激光（Laser），它指通過受激輻射放大和必要的反饋，產生準直、單色、相干的光束的過程及儀器。而基本上，產生激光需要"共振腔"(resonator)、"增益介質"(gain medium)以及"激發來源"(pumping source)這三個要素。

一、原理
原子的運動狀態可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發輻射）。同樣的，當一個光子入射到一個能級系統并為之吸收的話，會導致原子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收）；然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射）。這些運動不是孤立的，而往往是同時進行的。當我們創造一種條件，譬如采用適當的媒質、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產生激光。

二、分類
根據產生激光的媒質，可以把激光器分為液體激光器、氣體激光器和固體激光器等。而現在見的半導體激光器算是固體激光器的一種。

三、構成
激光器大多由激勵系統、激光物質和光學諧振腔三部分組成。激勵系統就是產生光能、電能或化學能的裝置。目前使用的激勵手段，主要有光照、通電或化學反應等。激光物質是能夠產生激光的物質，如紅寶石、鈹玻璃、氖氣、半導體、有機染料等。光學諧振控的作用，是用來加強輸出激光的亮度，調節和選定激光的波長和方向等。

四、應用
激光應用很廣泛，主要有 fiber communication, 激光測距、激光切割、激光、激光唱片等等。

五、歷史
1958年，美國科學家肖洛和湯斯發現了一種神奇的現象：當他們將內光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象，他們提出了"激光原理"，即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵時，都會產生這種不發散的強光--激光。他們為此發現了重要論文。

肖洛和湯斯的研究成果發表之后，各國科學家紛紛提出各種實驗方案，但都未獲成功。1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的束激光，梅曼因而也成為一個將激光引入實用領域的科學家。

1960年7月7日，梅曼宣布一臺激光器由誕生，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管，來刺激在紅寶石色水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。

前蘇聯科學家H.Γ.巴索夫于1960年發明了半導體激光器。半導體激光器的結構通常由P層、N層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是：尺寸小，耦合效率高，響應速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調制，相干性好。

六、激光的一些主要應用方向

（l）激光通信

用光傳遞信息，在今天十分普遍。比如，艦船用燈語通信，交通燈用紅、黃、綠三色調度。但是所有這些用普通光傳遞信息的方式，都只能局限在短距離內。要想把信息通過光直接傳遞到遙遠的地方，就不能用普通光，而只能動用激光。

那么如何傳遞激光呢？我們知道，電是可以沿著銅線輸送的，但光是不能沿著普通金屬線輸送的。為此，科學家們研制出來一種能夠傳輸光的細絲，叫作光導纖維，簡稱光纖。光纖是用特種玻璃材料制成的，直徑比人的頭發絲還要細，通常為50～150 微米，而且非常柔軟。

實際上，光纖的內芯是高折射率的透明光學玻璃，而外面的包皮層則是用低折射率的玻璃或塑料制成。這樣的結構，一方面能使光沿著內芯折射前進，就像水在自來水管里往前流動，電在導線中往前傳輸一樣，即使千繞百折也沒有什么影響。另一方面，低折射率的包皮層又能阻止光外泄，就像水管不會滲水，電線的絕緣層不會導電一樣。

光導纖維的出現解決了傳遞光的途徑，但并不是說有了它就可以把任何光都能傳送到很遠很遠的地方去。只有亮度高、顏色純、方向性好的激光，才是傳遞信息的光源，它從光纖的一端輸入后，幾乎沒有什么損失又從另一端輸出。因此，光通信實質上就是激光通信，它具有容量大、質量高、材料來源廣、保密性強、經久耐用等優點，被科學家們譽為通信領域的一場革命，是技術革命中最輝煌的成果之一。

激光通信*在哪里？激光通信的優點首先是容量大。它的容量有多大呢？當我們平時打電話時，講著講著有時會串進來不相干的說話聲。這種打架現象是由于一對電話線上只能通過一路電話，如果另外串進來一路電話，正常的通話雙方就會受到干擾。假如有10對人同時用一對電話線通話，就等于20個人同時講話，那就根本無法通話了。為了解決這個問題，就必須采用載波等方法，使各路電話分別處在各個頻段上。由于普通電話的頻率范圍為300～400赫，而在一對電話線上頻率只有1500千赫，所以在一對電話線上只能同時通過十幾路電話。顯然，這樣的電信容量是遠遠不能滿足當今信息社會的要求的。

如果我們把普通電話的傳輸信息量比作是小推車的話，那么激光通信則是汽車。由于激光的頻率要比無線電波高得多，所以激光通信的信息容量要比電氣通信大10億倍。一根比頭發絲還細的光纖就可以傳輸幾萬路電話或幾千路電視節目。由20根光纖組成的光纜只有一支鉛筆那樣粗細，每天可以通話76200人次。相比之下，由1800根銅線組成的電纜，直徑約7.6厘米，但每天卻只能通話900人次。

尤其令人驚訝的是，光纖通信特別適合于電視、圖像和數字的傳遞。據報道，一對光纖可在一分種內傳遞全套《大英百科全書》。

此外，制造光導纖維的材料是地球上到處都有的砂子——石英，只要幾克石英就能制造出1千米長的光纖。這樣，不僅原材料取之不盡、用之不竭，還可以大大節約銅和鋁材。正因為如此，目前世界上發達國家都在競相研究激光通信。于是激光通信成了爭相發展的寵兒。

在通信技術，光纖通信技術的發展之快是的。拿通信技術的幾個里程碑來看，電話從發明到應用，花費了60年左右的時間，并且電話通信至今仍大量、普遍使用。無線電技術（例如電報）從發明到應用也花了30年左右時間。電視技術雖然發展較快，但仍然孕育了約14年。而激光通信，從根低損耗光導纖維的誕生到應用，總共只有5年時間。現在激光通信不僅應用廣泛，而且形成了巨大的光纖市場。

1977年5月，美國有一家大公司叫電報電話公司，它在芝加哥市內的兩個電話局之間，敷設了一條短距離的光導纖維通信線路，此后在全美國近百個地方建立了總長幾百千米的短距離激光通信線路。這就意味著在短距離內，激光通信已開始取代普通的電氣通信。到了1983年，美國紐約到波士頓之間長達600千米的光導纖維通信已投入使用。

緊跟在美國后面的是日本。1984年，日本完成了從北海道的札幌至九州福岡的長距離光導纖維通信干線，全長達2800千米，中間聯結著30多個城市。1993年12月，中國和日本之間橫跨東海的光纖電纜已鋪設成功。日本和美國之間橫跨太平洋的長達1萬千米的海底光纜也在設計中。

由于光導纖維通信的蓬勃發展，美、日、英、法等工業發達國家相繼成立了光導纖維、光纜生產企業。世界上三大的光纖光纜公司——美國的西電公司、康寧公司和日本的住友公司，光導纖維產量每年都在12萬千米以上。

總之，工業發達國家都已建立了全國性的光纖通信網絡，以便*替代目前的銅質電線電纜，這項浩大的技術工程估計到2000年可告完成。到那時候，激光通信將給我們這個地球帶來巨大變化。例如，足不出戶就可以利用光纖網絡在家中處理文件或參加一個會議；或者將家中的光纖網絡與購物中心相連，如同置身在超級市場一樣，坐在家中選購需要的商品，貨款只須與電子金融購物系統結算。各地的醫療中心也可以從屏幕上查看病人的病情和化驗報告，并據此開出處方單，從而真正做到“秀才不出門，可知天下事”，“運籌于帷幄之中，決勝于千里之外”。

激光和光纖還可以傳送圖像。首先，要將直徑比人頭發絲還要細的單根光導纖維組合成纖維束。在傳送信息過程中，常用的纖維束有兩種：一種叫傳光束，另一種叫傳像束。傳光束的任務是將光從一頭傳到另一頭。傳光束結構比較簡單，它是由多根單絲膠合在一起，再將其端面拋光、研磨，以便減少光進入光纖時的反射和散射損失，然后在傳光束外面套上塑料護套。

由于一根光纖只能傳送一個光點，要傳送整幅圖像就必須將光導纖維一根一根整齊地排列起來，這樣組成的光纖束就叫傳像束。

在傳像束中，全部光纖都排列得整整齊齊，兩個端頭所處的位置都一一嚴格對應，一點也不混亂，就像一把整齊的筷子那樣。比如，某根光纖的一頭在傳像束中處于第八排第八列的位置上，那么它的另一頭也同樣是處于八、八位置上。

傳像束在傳送圖像時，首先將圖像分割成網眼狀，即一幅圖像被無數根光纖分解成無數個像元，然后再傳送出去。一根光纖負責傳送一個像元，無數根光纖便能將整幅圖像傳送到另一端。如果要使圖像傳送得清晰，就要盡可能選用直徑較細的光纖，因為光纖越細，在一定的傳像束上就能容納進更多的光束，這樣就能傳送更多的像元。顯然，像元越多，圖像就越清晰。

現在應用的傳像束由上萬根光纖組成，要把這么多光纖整齊地排列起來可不是一件容易的事。排列好后，再用一種叫作環氧樹脂的有機粘合劑將兩端膠合，使光纖粘結固定，保證兩端光纖一一對應。對兩個端面還要磨平和拋光。至于中間部分則不必粘牢，而是像二胡的弦那樣松散，只須在外面加上保護的塑料套管，這樣的傳像束既柔軟，又可以任意彎曲。

除了傳送圖像處，傳像束還能傳送一般的符號或數字，以及放大圖像或縮小圖像。

如要放大圖像，可以將傳像束做成一端大、一端小，就像錐體那樣。當圖像元從小端傳到大端時，整幅圖像就被放大。反之，如將圖像從大端發送到小端，整幅圖像就被縮小了。

此外，利用光纖還可以改變圖像。如果根據需要有意打亂光導纖維的排列，就可以使出口端的像元并不落在原先對應的點上，而落到主觀構思的點上，于是圖像就改變了。如果將圖像元端的光纖做成方形，而將出口端光纖做成圓環形，就能將方形的圖像元變成圓環形的像元。

總之，光纖傳像束有很大的發展潛力，在未來的光信息處理技術中將日益顯示其*的作用。

（2）材料加工

鉆孔、切割、焊接以及淬火，是加工金屬材料時的操作。自從引進了激光后，在加工的強度、質量以及范圍等方面開創了全新的局面。除了金屬材料外，激光還能加工許多非金屬材料。

激光鉆孔機在激光鉆孔機問世之前，對各種機械零件鉆孔靠的是電動鉆孔機或沖床。但機械鉆孔不僅效率低，而且鉆出的孔洞表面不夠光潔。

激光鉆孔的原理，是利用激光束聚集使金屬表面焦點溫度迅速上升，溫升可達每秒l00萬度。當熱量尚未發散之前，光束就燒熔金屬，直至汽化，留下一個個小孔。激光鉆孔不受加工材料的硬度和脆性的限制，而且鉆孔速度異常快，快到可以在幾千分之一秒，乃至幾百萬分之一秒內鉆出小孔。

比如，如果需要在金屬薄板上鉆出幾百個連人眼都難以察覺出來的微孔，用電動鉆孔機顯然是不能勝任的，但用激光鉆孔機卻能在1～2秒鐘內全部完成。如果用放大鏡對這些微孔作一番細查的話，可發現微孔面十分整齊光潔。

激光鉆孔還可用來加工手表鉆石。它每秒鐘可鉆 20～30個孔，比機械加工效率高幾百倍，而且質量高。同時，激光鉆孔與下面我們就要講到的激光切割一樣，加工過程是非接觸式的，即不像機械加工那樣靠鋼鉆頭逐漸鉆透金屬材料。因此，激光操作可以在自動化連續加工，或者在超凈、真空的特殊環境中發揮作用。

激光切割機知道了激光鉆孔的原理，就容易理解激光為什么可以切割金屬材料了：只要移動工件或者移動激光束，使鉆出的孔洞連邊成線，就自然能將材料切割下來了。而且，不論是什么樣的材料，如鋼板、鈦板、陶瓷、石英、橡膠、塑料、皮革、化纖、木材等，激光都如一柄削鐵如泥，削木如灰的光劍，而且，切割的邊緣非常光潔。

激光焊接機激光之所以能用來焊接，是因為它的功率密度很高。所謂功率密度高，是指在每平方厘米面積上能集中*的能量。激光的功率密度有多高呢？我們可以作個比較：工廠里通常用于焊接的乙炔火焰能將兩塊鋼板焊在一起，這種火焰的功率密度可以達到每平方厘米1000瓦；氬弧焊設備的功率密度還要高，可以達到每平方厘米10000瓦。但這兩種焊接火焰根本無法與激光相比，因為激光的功率密度要比它們高出千萬倍。這樣高的功率密度不僅可以焊接一般的金屬材料，還可以焊接又硬又脆的陶瓷。

激光淬火傳統的淬火方法十分簡單，先將刀刃燒紅，然后驟然浸到冷水里，經過這一熱一冷的處理，刀刃的硬度就大為提高。不過，這樣淬火顯然不太方便，效果也不一定理想。

激光淬火，是用激光掃描刀具或零件上需要淬火的部位，使被掃描區域的溫度升高，而未被掃描到的部位仍維持常溫。由于金屬散熱快，激光束剛掃過，這部位的溫度就急驟下降。降溫越快，硬度也就越高。如果再對掃描過的部位噴速冷劑，就能獲得遠比普通淬火要理想得多的硬度。

（3）激光照相排版

照相排版實際上是引入了光學攝影原理。用活字排版，必須根據書稿，依樣畫葫蘆地檢出各種大小、字體不同的鉛字和符號進行排版。而照相排版要簡便很多，它是通過排字機上的透鏡，來改變字樣的大小和形狀的。至于用透鏡為什么就能改變字樣的大小和形狀，這實際上就等于我們照“哈哈鏡”。

用照相排版時，只需將光源通過透鏡把需要的文字和符號，在感光相紙上成像，再經過顯影和定影就形成了照相底片。然后，只要像印照片那樣印刷就行。

照相排版可使用兩種光源，剛才講的是普通光源，相比之下，激光排版省時省力。由于激光亮度高，顏色淺，可以大大改善圖像的清晰度，印出來的書質量自然就高。它的原理是怎樣的呢？首先通過計算機把文字變成一個個點，然后用點來控制激光掃描感光底片，才真正拍攝出全息照相。

全息照相與立體照相是兩回事。盡管立體彩色照片看上去色彩鮮艷、層次分明，富有立體感，但它總歸仍是單面圖像，再好的立體照也代替不了真實的實物。比如，一個正方形木塊的立體照，不論我們怎樣改變觀察角度，只能看到照片上的那個畫面，但全息照就不同了，我們只要改變一下觀察角度，就可以看到這個正方塊的六個方面。因為全息技術能將物體的全部幾何特征信息都記錄在底片上，這也是全息照相最重要的一個特點。

全息照相的第二個重要特點是，能以一斑而知全豹。當全息照被損壞，即使是大半損壞的情況下，我們仍然可以從剩下的那一小半上看到這張全息照上原有物體的全貌。這對于普通照片來說就不行，即使是損失一只角，那只角上的畫面也就看不到了。

全息照的第三個特點是，在一張全息底片上可以分層記錄多幅全息照，而且在它們顯示畫面時不會互相干擾。正是這種分層記錄，使得全息照能夠存儲巨大的信息量。激光全息照的底片，可以是特種玻璃，也可以是乳膠、晶體或熱塑等。一塊小小的特種玻璃，可以把一個大型圖書館里的上百萬冊藏書內容全部存儲進去。全息照相的用途日益廣泛。

全息照相可以將珍貴的歷史文物記錄下來，萬一有文物古跡遭到嚴重破壞，即使蕩然無存，我們仍然可以根據全息照相重建。比如像北京圓明園那樣的名勝，當年被八國聯軍焚毀，現在雖然打算重建，因為不知道原來的整個面貌，就難以*恢復。如果全息照相提早100年發明的話，事情就好辦了。

全息照相在工業上還可以用作無損檢測。什么是無損檢測呢？就是說，用激光全息技術既可以檢查出產品有沒有微小的毛病，又一點也不會損傷這些產品。

更令人感興趣的是，目前全息照相還被用來拍攝全息電影和電視，不久觀眾會看到真實生活的圖像畫面了。即用激光“撞”擊底片上的感光涂料，留下無數個對應的點，這些點經顯影、定影后就重新變成文字或圖像。這里，激光束相當于電子束，感光底片相當于電視機熒屏。接下來，用載有文字和圖像的底片就可以去印書報雜志了。彩色電視機之所以能顯示紅、綠、藍三色，是由于熒屏上涂有三色熒光粉，它們在電子撞擊下會顯出三種顏色。而激光照相排版也可以采用類似的原理，印刷出優美的彩色畫面來。

（4）激光在醫學上的應用

激光應用在醫療器械領域的成果是很多的，它可以扮演鉆頭、、焊槍等多種角色。

焊槍和鉆頭在眼科，激光主要是用來治療視網膜剝離。視網膜剝離是一種很棘手的疾病，患者的視網膜與眼球內壁脫開，無法產生視覺。在激光沒有問世之前，病人恐怕難免失明的苦難。

現在，醫生可以用激光器對準病人眼底，使激光器發射出一束激光，通過加熱使視網膜重新與眼球內壁合在一起。整個過程要不了幾分鐘，激光束就像焊槍一樣，將病人的視網膜焊接好了。

除了焊接外，激光這把焊槍也可以用于切割。

白內障是老年人的常見病。病人的眼球前部的凸透鏡——晶狀體，由原來透明的彈性體漸漸變得混濁無彈性，光線就不能通過晶狀體，落到眼底的視網膜上，病人逐漸看不見東西。治療白內障的傳統辦法是，將眼球前部切開一條口子，然后從小口子中伸進一根細金屬針。這根金屬針溫度極低，將渾濁的晶狀體凍得粘在針上，然后一起從小口子中帶出，顯然，整個手術比較麻煩。

如果用醫用激光器來治療，不僅方便，而且效果好。只要將激光束對準眼球內晶狀體的前表面或后表面發射，就可以迅速切除掉晶狀體表面的混沌膜。

在牙科，激光可以代替牙鉆。根據世界衛生組織統計，兒童的齲齒發病率是相當高的，大約達到75％。用激光治牙，病人幾乎沒有不舒服的感覺，而且只要不發炎，一次治療就能解決問題。牙科激光器是激光器中的小弟弟，它的功率很小，只有3瓦，相當于一支節能燈，幾乎不產生熱量。它的發射端實際上是像頭發絲那么細的光導纖維。

治療時，只須將光纖發射端接近齲齒灶，發出激光束，齲處組織會分解，然后用清水沖洗掉。如果齲齒僅是淺度的牙琺瑯質受損，激光束會將受損處的細微孔隙一一封死，這樣便可以阻止乳酸腐蝕牙本質。如果已出現了齲孔，用激光束鉆孔、清洗后，即可將人造琺瑯質材料填入空洞中，再用激光加熱接合處，使人造琺瑯質材料與牙琺瑯質融為一體。激光治牙不僅、迅速，而且治療后的效果也好。

激光如果要使用激光刀給病人的膀胱、心臟、肝臟、胃、腸等重要內臟動手術，難度就大了。激光怎么能進入到人的內臟里去呢？這就要靠醫生手中的一件寶貝了，這件寶貝就是激光纖維內窺鏡。

所謂內窺鏡，是醫生用來插到人體內直接觀察器官的光學裝置。但通常的內窺鏡體積比較大，也比較粗糙，只能從病人口腔沿食道插到胃里觀察。插胃是十分難受的，病人會感到很痛苦。激光纖維內窺鏡則*不同。用光導纖維做成的內窺鏡又軟、又細、又能彎曲，當它插入病人胃里時，不會有痛苦。除了胃，光纖內窺鏡還能進入其他重要的臟器內。激光纖維內窺鏡一方面可用來檢查病人的臟器是否變，更主要的是可以將激光能量輸入體內臟器中，對病變組織進行照射，也即加以切除，起到的作用。而且，用激光刀切割，傷口能自動止血，不需要結扎出血點，大大縮短了手術時間，傷口也不會發炎。如果用激光刀切除惡性腫瘤，還可以防止癌細胞擴散呢。

（5）激光

激光在海灣戰爭中，以美國為首的多國向伊拉克境內發動大規模空襲，摧毀伊拉克的許多重要軍事目標。最后，這場戰爭以伊拉克的失敗而告終。有人說，海灣戰爭是一場*的較量，這話確有道理。

美國的飛機上裝有激光瞄準器，它能發射出紅外激光。當一架擔任偵察任務的飛機在空中發現地面目標時，就邊在空中盤旋，邊用激光瞄準器不斷地向目標發射激光束。這種激光束實際上起著向導的作用。這時，擔任攻擊任務的另一些飛機就隨后飛來，向目標扔下激光制導。這些激光制導上裝有自動跟蹤系統。這種自動跟蹤系統等于的眼睛，當撲向目標時，它能根據從目標上反射回來的向導激光，不斷地修正飛行中的航向，從而準確無誤地擊中目標。

其實，這類激光制導，早在70年代，美國在越南戰場上就使用過。現在不僅有空對地，而且有地對地、空對空、地對空等多種激光。

今天，人們已能夠將無線電搜索雷達、激光雷達結合起來，組成系統。比如，當無線電雷達發現空中目標（敵機或）后，就可以將目標的高度、方位和速度準確測量出來。只要目標進入一定范圍內，激光雷達就會開啟，發射出一束很細的激光束，緊緊盯住并精確測量出目標的位置，然后發射的激光，會根據激光雷達提供的向導激光束，準確地命中目標，將其摧毀。這類激光可以方便地部署在卡車上，也可以改裝成反坦克。

目前研制成的反坦克激光，既可以從地面上發射，也可以從直升飛機上發射。上裝有半導體激光器，起著自動跟蹤目標的作用，使能地擊中坦克。

激光雷達雖然精度高、體積小、操作靈巧、轉移方便，但它也有缺點，就是容易受到氣象條件的限制，也不適于在大范圍內搜索目標。因此，它一般都與無線電雷達配合使用，互相取長補短。

激光槍和激光炮所謂激光槍和激光炮都屬于激光戰術。它們的外形像槍和炮，但它們發射的不是和炮彈，而是激光束，使敵方人員傷亡或失明。這類的威力大小，與本身的能量和射擊距離有關。現在激光槍和激光炮的有效射程還不遠，所以死光的威力有限。

但是，死光的前景是無法估量的。一旦激光束的能量加大、有效距離增加，那就會成為名副其實的死光。比如，用激光炮打1萬米高空中的飛機，由于激光束的前進速度是每秒30萬千米，因此只需三萬分之一秒的時間就能擊中飛機。而在這短短的瞬間，飛機在空中僅夠向前移動幾厘米。這樣，對于死光來說，活動的飛機實際上成了死目標，必死無疑。照此計算，即使是射向幾千千米外的，死光也只需花幾十分之一秒，而在這個瞬間內，也只能夠向前飛行幾十米。因此，死光有充分的時間將摧毀在外層空間。

此外，激光還可以不斷改變方向，對準各個目標，逐一摧毀，而且從經濟上來說，制造激光炮要比制造洲際便宜得多。