科普|LASER——最亮的光、最快的刀、最准的尺
近年来
激光一词以极高频率进入大众视野
从小时候看着奥特曼利用光线必杀技战无不胜
到如今激光手术、激光切割、激光焊接广告遍布电梯……
激光到底是什么
又是如何产生的
今天小编就为大家说道一番
激光是什么？
激光一词来源于英文“Laser”
全称为：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
意思为：受激辐射的光放大
1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯实验室的宁静，如一声巨雷震响了整个科学界，从此，以激光为对象的科学研究开始蓬勃发展。
激光从何而来？
激光器是能够发射激光的装置，是激光加工设备的重要组成部分。激光器的基本组成主要包括三个部分：激光泵浦源、增益介质和谐振腔。
其中泵浦源为激光器的光源，增益介质指可将光放大的工作物质，谐振腔为泵浦光源和增益介质之间的回路。在工作状态下，泵浦源提供能量，增益介质吸收能量实现受激辐射过程将光“放大”，然后激光光束经谐振腔振荡选模后输出。
要弄懂激光的产生原理，我们先看生活中的大多普通光线是怎么形成的。
原子获得能量→从低能级跃迁到高能级→高能级不稳定，不能持续存在→原子从高能级回到低能级（自发辐射）→释放能量（光子）
而激光产生的过程则不是一个自发的过程，它需要外在的激励，是一种受激辐射过程。
受激辐射是指，当一定的光子入射时，也会引发原子以一定的概率，迅速地从能级高能级降到低能级，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。
以此类推，这些光子呈指数级地增长并向前推进，由于他们的行进路线和波长都是一致的，所以最终会形成一道连续不断的射线，这个过程，就是前文所说的“受激辐射光放大”，也是激光一词的来源。
但是，激光的实现过程有一个前提，就是受激物质中高能量级原子的数量一定要比低能量级原子多，这样才能保证有足够的光子可以被激发出来，这一条件被称为粒子数反转。
过程可以这样描述：从外部对该激光媒质照射能量（激发光）让大量原子由低能量的基态（E₁）跃迁到高能级，成为高能量的激发态（E₃）。而粒子处于高能级E₃时无法保持稳定状态，便会回到较低的能级E₂，此时E₂能量级存在大量的原子存在，E₁能量级原子数较少， “粒子数反转”形成。通过粒子数反转，大量的能量级E₂的原子出现后，只需进行一次光子刺激，激光线就能顺利产生了。
激光有哪些优势？
与自然光相比，激光的特性可以被概括为“三好一高”，即：单色性好、相干性好、方向性好、亮度高。
单色性：光的波长（或频率）对于光的颜色有决定性影响，光波长范围越窄，其单色性就会越好。对于普通的光，谱线宽度比较大，频率范围较宽，而激光的频谱宽度非常窄。
相干性：相干性是用来描述波与波之间相位、频率关系的属性。光具有波粒二象性，也就是说微观来看，由光子组成，具有粒子性；但是宏观来看又表现出波动性。光有波动性，因此也有相干性。从激光器中发射出来的光量子由于共振原理，在波长、频率、偏振方向上都是一致的，这就使得其具有非常强的干涉力。我们一般也将激光称作相干光。
方向性：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发散角很小，几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。
亮度：激光在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大，而亮度极高的主要原因是大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，定向发光。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2·sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。
激光器有哪些分类？
除了最初的红宝石激光器，科学家们在经过多年的研究和探索中已经研究出了多种类型的激光器。按增益介质的种类分类，激光器可分为液体激光器、气体激光器、半导体激光器和固体激光器等等；按泵浦方式分类可分为电泵浦、化学泵浦、光泵浦、气动泵浦；按输出波长分类，激光器可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等等；根据运转方式的分类，激光器则可分为连续激光器和脉冲激光器。
各式各样激光器满足不同的应用要求。如激光焊接、打孔、切割、热处理、光刻等领域对能发射出高功率激光或高能量激光的激光器要求迫切；有的则希望脉冲时间尽量缩短，加上激光特有的单色性好、相干性强、方向性好的优点，在激光测距等领域中脉冲激光器能够大放异彩……
超短脉冲激光的应用？
近十年来，超短脉冲激光加工技术取得突飞猛进的发展，超短脉冲激光在工业、军事等领域的需求日益增长，在太赫兹产生、光成像和超连续谱产生等方面也有重要的应用价值。我们熟知的飞秒激光就是其中的代表之一。除了飞秒激光以外，按脉冲时间的长短来划分来存在着纳秒激光、皮秒激光甚至介于中间的亚纳秒激光等等。
专业名词可能大家都听过，具体的量级概念是什么样的呢？下图给出了一些指示。
其中，亚纳秒是介于纳秒和皮秒之间的量级。
与连续激光器有稳定工作状态不同，脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器。超短脉冲激光器发出的激光脉冲具有极高瞬时功率、聚焦范围极小的特点。利用不同的激光晶体，可以制造出不同脉冲宽度的激光器，飞秒激光、亚纳秒脉冲激光器等就因这些特点有了很大的市场需求。
目前，超短脉冲激光被应用于微加工的想法已经成为了现实。
其无接触式加工，后续工艺少，可控性好、易于集成，加工效率高、材料损耗小，环境污染低等显著优势，已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等行业，对提高产品质量、自动化程度、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
结语
作为20世纪人类最重大的发明之一
激光技术的应用已深入到生活中各个方面
对社会的革新正在起着越来越重要的作用
改变着我们的世界
看完本文介绍，相信你对激光知识有了进一步认识。下次可不要把 Laser拼成Lazer啦！
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References:
任俊杰. 全固态亚纳秒激光器的研究[D].北京工业大学,2018.
丁俊华. 激光原理及应用[M]. 电子工业出版社, 2004.
黄德修. 半导体光电子学[M]. 电子工业出版社, 2013.