研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了激光器占據(jù)整個(gè)建筑中，而*常見的激光器使用約沙粒大小的半導(dǎo)體器件。

某些基本原理的理解是至關(guān)重要的受激輻射是如何產(chǎn)生和放大任何解釋。 *，這些原則是必要的，因?yàn)榧す獗举|(zhì)上是一種量子力學(xué)的設(shè)備，必須是為了解釋激光的操作被調(diào)用能量的量子性質(zhì)。 經(jīng)典物理學(xué)假定能量可以連續(xù)且平滑地變化，并且該原子和分子可具有能量的任何量。 愛因斯坦的工作，這成為關(guān)鍵量子力學(xué)的發(fā)展，認(rèn)為能量存在于離散的單元或量子以及原子和分子（和因此一切）被限制為具有能量的僅某些離散值。

幾個(gè)額外的概念，它起源于光子和原子水平，并從量化的原則派生的，是必要的，了解激光手術(shù)：

• 能量在原子結(jié)果與原子相聯(lián)的離散的能量水平量化。

• 轉(zhuǎn)換從一個(gè)能級(jí)到另一個(gè)必須能夠以用于光發(fā)射的發(fā)生。

• 幾種類型的過(guò)渡的發(fā)生和影響能量中涉及的過(guò)渡量。

• 自發(fā)和受激發(fā)射有可能從能量轉(zhuǎn)換。

• 之間的能量水平人口反轉(zhuǎn)必須實(shí)現(xiàn)以擴(kuò)增能量的受激發(fā)射。

如果一個(gè)原子或分子在于能量的狀態(tài)，是比*低的，或地電平狀態(tài)越高，它可以自發(fā)下降到一個(gè)較低的水平，沒(méi)有任何外界刺激。 下降到降低能量狀態(tài)的一個(gè)可能的結(jié)果是將多余的能量（相當(dāng)于在兩個(gè)能級(jí)之差）的釋放光的光子。 激發(fā)的原子或分子具有特征的自發(fā)發(fā)射的時(shí)間，這是所需的平均時(shí)間，它們?nèi)匀惶幱诩ぐl(fā)較高能態(tài)它們落之前為較低的能級(jí)和發(fā)射一個(gè)光子。 的發(fā)射時(shí)間是在生產(chǎn)的受激發(fā)射，提出愛因斯坦所述第二類型的一個(gè)重要因素。

而在激發(fā)態(tài)中，如果原子被照射具有完全相同的能量會(huì)自發(fā)地發(fā)生的過(guò)渡傳入的光子時(shí)，原子可被傳入的光子激發(fā)，返回到低狀態(tài)，并同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子在該同樣的躍遷能量。 因此，一個(gè)單光子與激發(fā)態(tài)原子相互作用可導(dǎo)致兩個(gè)光子被發(fā)射。 如果所發(fā)射的光子被看作是一個(gè)波時(shí)，受激發(fā)射將振蕩入射光的頻率，并在相（相干），導(dǎo)致原來(lái)的光波的強(qiáng)度的放大。 圖3示出了自發(fā)（a）及刺激（B）的發(fā)射與所導(dǎo)致的后一種情況下的兩個(gè)相干波。

在實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射的激光的主要問(wèn)題在于，熱力學(xué)平衡，人口，或在每個(gè)能級(jí)的原子或分子的數(shù)量在正常狀態(tài)下，是不利于的受激發(fā)射。 因?yàn)樵雍头肿幼园l(fā)地跌落到較低能量水平的傾向，在各能量電平的數(shù)目會(huì)隨著能量增加而增加。 事實(shí)上，在正常情況下，對(duì)于一個(gè)躍遷能量相應(yīng)于一種典型的光學(xué)波長(zhǎng)（1電子伏特的量級(jí)），原子或分子中的較高能態(tài)的數(shù)目對(duì)在較低的地面狀態(tài)的數(shù)量的比率也許是10 C 17。 換句話說(shuō)，幾乎所有的原子或分子的基態(tài)為可見光波長(zhǎng)的能量轉(zhuǎn)換。

該受激發(fā)射的原因是難以實(shí)現(xiàn)的考慮周邊從與光的后續(xù)和自發(fā)發(fā)射激發(fā)態(tài)的電子的衰變的可能的事件時(shí)變得很明顯。 所發(fā)射的光可以很容易地激發(fā)發(fā)射從另一個(gè)退出原子，但是這么幾個(gè)可用的發(fā)射更可能首先會(huì)遇到在基態(tài)的原子，并且將被吸收，而不是（圖3（c））。 因?yàn)樵釉诩ぐl(fā)態(tài)的數(shù)量是如此微乎其微就在基態(tài)的數(shù)目，所發(fā)射的光子具有的被吸收更大的可能性，使受激發(fā)射微不足道時(shí)相比（在熱力學(xué)平衡）的自發(fā)輻射。

由受激發(fā)射，可向主導(dǎo)機(jī)制是有處于興奮狀態(tài)比在較低的能量狀態(tài)原子的位置，以使發(fā)射的光子更容易激發(fā)發(fā)射比被吸收。 因?yàn)檫@種情況是正常的平衡狀態(tài)的倒數(shù)，它被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 只要有在上部的能量水平比在較低的多個(gè)原子，受激輻射可以占主導(dǎo)地位，而光子的結(jié)果的級(jí)聯(lián)。 *發(fā)射光子會(huì)刺激更多的光子的發(fā)射，這些隨后刺激的更發(fā)射，等等。 光子的產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的增加，從而導(dǎo)致發(fā)射的光的放大。 如果粒子數(shù)反轉(zhuǎn)終止（基態(tài)人口成為主導(dǎo)），自發(fā)輻射將再次成為青睞的過(guò)程。

在愛因斯坦的建議的時(shí)候，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為比熱力學(xué)平衡其他任何條件不穩(wěn)定，不能持續(xù)。 但直到第二次世界大戰(zhàn)后認(rèn)真考慮了生產(chǎn)所必需的人口倒置，以維持受激輻射的方法。 原子和分子可以占據(jù)很多的能量水平，雖然某些躍遷比其他人更可能（由于量子力學(xué)的規(guī)則和其他原因），過(guò)渡可以在任何兩個(gè)電平之間發(fā)生。 *低要求的受激發(fā)射而放大或激光作用，是在至少一較高能級(jí)必須高于一個(gè)較低的電平更大的人口。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以通過(guò)兩種基本機(jī)制，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)多余的原子或分子在一個(gè)較高能態(tài)，或通過(guò)減少低能量狀態(tài)的人口來(lái)制造。 一種系統(tǒng)，也可以選擇不穩(wěn)固在較低的水平，但對(duì)于連續(xù)激光手術(shù)，注意力通常必須支付給兩個(gè)填充的更高水平和人口減少較低的水平。 如果有太多的原子或分子聚積在較低的能級(jí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)將會(huì)丟失，激光作用將停止。

用于產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光介質(zhì)中的*常見的方法是能量添加到系統(tǒng)中，以激發(fā)原子或分子到更高的能級(jí)。簡(jiǎn)單地通過(guò)熱攪拌該介質(zhì)中添加能量是不夠的（下熱力學(xué)平衡），以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因?yàn)闊岵粌H增加了群體的平均能量，但不會(huì)增加物種的激發(fā)態(tài)相對(duì)于在數(shù)較低的狀態(tài)。 原子的數(shù)目的在根據(jù)熱力學(xué)平衡兩個(gè)能級(jí)（1和2）的比率由下式給出下列公式：

其中N（1）和N（2）是原子的第1級(jí)和2分別電平數(shù)字，E（1） 和E（2）是第2級(jí)的能量，k是玻爾茲曼常數(shù)，T為在開爾文溫度。 就證明了方程，在熱力學(xué)平衡，N（2）可以大于N（1）僅在溫度為負(fù)數(shù)。 在描述微波激射器和激光作用的研究發(fā)表，物理學(xué)家稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為負(fù)溫度 ，這是象征他們認(rèn)為比熱力學(xué)平衡其他任何條件不太可能持續(xù)下去。

以產(chǎn)生所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為激光的活性，原子或分子必須是有選擇性興奮特定能量水平。 光與電是*大多數(shù)激光器的激發(fā)機(jī)制。 光或電子可提供激發(fā)的原子或分子，以選定的較高的能量水平所必需的能量，而不是必需的能量的轉(zhuǎn)移直接促進(jìn)電子向激光躍遷的特定水平上。 有些方法可以是相當(dāng)復(fù)雜的，但這些往往會(huì)產(chǎn)生性能更好的激光器。 一種經(jīng)常使用的方法激發(fā)比所需的原子或分子，以更高的能級(jí)，然后將其滴在上激光能級(jí)。 間接激勵(lì)可以被用來(lái)激發(fā)原子在周圍的氣體混合物，然后它們的能量轉(zhuǎn)移到原子或分子負(fù)責(zé)產(chǎn)生激光作用。

如前面所討論的，時(shí)間由處于激發(fā)態(tài)的原子或分子所花費(fèi)的金額是確定它是否將被刺激到發(fā)射和參與光子的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，或通過(guò)自發(fā)發(fā)射失去其能量的關(guān)鍵。 激發(fā)態(tài)通常有只有納秒壽命，才由自發(fā)發(fā)射，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，是不是足夠長(zhǎng)由另一個(gè)光子可能發(fā)生的刺激釋放自己的能量。 激光作用的關(guān)鍵要求，因此，是一個(gè)較長(zhǎng)的壽命的狀態(tài)是適合于上能級(jí)。 這樣的狀態(tài)確實(shí)存在對(duì)某些材料，以及被稱為亞穩(wěn)狀態(tài)（參見圖4）。 自發(fā)發(fā)射前的平均壽命時(shí)為亞穩(wěn)態(tài)是一微秒到毫秒，時(shí)間很長(zhǎng)的時(shí)間在原子尺度的量級(jí)。 有了這個(gè)壽命長(zhǎng)，激發(fā)原子和分子可以產(chǎn)生顯著量受激發(fā)射的。 激光作用是*可能的，如果人口積聚速度比它衰變?cè)谏喜康哪芰克剑３秩丝谳^下層的大。 的自發(fā)發(fā)射壽命更長(zhǎng)，更適合的分子或原子是用于激光應(yīng)用。

查爾斯湯斯事先*臺(tái)激光器的展示了微波激射器是顯著，因?yàn)樗枰獎(jiǎng)?chuàng)建一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以功能，因此證明許多持懷疑態(tài)度的物理學(xué)家，這樣的反轉(zhuǎn)可以生產(chǎn)。 他的系統(tǒng)是一個(gè)兩級(jí)微波激射器，僅利用上部和下部的能量水平。 湯斯采用一種新的方法在他的氨分子系統(tǒng)產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) - 該分離基態(tài)分子激發(fā)氨分子的分子束技術(shù)。 基態(tài)分子被丟棄，并且將分離的激發(fā)分子構(gòu)成所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 另外，更高效，裝置現(xiàn)在已經(jīng)被開發(fā)用于微波激射器和激光器的實(shí)際需要的三個(gè)，四個(gè)或更多能級(jí)的利用率。

*簡(jiǎn)單的功能的能級(jí)結(jié)構(gòu)為激光器操作是一個(gè)三電平系統(tǒng)，它是示于圖4（a）所示。 在這個(gè)系統(tǒng)中，地面狀態(tài)是較低的激光水平，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是這個(gè)水平和較高的能量亞穩(wěn)態(tài)之間建立。 大多數(shù)的原子或分子的*初激發(fā)到一個(gè)短暫的高能量狀態(tài)比所述亞穩(wěn)態(tài)水平。 從該狀態(tài)便迅速衰減到中間亞穩(wěn)能級(jí)，因而具有更長(zhǎng)的壽命比更高的能量狀態(tài)（通常在1000倍以上的數(shù)量級(jí)）。 因?yàn)樵趤喎€(wěn)狀態(tài)的每個(gè)原子的停留時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，人口趨于增加，并導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)和下基態(tài)（其被連續(xù)地被過(guò)稀的*高水平）之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 受激發(fā)射結(jié)果的事實(shí)，更多的原子是在上興奮的（亞）狀態(tài)比可在較低的狀態(tài)下，光的吸收*有可能發(fā)生的。

雖然三能級(jí)激光系統(tǒng)，適用于所有的實(shí)際目的，其實(shí)例梅曼的*激光，存在的一些問(wèn)題限制了這種方法的有效性。 發(fā)生的中心問(wèn)題，因?yàn)檩^低的激光電平是地電平，這對(duì)于大多數(shù)的原子或分子的正常狀態(tài)。 為了產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，多數(shù)基態(tài)的電子必須被提升到高度興奮的能量水平，需要外部能量的顯著輸入。 此外，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是難以維持為可觀的時(shí)間，因此，3級(jí)激光器必須在脈沖模式下操作，而不是連續(xù)進(jìn)行。

使用四個(gè)或更多能級(jí)激光器避免一些上述的問(wèn)題，因此是更常用的。 圖4（b）示出了一個(gè)4級(jí)的情況。 的能級(jí)結(jié)構(gòu)類似，在三電平系統(tǒng)中，不同之處在于后的原子從*高級(jí)別下降到亞穩(wěn)狀態(tài)上，它們不會(huì)掉落一路到接地狀態(tài)中的單個(gè)步驟。 因?yàn)榱Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)是不接地狀態(tài)和上層之間產(chǎn)生，必須升高的原子或分子的數(shù)目在該模型中顯著地降低。 在一個(gè)典型的四能級(jí)激光系統(tǒng)，如果原子或分子只有1或2％的駐留在較低的激光水平（這是在地面上的狀態(tài)），然后激動(dòng)人心只有兩到四個(gè)％的總的上級(jí)將達(dá)到所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 分離從地電平較低的激光水平儀的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，低級(jí)別的原子會(huì)自然下降到基態(tài)。 如果在較低的激光水平具有壽命比上層短得多，原子會(huì)衰減到足夠的速率，以避免在較低的激光水平積累的接地電平。 許多根據(jù)這些限制而設(shè)計(jì)的激光器可以以連續(xù)的方式進(jìn)行操作，以產(chǎn)生一個(gè)不間斷的光束。

實(shí)際工作的激光器通常遠(yuǎn)比以上描述的模型更加復(fù)雜。 上激光水平往往不是一個(gè)單一的水平，但一組的能級(jí)，使所需的激發(fā)能在操作過(guò)程中在很寬的范圍內(nèi)。 下層還可以包括多個(gè)級(jí)別，并且如果緊密間隔的上級(jí)的每個(gè)衰減到不同的較低級(jí)別，單個(gè)激光器可在多個(gè)轉(zhuǎn)換操作，產(chǎn)生一個(gè)以上的波長(zhǎng)。 氦 - 氖激光，例如，*常用的為發(fā)射單一的紅色波長(zhǎng)，但它也可以在其他的轉(zhuǎn)換操作，以產(chǎn)生橙色，黃色，綠色和紅外輻射。 存在于實(shí)際的激光器，包括活性介質(zhì)的性質(zhì)而設(shè)計(jì)的許多其它因素。 多種氣體或分子種類的其它組合，通常采用來(lái)提高捕獲和傳送的能量的效率，或協(xié)助人口減少較低激光水平。

該微波激射器和激光器實(shí)際上可以產(chǎn)生具有里程碑意義的演示之前，科學(xué)家們忽略了在外太空存在自然產(chǎn)生的微波激射器（圖5）的事實(shí)。 即使在受激發(fā)射愛因斯坦的預(yù)言，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是如此困難，這是不太可能發(fā)生的性質(zhì)。 實(shí)際上，科學(xué)家們顯然沒(méi)有認(rèn)真考慮這個(gè)問(wèn)題可能比在熱力學(xué)平衡的狀態(tài)下自然存在。 所謂的宇宙微波激射器包括來(lái)源，如各地的紅巨星，彗星，*新星遺跡，和其他恒星形成的分子云的信封。 在氣體云包圍炙手可熱的明星，從恒星發(fā)出的輻射能夠激發(fā)氣體分子以較高的能量水平，然后衰減到穩(wěn)態(tài)。 只要合適的較低的激光水平存在時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)生原因，這將導(dǎo)致激光器的動(dòng)作。 雖然過(guò)程是相同的人造微波激射器或激光，和大量的能量，可以輻射，恒星激光或微波激射能量發(fā)射不局限于一個(gè)光束。 由宇宙微波激射器發(fā)出的輻射向外傳播的，就像任何其他的星際熱氣體云中的能量四面八方。

除了建立一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，其他一些因素都需要放大和光集中成一激光束。 從在激光介質(zhì)產(chǎn)生的受激發(fā)射的光通常具有單一的波長(zhǎng)，但是通過(guò)一些機(jī)制，包括放大，必須有效地提取從培養(yǎng)基中。 完成該任務(wù)的一個(gè)諧振腔 ，它反映了某些排放回到激光器介質(zhì)的，并且通過(guò)多個(gè)交互，生成或放大的光強(qiáng)度。 例如，在初始受激發(fā)射之后，兩個(gè)光子具有相同的能量和相位是每個(gè)可能遇到受激原子，這將隨后發(fā)射具有相同能量和相位甚至更多的光子。 由受激發(fā)射所產(chǎn)生的光子數(shù)量的快速增長(zhǎng)，以及增加直接正比于激光介質(zhì)的光傳播的距離。

示于圖6是增益或放大，即發(fā)生在諧振腔內(nèi)，由于反射鏡的每一端增加的路徑長(zhǎng)度的圖示。 圖6（a）示出了受激發(fā)射，這是在圖6中放大的（b）至圖6（g）在光從位于所述腔體端部的反射鏡反射的開始。 每遍過(guò)程中通過(guò)部分反射鏡的光的一部分通過(guò)上腔的右手側(cè)（圖6的（b，d和f））。 *后，在均衡狀態(tài)（圖6（h））后，腔體是飽和的受激發(fā)射。

放大的激光，用術(shù)語(yǔ)表達(dá)的增益達(dá)到的程度，指的是受激發(fā)射的光子可以產(chǎn)生在其行進(jìn)給定距離的量。 例如，每1.5厘米的增益意味著一個(gè)光子產(chǎn)生1.5額外光子每行進(jìn)厘米。 這將導(dǎo)致一個(gè)放大系數(shù)與激光腔中的路徑長(zhǎng)度增加而增加。 實(shí)際的增益是更復(fù)雜的，并且取決于在上部和下部的激光的能量水平，以及其他因素之間的人口分布的波動(dòng)。 重要的一點(diǎn)是，擴(kuò)增急劇增大的距離的量，通過(guò)將激光介質(zhì)行進(jìn)。

在同一個(gè)縱向諧振腔，諸如紅寶石棒或氣體填充的管構(gòu)成的激光，光行進(jìn)沿著激光介質(zhì)的長(zhǎng)度產(chǎn)生比垂直于所述腔的長(zhǎng)軸發(fā)射的光更受激發(fā)射。 因此，光發(fā)射是沿空腔的，即使沒(méi)有使用反射鏡來(lái)限制它的路徑的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度濃縮。 放置反射鏡在激光腔的相對(duì)端部使光束向來(lái)回移動(dòng)，這導(dǎo)致增加的擴(kuò)增由于通過(guò)介質(zhì)的路徑長(zhǎng)度更長(zhǎng)。 多次反射也產(chǎn)生一個(gè)狹聚焦束（一個(gè)重要的激光特性），因?yàn)橹挥泄庾有羞M(jìn)平行于腔壁將來(lái)自兩個(gè)反射鏡被反射。 這種安排被稱為一個(gè)振蕩器 ，是必要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的激光的材料具有非常低的增益和足夠的放大，只能用一個(gè)長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度通過(guò)介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

大多數(shù)當(dāng)前的激光器的設(shè)計(jì)與諧振腔，以增加光需要通過(guò)激光介質(zhì)的路徑兩端的反射鏡。 發(fā)光強(qiáng)度的增長(zhǎng)與光的每遍，直到它到達(dá)一個(gè)由空腔和反射鏡的設(shè)計(jì)建立了一個(gè)平衡級(jí)。 一個(gè)腔反射鏡反射幾乎全部的入射光，而其它（輸出鏡）反射一些光，并將一部分作為激光束發(fā)射。 在一個(gè)激光器具有低增益，輸出鏡被選擇來(lái)傳輸只有一小部分的光的（也許只有百分之幾），并反映了廣大放回腔。 在平衡狀態(tài)下，激光功率越高空腔內(nèi)部比外部，并且隨著光通過(guò)輸出鏡透射的百分比。 通過(guò)增加輸出鏡的透射率，所述腔體的內(nèi)部和外部之間的功率差可以減小。 然而，只要在輸出鏡反射的光的某些部分放回腔，電源內(nèi)部保持高于新興光束中更高。

大約從所有發(fā)出的光被反射在腔內(nèi)來(lái)回，直到一個(gè)臨界強(qiáng)度達(dá)到，于是一些“逃逸”，通過(guò)輸出鏡作為光束的想法激光器結(jié)果一個(gè)常見的誤解。 在現(xiàn)實(shí)中，輸出鏡總是發(fā)射光的光束的恒定部分，反射其余部分返回到腔中。 這個(gè)功能是重要的，使激光器達(dá)到平衡狀態(tài)，具有的功率電平的內(nèi)部和外部的激光成為恒定。

由于該光來(lái)回振蕩的激光腔中的事實(shí)， 共振現(xiàn)象成為激光強(qiáng)度的放大因子。 根據(jù)受激發(fā)射和腔長(zhǎng)的波長(zhǎng)，該波從末端反射鏡反射要么長(zhǎng)干涉和被強(qiáng)烈放大，或相消干涉而抵消激光活性。 因?yàn)樵谇惑w內(nèi)的波都是相干和同相的，它們會(huì)從一個(gè)腔反射鏡反射時(shí)保持同相。 浪也將在相位在到達(dá)對(duì)面鏡，設(shè)置在腔體的長(zhǎng)度等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍。 因此，使一個(gè)完整的振蕩在腔內(nèi)后，光波走過(guò)的路徑長(zhǎng)度等于所述腔室長(zhǎng)度的兩倍。 如果該距離為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，則波將所有由相長(zhǎng)干涉增加幅度。 當(dāng)空腔不是激射波長(zhǎng)的整數(shù)倍，會(huì)發(fā)生相消干涉，破壞激光作用。 下面的等式定義了必須滿足的強(qiáng)擴(kuò)增發(fā)生在激光腔中的諧振條件：

其中，N是整數(shù)，并且λ是波長(zhǎng)。 用于諧振的條件不是關(guān)鍵的，因?yàn)樗赡艹霈F(xiàn)，因?yàn)閷?shí)際的激光躍遷在腔分布在一定范圍的波長(zhǎng)，稱為增益帶寬 。 相比典型的激光諧振腔的長(zhǎng)度的光的波長(zhǎng)是非常小的，并且在一般情況下，通過(guò)空腔的完整的往返路徑將等于被放大的光的幾十萬(wàn)波長(zhǎng)。 共振有可能在每個(gè)積分波長(zhǎng)增量（例如200,000，200,001，200,002，等等），并且由于相應(yīng)波長(zhǎng)非常接近，它們落入激光器的增益帶寬之內(nèi)。 圖7示出一個(gè)典型的例子，其中N個(gè)幾個(gè)共振值，稱為激光的縱模 ，貼合的增益帶寬之內(nèi)。

激光束具有某些共同的特征，但也各不相同，以廣泛的程度相對(duì)大小，發(fā)散，并在光束直徑的光分布。 這些特性在激光諧振腔（共振器）的設(shè)計(jì)中，光學(xué)系統(tǒng)控制光束強(qiáng)烈地依賴，無(wú)論是在所述腔和后輸出。 雖然激光可能會(huì)產(chǎn)生光的均勻明亮的光點(diǎn)時(shí)，投影到一個(gè)表面，如果光強(qiáng)度在光束的橫截面測(cè)量在不同的點(diǎn)時(shí)，將發(fā)現(xiàn)不同的強(qiáng)度。 諧振器的設(shè)計(jì)也影響光束發(fā)散，度量光束從激光增大擴(kuò)頻為距離。 光束發(fā)散角是在計(jì)算的光束直徑在給定距離的重要因素。

在許多先前的討論中，假設(shè)是，反射鏡的激光諧振腔的兩端是平面的，或平的。 概念上，這是*簡(jiǎn)單的配置，但實(shí)際上它可以是非常難以實(shí)現(xiàn)的。 如果兩個(gè)反射鏡是不準(zhǔn)確對(duì)齊，會(huì)發(fā)生過(guò)度的光的損失，可能會(huì)導(dǎo)致激光停止運(yùn)行。 甚至不對(duì)準(zhǔn)一個(gè)小數(shù)度的，幾個(gè)連續(xù)的反射后，可導(dǎo)致從所述腔體的側(cè)面顯著光損失。 如果一個(gè)反射鏡的一個(gè)或兩個(gè)具有彎曲的表面，由于不對(duì)中的光損耗可減少或消除。 因?yàn)榍骁R的聚焦性能，光被限制到空腔，即使反射鏡沒(méi)有精確對(duì)準(zhǔn)，或者如果光不被精確地沿著空腔軸射出。 還有一些設(shè)計(jì)上的變化是采用的平面和曲面的反射鏡不同的組合，以確保光線總是聚焦背朝向相反的鏡像。 這種類型的配置被稱為一個(gè)穩(wěn)定的諧振器 ，因?yàn)楣獗环瓷鋸囊粋€(gè)鏡像到另一個(gè)將繼續(xù)無(wú)限期地振蕩，如果沒(méi)有其他的損失。

在具有低增益激光介質(zhì)，穩(wěn)定的諧振器是在*大限度地利用受激發(fā)射的非常重要。 在高增益激光，從腔體的側(cè)面低水平的損失是不嚴(yán)格的。 事實(shí)上，某些不穩(wěn)定諧振器的設(shè)計(jì)可能是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兂３＞哂袕募す饨橘|(zhì)內(nèi)較大體積收集能量的優(yōu)點(diǎn)，即使它們?cè)试S光損失。 在高增益激光反射鏡往往比具有較低的增益激光系統(tǒng)更透明，讓一個(gè)給定的光線可能只出現(xiàn)在光束中通過(guò)前腔旅行一次。 因此，反射鏡的取向是不至關(guān)重要的，因?yàn)樵诘驮鲆娴脑O(shè)計(jì)，其中的輸出鏡的高反射率使光出現(xiàn)之前被反射多次。

激光諧振腔長(zhǎng)度和光相互作用的波長(zhǎng)，以產(chǎn)生光束的能量分布的縱向模式，但諧振器的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的因素在決定整個(gè)光束的寬度的光強(qiáng)分布，以及所使用的速率的光束發(fā)散。 整個(gè)光束的強(qiáng)度由梁的橫向模式來(lái)確定。 在光束強(qiáng)度的分布可能是由某些所謂的邊界條件的限制，但通常的光束具有一個(gè)，兩個(gè)，或更多的中央的峰，具有在邊緣強(qiáng)度為零。 的各種模式被指定為TEM（百萬(wàn)）模式 ，參照到 T ransverse，E LECTRIC和M鐵磁介質(zhì)模式，分別為，其中m和 n是整數(shù)。 該整數(shù)指示*小值的數(shù)目，或零強(qiáng)度點(diǎn)的光束在兩個(gè)垂直方向上的邊緣之間（E模式為*和M-模式下 ，第2次）。

一個(gè)典型的激光束是亮的中心和強(qiáng)度向邊緣脫落。 這代表了*簡(jiǎn)單的一階模式中，被指定的TEM（00），并且具有橫跨下面的高斯函數(shù)的光束的強(qiáng)度分布。 圖8說(shuō)明了幾個(gè)在眾多的TEM（百萬(wàn)）模式是可能的。 雖然一些穩(wěn)定的諧振器的激光器，特別是那些設(shè)計(jì)用于*大輸出功率，在一個(gè)較高階模式的一個(gè)或多個(gè)操作時(shí)，通常需要抑制這些振蕩。 *階模式可以容易地在穩(wěn)定的諧振器的低增益的激光器而獲得，并且是優(yōu)選的方式，因?yàn)楣馐捎?a title='衍射' target='_blank' class='seolabel'>衍射傳播可以接近理論*小值。

衍射起著決定的激光光斑可以投影到一個(gè)給定的距離的大小有重要作用。 在所述諧振器腔的光束的振蕩產(chǎn)生一個(gè)窄的光束，隨后發(fā)散在某些角度取決于諧振器設(shè)計(jì)中，輸出孔徑的尺寸，并且在梁上產(chǎn)生的衍射效應(yīng)。衍射通常被描述為一個(gè)光束擴(kuò)展效應(yīng)的結(jié)果，從衍射環(huán)（稱為艾里環(huán)）圍繞一個(gè)光束，當(dāng)光波通過(guò)小開口過(guò)去了的形成。 這些衍射現(xiàn)象穿過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后的光點(diǎn)的*小直徑加以限制。 用于激光，光束新興從輸出鏡可以被認(rèn)為是作為開口或孔，光束被反射鏡上的衍射效應(yīng)將限制*小發(fā)散性和光束的光點(diǎn)尺寸。 在透射電子顯微鏡（00）模式的光束，衍射，通常是在光束發(fā)散角的限制因素。 光束發(fā)散之面值由下式給出的簡(jiǎn)單關(guān)系：

如果激光束穿過(guò)一種光學(xué)系統(tǒng)，在上述方程中的適當(dāng)?shù)闹睆街凳峭ㄟ^(guò)該光束經(jīng)過(guò)*后一個(gè)元素。 該常數(shù)取決于在光束中的強(qiáng)度分布，而且是非常接近于中值。 的關(guān)系清楚地表明，光束發(fā)散角隨波長(zhǎng)增加而增加，隨梁（或輸出鏡頭）直徑增大。 換句話說(shuō)，一個(gè)較小直徑的光束將遭受比大型光束發(fā)散更多和更大的傳播距離。

光束發(fā)散角的對(duì)于一個(gè)給定激光的值可以有很大的實(shí)際意義。 氦氖激光和半導(dǎo)體激光已成為測(cè)量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)工具。 在激光測(cè)距，快速激光脈沖被發(fā)送到一個(gè)角反射器在被映射的位置，并在返回脈沖的延遲被精確地測(cè)量，以從激光位置獲得的距離。 在慣常的短距離，光束發(fā)散的是不是一個(gè)顯著問(wèn)題，但是對(duì)于較長(zhǎng)距離的測(cè)量，過(guò)度發(fā)散可以減少反射光束的強(qiáng)度，并妨礙檢測(cè)。 在阿波羅11號(hào)和阿波羅14號(hào)任務(wù)美國(guó)宇航員放置在被雇用的，從在麥克唐納天文臺(tái)在德克薩斯州一個(gè)**的脈沖紅寶石激光反射光線的月亮角反射器。 雖然梁已蔓延至3公里的月球表面的半徑，反射光仍然有足夠的強(qiáng)度在地球上被檢測(cè)到。 從月球到德州天文臺(tái)的距離進(jìn)行測(cè)量，在15厘米，這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但自80年代以來(lái)，技術(shù)進(jìn)步提高了精度小于2厘米的價(jià)值。 目前正在努力雇用**的望遠(yuǎn)鏡利用月球上的幾個(gè)反射器，以進(jìn)一步減少誤差，也許是為了低至1毫米到發(fā)送和接收光脈沖。

因?yàn)楫a(chǎn)生激光作用的機(jī)制涉及提高的原子或分子以高的激發(fā)狀態(tài)，以便產(chǎn)生所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是顯而易見的某種形式的能量必須消耗到激光系統(tǒng)。 光子可以被用來(lái)提供所需的能量在被稱為光抽運(yùn)的方法。 通過(guò)照射激光材料與光的適當(dāng)波長(zhǎng)的光，發(fā)射的原子或分子可以被提升到上部的能量級(jí)，從那里再下降到亞穩(wěn)能級(jí)，并隨后變成激發(fā)而發(fā)光。 幸運(yùn)的是，在大多數(shù)激光器，用于泵浦光不具有特定波長(zhǎng)的要求，這主要是因?yàn)榧す饪梢跃哂卸鄠€(gè)上部的水平，都可以衰變到亞穩(wěn)能級(jí)。 因此，廉價(jià)的光源發(fā)射寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)，如白熾燈或閃光燈管，通?？梢杂糜诠鈱W(xué)泵浦激光器。 這限制了激光效率的重要因素是，泵浦光的光子必須具有更高的能量（或等效的更短的波長(zhǎng)）比激光光。

電泵浦是在氣體和半導(dǎo)體激光器通常用于激勵(lì)的另一種機(jī)制。 在氣體激光器，流過(guò)氣體的電流激發(fā)的原子和分子成必要的上能級(jí)開始腐爛，或衰變系，產(chǎn)生的激光發(fā)射。 有些氣體激光器通過(guò)一個(gè)恒定的電流通過(guò)氣體產(chǎn)生連續(xù)輸出，而其他人使用電流脈沖來(lái)產(chǎn)生脈沖激光輸出。 一些高功率激光器甚至使用導(dǎo)入的激勵(lì)氣體的電子束。

半導(dǎo)體激光器工作在一個(gè)非常不同的方式，而且還依賴于電電流，以產(chǎn)生必要的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 在這些裝置中的反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的載流子（電子和電子 - 空穴對(duì)）在半導(dǎo)體的異種區(qū)域之間的交界處的平面的群體之間。 光發(fā)射的半導(dǎo)體激光器是通過(guò)從晶體切割端反饋（圖9）集中在結(jié)平面。 芯片材料具有高的折射率，并且反映了足夠的光線返回到晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)增益。 切割的面也可以被拋光，以控制反射率。 通常情況下，晶體的一端被涂有反射材料，使得發(fā)射只發(fā)生從單端，如圖所示9。 低得多的電勢(shì)和電流是必需的在半導(dǎo)體激光器相比，氣體激光器。

能量轉(zhuǎn)移的其他方式都不太常用功率激光躍遷。 核或化學(xué)反應(yīng)可以被用于在一些激光器產(chǎn)生激發(fā)物種。 氣體激光器可使用不同的氣體的組合來(lái)進(jìn)行激光加工。 在氦 - 氖激光，氦原子從即引起電輸入，然后將其轉(zhuǎn)移到存在的氖氣在非常接近的能級(jí)的氣體放電中獲取能量。 激光躍遷隨后發(fā)生的氖氣中，以產(chǎn)生激光發(fā)射。

激光本身效率低下。 能量必須被提供給激光器，以及一些是失去了在轉(zhuǎn)換到在激光光的形式更高度有序的能量。 如上所討論的，對(duì)于一個(gè)光學(xué)泵浦激光，激光輸出總是較長(zhǎng)的波長(zhǎng)比激發(fā)光。 在那段發(fā)生在三級(jí)和四級(jí)激光能量水平的變化會(huì)發(fā)生其他的能量損失。 下面的初始勵(lì)磁到上層，激光躍遷自身可能僅釋放能量的一部分，特別是與其余被輸給其他進(jìn)程。 在一些系統(tǒng)中，具有高能量的激光過(guò)渡，大量的能量必須被消耗只是為了提高激光的物種到合適的水平，遠(yuǎn)高于基態(tài)。 激勵(lì)，無(wú)論是電子或光學(xué)手段，是不是100％的效率 - 能量是永遠(yuǎn)不會(huì)完全被激光介質(zhì)吸收。 所有這些主要因素，而一些輕微的不提到的，嚴(yán)重限制了激光的總效率。雖然*有效的半導(dǎo)體激光器和某些氣體激光器可以轉(zhuǎn)換幾乎10％的輸入能量為激光光線，典型的激光器具有1％或更低的總效率。

在自1960年以來(lái)幾十年中，激光已經(jīng)從科幻小說(shuō)的幻想，在實(shí)驗(yàn)室研究的好奇心，在深?yuàn)W的科學(xué)應(yīng)用的價(jià)格昂貴，但非常有價(jià)值的工具，其目前的作用，作為日常工作的組成部分平常，比如閱讀雜貨價(jià)格或測(cè)量房間的墻紙。 二十世紀(jì)的重大科技成就任何實(shí)質(zhì)性的名單將包括接近頂部的激光。 激光在當(dāng)前生活的各個(gè)領(lǐng)域的普及程度可以通過(guò)，利用激光技術(shù)應(yīng)用的范圍內(nèi)*好的贊賞。 在此范圍內(nèi)壯觀的結(jié)束是軍事上的應(yīng)用，包括使用激光作為武器，以對(duì)抗可能的******攻擊防御。 在另一端的日?；顒?dòng)，如播放音樂(lè)光盤和打印或復(fù)印紙張文件。 是激光指針，一旦花費(fèi)數(shù)百美元作為廉價(jià)的鑰匙鏈配件出售，甚至木匠的水平和簡(jiǎn)單的測(cè)量器件集成激光器。

在夢(mèng)幻般的和普通之間，激光器被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療和手術(shù)，并在切割和焊接一切從用于服裝到鋼鐵，橡膠，并在汽車和家電的制造中使用塑料面料。 從激光器的熱被利用于點(diǎn)焊金屬，以及在醫(yī)療過(guò)程一般細(xì)膩重新附加視網(wǎng)膜，已成為在人眼分離。 其他高度精密的醫(yī)療程序，如修復(fù)血管損傷和切割和熔化組織使用激光例行完成的。 全球電話通信的很大一部分都采用了光纜英里發(fā)送脈沖激光信號(hào)，和文物，如古畫，往往是評(píng)估的缺陷，用激光的幫助下恢復(fù)進(jìn)行。 隨著計(jì)算機(jī)，集成電路，衛(wèi)星，激光技術(shù)似乎注定要在重要的增長(zhǎng)在我們的日常生活中不是夢(mèng)想只是一個(gè)短短的幾年前的方式。