我們先來(lái)了解下原子是如何發(fā)光的

在原子當(dāng)中，外層軌道運(yùn)行的電子的能量比內(nèi)層軌道的更大。而量子力學(xué)效應(yīng)使電子只能出現(xiàn)在有空間間隔的軌道上，而不能出現(xiàn)在兩個(gè)軌道層之間。注意，這里之所以說(shuō)軌道層，是因?yàn)殡娮訉?shí)際上并不是以環(huán)狀的方式繞原子核旋轉(zhuǎn)，而是隨機(jī)出現(xiàn)在軌道層的某個(gè)位置上，我們并不能確定電子下一刻會(huì)出現(xiàn)在軌道層的什么地方，只能知道它出現(xiàn)在某個(gè)地方的概率（注意:電子在第二層以上的軌道層[能級(jí)]上的分布概率并不是均勻地，而是符合波函數(shù)）。

 
上圖：氫原子唯一的那個(gè)電子在不同能級(jí)上的概率分布。

當(dāng)電子從光（光子）或熱（聲子）吸收能量時(shí)，它接收了能量，動(dòng)能增加，就不能呆在原來(lái)的電子層了。它會(huì)想出去“發(fā)泄”一下，于是就神秘地從原來(lái)的軌道層消失，然后突然出現(xiàn)在更高的軌道層上。但是在外層軌道上還是會(huì)“想家”的，于是那個(gè)電子“發(fā)泄”出一個(gè)光子之后，就又神秘地回到了原來(lái)的軌道層，老老實(shí)實(shí)地呆著了。因?yàn)殡娮舆@種“發(fā)泄”而產(chǎn)生的光輻射被稱為“自發(fā)輻射”——這是導(dǎo)致原子光譜發(fā)射線和吸收線的原因。

但請(qǐng)注意，上面所說(shuō)的“自發(fā)輻射”的光子的光波相位和方向都是隨機(jī)的，因此，由許多同類原子構(gòu)成的材料因?yàn)槲�收了能量然后“自發(fā)發(fā)射”出光子會(huì)形成有一定光譜寬度限制的輻射（以某一個(gè)波長(zhǎng)的光為中心）——也就是單色光。但這些光子并沒(méi)有共同的相位關(guān)系并且輻射的方向是隨機(jī)的。這是熒光和熱輻射的根本機(jī)制。產(chǎn)生單色光的根本原因，是電子“發(fā)泄”（術(shù)語(yǔ)叫做“躍遷”）時(shí)，總是從特定的軌道調(diào)回到原來(lái)的軌道，所以發(fā)出的光線的波長(zhǎng)都是基本一致的，這個(gè)波長(zhǎng)就叫做此原子的特征波長(zhǎng)，而這個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光波的頻率叫做特征頻率。

總結(jié)一下就是：原子接受能量之后會(huì)向周圍輻射出特征性的單色光。

激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是"通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。

激光是由“受激輻射”產(chǎn)生的

外部的電磁場(chǎng)（例如一束光）可以影響原子的量子學(xué)狀態(tài)。

當(dāng)原子中的電子從低能級(jí)的電子層向高能級(jí)電子層躍遷的過(guò)程中，實(shí)際上電子會(huì)進(jìn)入某種過(guò)渡狀態(tài)，在這種情況下，電子從一個(gè)只有負(fù)電荷的電單級(jí)粒子變成某種“電偶極子”（同時(shí)具有正負(fù)兩極），并且會(huì)響應(yīng)于與其特征頻率一致的外部電場(chǎng)（例如入射的光子），于是此這個(gè)還沒(méi)有開(kāi)始“發(fā)泄”電子被那“闖進(jìn)來(lái)”的光子“帶壞了”，變得跟這光子的某些特性一致（術(shù)語(yǔ)叫“諧振”），然后這電子還接收了入射光子的能量，迅速躍遷到位（比原來(lái)快得多），立即開(kāi)始“發(fā)泄”。但跟以往不同，電子這次“發(fā)泄出來(lái)”的光子的方向和相位都跟入射的那個(gè)光子完全相同。結(jié)果大量相同的原子在同一束光的照射下都釋放出與入射光方向完全一致的光子，匯聚成了一大束平行光——激光。

由于需要持續(xù)不斷地提供外來(lái)光束來(lái)激發(fā)原子發(fā)出激光，而且還需要增強(qiáng)最終獲得的激光的強(qiáng)度。于是科學(xué)家們發(fā)明了“光學(xué)腔”這種設(shè)備巧妙地來(lái)產(chǎn)生激光。光學(xué)腔又叫“激光腔”或者“光學(xué)諧振腔”——就是置于兩面對(duì)射的鏡子之中的發(fā)光體（術(shù)語(yǔ)稱為“增益介質(zhì)”，因?yàn)榘l(fā)光管中通常裝了能夠發(fā)出單色光的物質(zhì)，可以是氣體，也可以是液體或者等離子體）。如此，被充電的“增益介質(zhì)”不斷地在自己產(chǎn)生的“激光”的照射下不斷地產(chǎn)生新的激光，并且兩面鏡子將光線不斷疊加增強(qiáng)，只要輸入的電功率足夠抵消激光在鏡子間反射的消耗以及“增益介質(zhì)”散射光的消耗，那么就可以向外輸出激光了。

總結(jié)一下，在外來(lái)與特征頻率一致的光線的激發(fā)下，原子可以釋放出與外來(lái)光線方向和相位一致的輻射，這叫做“受激輻射”。受激輻射產(chǎn)生的光子在“光學(xué)腔”中不斷匯聚和增益，可以最終穩(wěn)定地輸出激光。

上圖：氦氖激光器——管中軸的粉橙色光芒是氣體在通電情況下形成的等離子體產(chǎn)生的非相干光，跟霓虹燈管中的情形一樣。這種發(fā)光的等離子體在受到外部光束激發(fā)的情況下，產(chǎn)生受激輻射（也就是激光），產(chǎn)生的激光在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，不斷增強(qiáng)，最后從中心小孔射出。可以看到最后輸出的激光在右側(cè)屏幕上產(chǎn)生一個(gè)微小的強(qiáng)光斑。

上圖：不同的“增益介質(zhì)”可以產(chǎn)生不同顏色的單色激光[頭條·小宇堂—]

總結(jié)一下

上圖：從左到右，受激輻射與自發(fā)輻射最大的不同就在于自發(fā)輻射的方向是隨機(jī)的，而受激輻射的方向與外來(lái)的光子一致

上圖：從左至右——

• 吸收

• 自發(fā)輻射

• 受激輻射

在發(fā)光區(qū)外加一對(duì)「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實(shí)可以使用一對(duì)鏡子組成，如圖三所示，使光束在左右兩片鏡子之間來(lái)回反射，不停地通過(guò)發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應(yīng)，使光的能量放大。

光激發(fā)光(PL：Photoluminescence)
我們以「鈦藍(lán)寶石激光(Ti Sapphire laser)」為例，先在藍(lán)寶石內(nèi)摻雜鈦原子得到鈦藍(lán)寶石晶體，在晶體四周放置許多高亮度的光源(發(fā)出某一種波長(zhǎng)的光)對(duì)著晶體照射，當(dāng)晶體吸收光能產(chǎn)生「能量激發(fā)(Pumping)」，則會(huì)發(fā)出另外一種波長(zhǎng)(顏色)的光。發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)由左右兩個(gè)反射鏡來(lái)回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設(shè)計(jì)可以穿透5%的光，所以高能量的激光就會(huì)由右方穿透射出，如圖三(a)所示。

電激發(fā)光(EL：Electroluminescence）我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極，對(duì)著芯片施加電壓，當(dāng)芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)(Pumping)」，則會(huì)發(fā)出某一種波長(zhǎng)(顏色)的光。發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)由左右兩個(gè)晶體鏡面反射鏡來(lái)回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設(shè)計(jì)可以穿透5%的光，所以高能量的激光光束就會(huì)由右方穿透射出，如圖三(b)所示。

圖三　激光產(chǎn)生的原理。