激光產生的背景及原理

處於激發態的原子不能長時間停留在高能級。即使沒有外界作用，也會自發地由高能級向低能級躍遷，並輻射一個光子。因為原子的這種自發輻射是完全獨立的，所以，不同原子發射光子的方向全然不同。剎那間，工作物質中出現沿四面八方傳播的光子，假定工作物質具有圓柱形狀，這些自發輻射光子必有一部分沿其中心軸的方向傳播，多數則與中心軸有一定夾角。后一類“離心離德”的光子很快從工作物質的側面逃逸出去，對激光的產生沒有多大影響；前一類“同心同德”的光子在沿工作物質中心軸方向運動時，將引起路徑上處於高能級原子的受激輻射，產生與其具有相同頻率、相同位相，並沿相同方向傳播的光子。該光子與誘發它的光子“齊心協力，並肩戰鬥”，激勵其他原子輻射與它們相同的光子。如此下去，使光子數由1到2，由2到4，……以神奇的速度按指數規律增長。更為神奇的是，由於所有這些光子都是逐次受激輻射產生的，這使它們全部具有相同頻率、相同初位相、相同偏振態，並沿相同方向傳播。

理論上講，只要工作物質足夠長，則不管初始自發輻射有多弱，最終總可以被放大到一定強度。但在實際激光器中，一般來說，工作物質既沒有必要，也沒有可能特別長（最近發展起來的以光纖為工作物質的激光器是一個例外），通常的做法是在其兩端各放一塊反射鏡，使光得以來回反射多次通過工作物質並被不斷放大，為充分利用光能，介質往往被置於一聚光腔體中，後者與端面反射鏡共同構成激光諧振腔。

由以上的討論可以看出，激光作為一種光，與自然界其他發光一樣，是由原子（或分子、離子等）躍遷產生的，而且是由自發輻射引起的。不同的是，普通光源自始至終都是由自發輻射產生的，因而含有不同頻率（或不同波長、不同顏色）的成分，並向各個方向傳播。激光則僅在最初極短的時間內依賴於自發輻射，此後的過程完全由受激輻射決定。正是這一原因，使激光具有非常純正的顏色，幾乎無發散的方向性，極高的發光強度。而正是這些神奇的特性，使激光在各個領域具有一系列令人難以置信而又不得不相信的應用。