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激光与激光器简介（一）

更新于 2026/08/04
  • 激光
  • 光学
  • 受激辐射
  • 红宝石激光器
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从日常生活、工业生产到前沿科学，激光的身影随处可见：条码扫描、光纤通信、激光切割、精密测量、眼科手术以及惯性约束聚变等领域都在使用激光。

不过，“激光很亮”只是表面现象。它真正特殊的地方，在于光的产生和放大方式。本篇从受激辐射出发，介绍激光形成的基本条件，并以世界上第一台成功运行的激光器——红宝石激光器为例，说明一个典型固体激光器如何工作。

1. 激光这个名称从何而来

“激光”对应的英文单词 Laser 原本是一个缩写：

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

直译为“通过受激辐射实现的光放大”。因此，理解激光首先要理解三个基本过程：

  • 吸收；
  • 自发辐射；
  • 受激辐射。

在讨论这些过程之前，需要先澄清一个容易产生误解的说法：原子中的电子并不是像行星一样沿着确定轨道绕核运动。量子力学用量子态和轨道波函数描述电子，原子只允许具有某些分立的能量本征值，我们把它们称为能级。

为了便于说明，以下仍使用 E1E_1、E2E_2 等能级符号，但它们表示量子态的能量，而不是经典意义上的环形轨道。

2. 吸收、自发辐射与受激辐射

设原子或离子的两个能级满足 E2>E1E_2>E_1。当一个光子的能量恰好匹配能级差时：

hν=E2−E1h\nu=E_2-E_1

其中，hh 为普朗克常数，ν\nu 为光的频率。

2.1 吸收

处于低能级 E1E_1 的粒子吸收能量为 hνh\nu 的光子后，可以跃迁到高能级 E2E_2。实际介质中的吸收线具有一定线宽，因此并不是只有数学意义上的单一频率才能被吸收。

泵浦源的作用，就是通过光、电流、化学反应或其他方式向增益介质输入能量，使更多粒子进入激发态。

2.2 自发辐射

激发态通常不能无限期保持。处于 E2E_2 的粒子可能在没有外来光场触发的情况下跃迁到 E1E_1，同时释放一个光子，这就是自发辐射。

需要注意，自发辐射的光子频率仍由能级差及谱线展宽决定，并不是“频率完全随机”。随机的主要是发射时刻、传播方向、相位和偏振。因此，大量粒子的自发辐射通常不会自动形成具有稳定相位关系和高度方向性的光束。

白炽灯、火焰以及许多荧光材料发出的光，主要属于自发辐射或热辐射，不能简单等同于激光。

2.3 受激辐射

如果频率与跃迁相匹配的光场通过介质，它可能促使处于高能级 E2E_2 的粒子跃迁到低能级 E1E_1，并向同一光学模式再释放一个光子，这个过程称为受激辐射。

在理想化描述中，新产生的光子与触发它的光场具有相同的频率、相位、偏振和传播方向。于是，一个光子可以诱发第二个光子，两个光子又可以继续诱发更多受激辐射，光场在介质中得到相干放大。

三能级系统的跃迁示意图

上图是原文使用的三能级示意图。向上的箭头表示泵浦吸收，向下的箭头可以表示无辐射弛豫、自发辐射或受激辐射。真实介质的能级常由多个子能级或能带组成，不能仅凭箭头方向判断具体跃迁机制。

3. 为什么需要粒子数反转

光通过介质时，受激吸收和受激辐射会同时发生：

  • 低能级粒子倾向于吸收光子；
  • 高能级粒子可以通过受激辐射增加光子。

在最简单、且上下能级简并度相同的模型中，只有高能级粒子数 N2N_2 大于低能级粒子数 N1N_1，受激辐射才可能压过吸收，介质才表现为净增益：

N2>N1N_2>N_1

这种偏离热平衡的状态称为粒子数反转。更一般地，如果两个能级的简并度分别为 g2g_2 和 g1g_1，增益条件需要比较 N2/g2N_2/g_2 与 N1/g1N_1/g_1，而不能只比较总粒子数。

热平衡状态下，低能级粒子通常更多，因此粒子数反转不会自然长期存在，必须持续或周期性地向介质泵入能量。

4. 从光放大到激光振荡

只实现光放大，还不一定能得到通常意义上的激光输出。传统激光器还会利用光学谐振腔提供反馈。

一个最简单的线形谐振腔由两面相对的反射镜组成：

  • 一面具有很高的反射率；
  • 另一面是具有一定透射率的输出耦合镜。

光在两面反射镜之间往返传播，每次通过增益介质都会获得放大，同时也会承受吸收、散射、衍射和输出耦合等损耗。只有当某个光学模式的往返增益足以补偿总损耗时，激光振荡才能建立，这就是激光的阈值条件。

flowchart LR
    P[泵浦源] --> M[增益介质]
    M --> I[形成粒子数反转]
    I --> S[自发辐射提供初始光子]
    S --> A[受激辐射放大]
    A --> C[谐振腔反馈与模式选择]
    C --> A
    C --> O[输出耦合镜输出激光]

谐振腔会对允许振荡的纵模、横模和传播方向进行选择；受激辐射、谐振腔反馈及模式竞争共同形成激光的频谱、相干性和方向性。把这个过程简单概括为“筛选出频率和方向一致的光”并不完整。

对于常见的振荡型激光器，可以把基本组成概括为：

  1. 增益介质：发生受激辐射并提供光学增益的材料；
  2. 泵浦源：向增益介质输入能量，帮助建立粒子数反转；
  3. 光学谐振腔：提供反馈、约束传播方向并选择允许振荡的模式，其中通常包含输出耦合结构。

并非所有激光系统都必须采用最简单的“两面镜子”结构。例如，半导体激光器可以利用芯片端面或分布式光栅构成反馈，环形激光器和光纤激光器又有不同的腔形。

5. 激光有哪些典型特性

激光经常被描述为“单色、相干、方向性好、亮度高”，但这些性质都不是绝对的：

  • 窄线宽：激光的频谱通常比普通热光源窄，但仍然具有有限线宽，也可能同时振荡多个纵模；
  • 高方向性：谐振腔限制了横向模式，使光束通常具有较小的发散角，但任何有限口径光束都受衍射限制；
  • 高相干性：激光往往具有较长的时间相干长度和较好的空间相干性，具体程度取决于线宽和横模结构；
  • 高辐亮度：能量可以集中在较小的空间、立体角和频率范围内，但不同激光器的功率相差可能达到许多个数量级；
  • 可产生不同时间波形：有的激光器连续输出，有的输出纳秒、皮秒甚至飞秒脉冲。

因此，“激光”描述的是产生和放大光的机制，并不意味着所有激光器都具有相同颜色、功率、脉宽或相干性。

6. 第一台成功运行的激光器

1960 年 5 月，西奥多·梅曼（Theodore H. Maiman）及其在休斯研究实验室的团队成功运行了第一台激光器。该装置使用闪光灯泵浦红宝石晶体，产生的是短脉冲红光，而不是连续光束。

梅曼随后在 Nature 发表了题为 Stimulated Optical Radiation in Ruby 的论文，报告了波长约为 694.3 nm694.3\ \mathrm{nm} 的受激光学辐射。

早期形式的红宝石激光器

7. 红宝石激光器如何工作

红宝石的主体是氧化铝晶体：

Al2O3\mathrm{Al_2O_3}

其中掺入少量三价铬离子 Cr3+\mathrm{Cr^{3+}}。真正参与吸收、能量转移和受激辐射的是晶格环境中的 Cr3+\mathrm{Cr^{3+}}，而不是氧化铝本体直接产生红色激光。

红宝石激光器是典型的三能级激光器。其工作过程可以概括为：

  1. 光泵浦：脉冲氙灯发出强光，Cr3+\mathrm{Cr^{3+}} 吸收蓝绿光附近的能量，从基态 4A2{}^4A_2 跃迁到较高的宽吸收带 4T1{}^4T_1、4T2{}^4T_2；
  2. 无辐射弛豫：粒子在很短时间内通过晶格振动等过程，把部分能量转化为热，并转移到亚稳态 2E{}^2E；
  3. 粒子积累：2E{}^2E 的寿命达到毫秒量级，粒子可以在此暂时积累；
  4. 受激辐射：当泵浦足够强并达到阈值后，2E{}^2E 到基态 4A2{}^4A_2 的跃迁产生约 694.3 nm694.3\ \mathrm{nm} 的红色激光；
  5. 腔内放大与输出：光在谐振腔内往返通过红宝石棒，满足阈值的模式逐渐增强，最后由输出耦合镜射出。

原文把高能泵浦态的寿命写成约 10−9 s10^{-9}\ \mathrm{s}。更准确地说，相关高能态会经过非常快速的无辐射过程进入 2E{}^2E 亚稳态，具体时间取决于能级、样品和测量条件，可进入皮秒量级；而 2E{}^2E 的辐射寿命通常是数毫秒量级。

闪光灯泵浦红宝石激光器的结构示意

图中的红宝石棒、脉冲氙灯和反射镜分别对应增益介质、泵浦源与光学谐振腔。工程装置还需要泵浦反射器、高压脉冲电源、触发电路、散热结构、光机调整机构以及完整的安全防护。

8. 为什么红宝石激光器通常是脉冲工作的

三能级激光器的下激光能级就是基态，而绝大多数粒子在泵浦开始前都位于基态。为了形成粒子数反转，必须把很大一部分基态粒子抽运到上激光能级，因此阈值较高。

脉冲氙灯可以在短时间内提供很高的泵浦功率，使红宝石晶体越过阈值。建立激光振荡后，亚稳态中的粒子迅速被消耗，增益下降到阈值以下，单次激光脉冲结束。下一次闪光灯放电再重复这一过程。

这也是红宝石激光器与许多四能级激光器的重要区别：四能级系统的下激光能级能够迅速排空，通常更容易形成粒子数反转，也更适合连续工作。

9. 关于安全

原文曾把红宝石激光器描述为“适合 DIY”，这一说法需要删除。闪光灯泵浦装置通常同时包含高压储能电容、强烈闪光、紫外辐射和高能激光输出；直射光和镜面反射都可能造成永久性眼损伤，高功率激光还可能灼伤皮肤或引发火灾。

因此，红宝石激光器适合作为理解激光原理的经典案例，但不应在缺乏激光安全设施、高压电气防护和专业指导的情况下自行搭建。

10. 小结

激光器并不是简单地把普通光“过滤得更整齐”，而是一个远离热平衡的有源系统：

  1. 泵浦源向增益介质输入能量；
  2. 介质建立粒子数反转并提供受激辐射增益；
  3. 谐振腔为特定光学模式提供反馈；
  4. 当往返增益超过损耗时，激光振荡建立；
  5. 一部分腔内光通过输出耦合结构成为可用的激光束。

红宝石激光器把这些要素集中在一套结构直观的装置中，也由此成为介绍激光物理最经典的例子之一。

参考资料