激光(LASER)，即“受激輻射光放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，是一種通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)光相干放大的技術(shù)。它以其卓越的方向性、極高的亮度和單一的波長特性，被譽為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”，徹底改變了工業(yè)制造、醫(yī)療健康、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。

然而，隨著科技的進(jìn)步，人們對激光的要求已不再局限于傳統(tǒng)的長脈沖激光，而是轉(zhuǎn)向更高精度、更低熱影響的超短脈沖激光技術(shù)。本文將詳細(xì)介紹激光的產(chǎn)生原理、激光器的基本組成與分類，并重點分析納秒、皮秒和飛秒激光。希望通過本文的介紹，讀者能夠全面了解激光技術(shù)的基本原理及其在現(xiàn)代科技中的重要作用。

1. 受激輻射理論的歷史背景

1905年，愛因斯坦在他的光電效應(yīng)研究中首次提出光子的概念。1916年，他進(jìn)一步提出了受激輻射理論，為激光的誕生奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

2. 激光產(chǎn)生的物理過程

結(jié)合玻爾模型和愛因斯坦受激輻射理論，我們知道，當(dāng)介質(zhì)材料中的電子吸收能量后，會躍遷到較高的能級，也就是“受激吸收”。但這種激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，電子傾向于回到低能級，并在此過程中輻射出一個光子，這一過程被稱為“自發(fā)輻射”。如果此時有另一個光子經(jīng)過，它會誘導(dǎo)處于高能級的電子釋放出與入射光子相同頻率、相位和方向的新光子，這就是“受激輻射”。

盡管受激輻射可以產(chǎn)生大量光子，但這些光子的方向是隨機的，無法形成激光。為了實現(xiàn)光的相干放大，科學(xué)家引入了諧振腔的概念。通過在材料兩端設(shè)置反射鏡，光子可以在兩片反射鏡之間來回振蕩，不斷誘導(dǎo)新的光子生成，從而實現(xiàn)光的放大。

為了輸出激光，通常將其中一片反射鏡設(shè)計為部分反射鏡，使得部分光子能夠逸出諧振腔形成激光輸出。如果需要獲得更高能量的脈沖光，還可以在輸出端加入一塊可飽和吸收體。當(dāng)腔內(nèi)能量積累到超過一定閾值時，可飽和吸收體會瞬間開啟，從而輸出高能量的脈沖光波。

審核編輯 黃宇