激光器的工作原理

只有大约100种不同的原子在整个宇宙中。我们所看到的一切都是由这100个原子以无限数量的组合构成的。这些原子排列和结合的方式决定了它们是组成一杯水，一块金属，还是汽水罐发出的嘶嘶声!

原子不断地运动。它们不断地振动、移动和旋转。甚至构成我们坐的椅子的原子也在移动。固体实际上在运动!原子可以是不同的兴奋的状态．换句话说，它们可以有不同的能量。如果我们对一个原子施加大量的能量，它会留下所谓的基态能级然后去一个兴奋的水平。激发的程度取决于通过热量施加到原子上的能量，光,或电．

以上是对原子外观的经典解释。

这个简单的原子由a组成核(含质子和中子)和电子云。这是很有帮助的考虑电子在云中环绕核在许多不同的轨道上。

考虑上一页的插图。尽管更现代的原子观点无法描述离散轨道对于电子来说，把这些轨道看作是原子的不同能级是很有用的。换句话说，如果我们对一个原子施加一些热量，我们可能会期望，一些在低能量轨道上的电子，会转移到远离原子核的高能量轨道上。

这是一个高度简化的观点，但它实际上反映了“如何”的核心思想原子在激光方面的工作。

一旦电子移动到更高能量的轨道，它最终会想要回到基态。当它这样做时，它以a的形式释放能量光子——一粒光．你可以看到原子一直以光子的形式释放能量。例如，当加热元件在烤面包机变成鲜红色，红色是由原子引起的，由热激发，释放红色光子。当你看到一张图片电视屏幕，你看到的是磷原子，被高速电子激发，发出不同颜色的光。任何能发光的东西——荧光灯，气体灯笼，白炽灯泡——它是通过电子改变轨道和释放光子的动作来实现的吗?

一个激光是一种控制被激发原子释放光子的方式的装置。"激光"是光通过受激辐射而放大这本书简明扼要地描述了激光的工作原理。

虽然激光有许多类型，但都有某些基本特征。在激光中，激光介质被“泵浦”以获得原子进入激发态。通常，非常强烈的闪光或放电泵浦激光介质，并产生大量激发态原子(具有更高能量电子的原子)。要使激光器有效地工作，就必须有大量处于激发态的原子。一般来说，原子被激发到比基态高两到三个能级。这增加了粒子数反转．布居数反转是激发态原子数与基态原子数的比值。

一旦激光介质被抽运，它就会包含一组原子，其中一些电子处于激发态。激发态电子的能量比较松弛的电子大。就像电子吸收了一定量的能量来达到这个激发态，它也可以释放这个能量。如下图所示，电子可以简单地弛缓，从而使自己摆脱一些能量。这释放出的能量以……的形式出现光子(光能)。发射的光子有一个非常特殊的波长(颜色)取决于光子被释放时电子能量的状态。两个相同的原子和处于相同状态的电子将释放出波长相同的光子。

激光与普通光有很大的不同，它具有以下特性:

要实现这三个属性需要调用受激发射．这在你的日常生活中是不会发生的手电筒——在手电筒里，所有的原子都随机地释放光子。在受激发射中，光子发射是有组织的。

任何原子释放的光子都有一个特定的波长，这个波长取决于激发态和基态之间的能量差。如果这个光子(具有一定的能量和相位)遇到另一个具有相同激发态电子的原子，就会发生受激发射。第一个光子可以刺激或诱发原子发射，以便随后发射的光子(来自第二个原子)以与入射光子相同的频率和方向振动。

激光的另一个关键是一对镜子，在激光介质的两端各有一个。光子，具有特定的波长和相位，通过反射镜在激光介质中来回移动。在这个过程中，它们刺激其他电子使向下的能量跳跃，并可能导致发射更多相同波长和相位的光子。级联效应发生了，很快我们就传播了许许多多波长和相位相同的光子。激光器一端的镜子是“半镀银”的，这意味着它反射一些光并让一些光通过。通过它的光是激光。

你可以在下面的图表中看到所有这些组件，这说明了一个简单的红宝石激光器的工作原理。

红宝石激光器由闪光管(就像你在摄像机里看到的那样)、一根红宝石竿和两面镜子(一面半镀银)。红宝石棒是激光介质，闪光管泵送它。

这是现实生活中的三层激光。

在下一节中，你将学习不同类型的激光。

激光有许多不同的类型。激光介质可以是固体、气体、液体或半导体．激光通常根据所使用的激光材料的类型来指定:

一个红宝石激光器(如图所示)是一种固态激光器，其发射波长为694 nm。其他的激光介质可以根据所需的发射波长(见下表)，所需的功率和脉冲持续时间来选择。有些激光器非常强大，比如二氧化碳激光器，它可以穿透钢．二氧化碳激光器之所以如此危险，是因为它发射的是激光光在红外和微波区域的光谱。红外线辐射是热量，这种激光基本上熔化了它聚焦的任何东西。

其他激光器，如二极管激光器，是非常弱的，并用于今天的袖珍激光笔。这些激光器通常会发出一束红光，波长在630 nm到680 nm之间。激光在工业和研究中被用来做许多事情，包括使用强激光激发其他分子来观察发生在它们身上的事情。

以下是一些典型的激光器及其发射波长(以纳米为单位):

激光被分为四个广泛的领域，取决于潜在的引起生物危害．当你看到激光时，它应该被标记为以下四种类型中的一种:

有关激光和相关主题的更多信息，请查看下面的链接。