我們先來了解下原子是如何發光的

在原子當中，外層軌道運行的電子的能量比內(nei) 層軌道的更大。而量子力學效應使電子隻能出現在有空間間隔的軌道上，而不能出現在兩(liang) 個(ge) 軌道層之間。注意，這裏之所以說軌道層，是因為(wei) 電子實際上並不是以環狀的方式繞原子核旋轉，而是隨機出現在軌道層的某個(ge) 位置上，我們(men) 並不能確定電子下一刻會(hui) 出現在軌道層的什麽(me) 地方，隻能知道它出現在某個(ge) 地方的概率（注意:電子在第二層以上的軌道層[能級]上的分布概率並不是均勻地，而是符合波函數）。

 
上圖：氫原子唯一的那個(ge) 電子在不同能級上的概率分布。

當電子從(cong) 光（光子）或熱（聲子）吸收能量時，它接收了能量，動能增加，就不能呆在原來的電子層了。它會(hui) 想出去“發泄”一下，於(yu) 是就神秘地從(cong) 原來的軌道層消失，然後突然出現在更高的軌道層上。但是在外層軌道上還是會(hui) “想家”的，於(yu) 是那個(ge) 電子“發泄”出一個(ge) 光子之後，就又神秘地回到了原來的軌道層，老老實實地呆著了。因為(wei) 電子這種“發泄”而產(chan) 生的光輻射被稱為(wei) “自發輻射”——這是導致原子光譜發射線和吸收線的原因。

但請注意，上麵所說的“自發輻射”的光子的光波相位和方向都是隨機的，因此，由許多同類原子構成的材料因為(wei) 吸收了能量然後“自發發射”出光子會(hui) 形成有一定光譜寬度限製的輻射（以某一個(ge) 波長的光為(wei) 中心）——也就是單色光。但這些光子並沒有共同的相位關(guan) 係並且輻射的方向是隨機的。這是熒光和熱輻射的根本機製。產(chan) 生單色光的根本原因，是電子“發泄”（術語叫做“躍遷”）時，總是從(cong) 特定的軌道調回到原來的軌道，所以發出的光線的波長都是基本一致的，這個(ge) 波長就叫做此原子的特征波長，而這個(ge) 波長對應的光波的頻率叫做特征頻率。

總結一下就是：原子接受能量之後會(hui) 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(ge) 字母組成的縮寫(xie) 詞。意思是"通過受激發射光擴大"。激光的英文全名已經完全表達了製造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發射”改稱“激光”。

激光是由“受激輻射”產生的

外部的電磁場（例如一束光）可以影響原子的量子學狀態。

當原子中的電子從(cong) 低能級的電子層向高能級電子層躍遷的過程中，實際上電子會(hui) 進入某種過渡狀態，在這種情況下，電子從(cong) 一個(ge) 隻有負電荷的電單級粒子變成某種“電偶極子”（同時具有正負兩(liang) 極），並且會(hui) 響應於(yu) 與(yu) 其特征頻率一致的外部電場（例如入射的光子），於(yu) 是此這個(ge) 還沒有開始“發泄”電子被那“闖進來”的光子“帶壞了”，變得跟這光子的某些特性一致（術語叫“諧振”），然後這電子還接收了入射光子的能量，迅速躍遷到位（比原來快得多），立即開始“發泄”。但跟以往不同，電子這次“發泄出來”的光子的方向和相位都跟入射的那個(ge) 光子完全相同。結果大量相同的原子在同一束光的照射下都釋放出與(yu) 入射光方向完全一致的光子，匯聚成了一大束平行光——激光。

由於(yu) 需要持續不斷地提供外來光束來激發原子發出激光，而且還需要增強最終獲得的激光的強度。於(yu) 是科學家們(men) 發明了“光學腔”這種設備巧妙地來產(chan) 生激光。光學腔又叫“激光腔”或者“光學諧振腔”——就是置於(yu) 兩(liang) 麵對射的鏡子之中的發光體(ti) （術語稱為(wei) “增益介質”，因為(wei) 發光管中通常裝了能夠發出單色光的物質，可以是氣體(ti) ，也可以是液體(ti) 或者等離子體(ti) ）。如此，被充電的“增益介質”不斷地在自己產(chan) 生的“激光”的照射下不斷地產(chan) 生新的激光，並且兩(liang) 麵鏡子將光線不斷疊加增強，隻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”散射光的消耗，那麽(me) 就可以向外輸出激光了。

總結一下，在外來與(yu) 特征頻率一致的光線的激發下，原子可以釋放出與(yu) 外來光線方向和相位一致的輻射，這叫做“受激輻射”。受激輻射產(chan) 生的光子在“光學腔”中不斷匯聚和增益，可以最終穩定地輸出激光。

上圖：氦氖激光器——管中軸的粉橙色光芒是氣體(ti) 在通電情況下形成的等離子體(ti) 產(chan) 生的非相幹光，跟霓虹燈管中的情形一樣。這種發光的等離子體(ti) 在受到外部光束激發的情況下，產(chan) 生受激輻射（也就是激光），產(chan) 生的激光在兩(liang) 個(ge) 反射鏡之間來回反射，不斷增強，最後從(cong) 中心小孔射出。可以看到最後輸出的激光在右側(ce) 屏幕上產(chan) 生一個(ge) 微小的強光斑。

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

總結一下

上圖：從(cong) 左到右，受激輻射與(yu) 自發輻射最大的不同就在於(yu) 自發輻射的方向是隨機的，而受激輻射的方向與(yu) 外來的光子一致

上圖：從(cong) 左至右——

• 吸收

• 自發輻射

• 受激輻射

在發光區外加一對「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖三所示，使光束在左右兩(liang) 片鏡子之間來回反射，不停地通過發光區吸收光能，最後產(chan) 生諧振效應，使光的能量放大。

光激發光(PL：Photoluminescence)
我們(men) 以「鈦藍寶石激光(Ti Sapphire laser)」為(wei) 例，先在藍寶石內(nei) 摻雜鈦原子得到鈦藍寶石晶體(ti) ，在晶體(ti) 四周放置許多高亮度的光源(發出某一種波長的光)對著晶體(ti) 照射，當晶體(ti) 吸收光能產(chan) 生「能量激發(Pumping)」，則會(hui) 發出另外一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩(liang) 個(ge) 反射鏡來回反射產(chan) 生「諧振放大(Resonance)」，由於(yu) 右方的反射鏡設計可以穿透5%的光，所以高能量的激光就會(hui) 由右方穿透射出，如圖三(a)所示。

電激發光(EL：Electroluminescence）我們(men) 以「砷化镓激光二極管(GaAs laser diode)」為(wei) 例，先在砷化镓激光二極管芯片(大約隻有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極，對著芯片施加電壓，當芯片吸收電能產(chan) 生「能量激發(Pumping)」，則會(hui) 發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩(liang) 個(ge) 晶體(ti) 鏡麵反射鏡來回反射產(chan) 生「諧振放大(Resonance)」，由於(yu) 右方的反射鏡設計可以穿透5%的光，所以高能量的激光光束就會(hui) 由右方穿透射出，如圖三(b)所示。

圖三　激光產(chan) 生的原理。