激光的英文名称Laser是“Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation”的缩写，意为“通过受激辐射实现光的放大”。激光和无线电波、微波一样，具有波粒二象性；但激光的产生机理与普通光不同，由此决定它具有比普通光优异的特征。

光的产生都与光源内部的原子运动状态有关。原子运动状态改变了，其内能将会有相应的变化。原子具有一系列的不连续的E₁、E₂、E₃、…、E_n等能量状态，称为原子的稳定状态。这些不连续的能量值，通常称为原子的能级。“原子的能级”实际指的是原子中电子的能量大小具有不连续的一级一级的形式，这是一切微观粒子（原子、离子、分子等）所共有的属性。原子能量的特点可用能级图形象地表示出来。图6-1所示为最简单的氢原子的能级分布情况。最低的能级为E₁，称为基能级（或者叫基态），其他任何能级称为激发能级（或者激发态）。基态的能量值记为“0”，这并不是说基态原子的内能为“零”，而是说由于电子运动“轨道”的变化所引起的原子内能转变，是从这里算起的。

原子总是使自己的能量状态处于最低值，即为基态。如果要使这些粒子产生辐射作用，首先就要把处于基态的粒子跃迁到高能级去，这一过程称为激发，而激发后原子所处的状态称为激发态。使原子由低能级跃迁到高能级，这意味着它的内能（或者说状态）发生了变化，必须要给原子一定的能量，例如可通过加热、光照、碰撞等方式。当粒子吸收外来光子的能量hν正好等于E₂-E₁时，则此原子就会从其低能级向能量为E₂的状态跃迁（见图6-2）。

图6-1 氢原子的能级

图6-2 光的受激吸收

a）初始原子处于低能级E₁上 b）原子吸收了光子而激发到高能级E₂上

对于激发态的原子或粒子，其较高的内能使之处于不稳定状态，它总是试图通过辐射跃迁的方式回到较低的能级上。在完全没有外界作用，原子由高能级向低能级的跃迁，称为自发跃迁。自发跃迁时，释放能量的方式有两种：一种以热的能量放出，叫作无辐射跃迁；另一种是如果跃迁过程中发射一个光子，以光的形式辐射出来，叫作自发辐射跃迁。辐射出来的光子的频率ν，由两个能级间的能量差所决定。例如，从能级E₂向能级E₁跃迁所辐射出来的光波的频率

式中 h——普朗克常数。(www.daowen.com)

其特点是：自发辐射时每个光子的频率都满足普朗克公式hν=E₂-E₁；处于较高能级E₂上的粒子跃迁时都各自独立地发出一个光子，这些光子是互不相干的。因此，虽然它们的频率相同，但是它们的相位、方向和偏振都不同，故是混乱、随机、无法控制的。

若处于激发态的原子受外界辐射（光子）感应，使处于激发态的原子跃迁到低能态，同时发出一束光，则称为受激辐射跃迁（感应跃迁）。这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致，这就称为受激辐射跃迁。受激辐射相当于加强了外来激励光，即具有光放大作用，因此受激辐射是激光产生的主要物理基础。图6-3是自发辐射跃迁和受激辐射跃迁的示意图。

图6-3 自发辐射跃迁和受激辐射跃迁示意图

a）自发辐射跃迁 b）受激辐射跃迁

要使受激辐射超过吸收，必须使系统处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，即使处于高能级的原子数大于处在低能级的原子数，这种分布称为粒子数反转。形成粒子数反转的方法很多，一般可以用气体放电的方法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”，以维持处于高能级的粒子数比低能级多。常见的是光泵浦和电激励，光泵浦是用光照射激励工作物质，利用粒子系统的受激吸收使较低能级的粒子跃迁到较高能级上形成粒子数反转，如钇铝石榴石晶体的粒子数反转是依靠氙灯照射实现的，电激励是通过介质的辉光放电，促成电子、离子及分子间的碰撞，以及粒子间的共振交换能量，使较低能级上的粒子跃迁到较高能级形成粒子数反转，如CO₂气体等的粒子数反转。

在受激跃迁中，一个光子遇到一个受激态原子，变成两个光子，光子数增加1倍。这两个光子又可以与其他受激原子作用变成四个光子。如此下去，在谐振腔中来回反射，重复上述过程，就使光越来越强。谐振腔是在工作物质的两端面上直接蒸镀上多层介质膜作为反射镜，或在工作物质两端的前面装两块反射镜所组成。在两块反射镜中，一块对光束是全反射的，另一块是可部分透过的。光束在两块反射镜之间来回反射加强激发并多次经过工作物质而形成振荡。使沿轴向的光子与亚稳态上的激发粒子作用，发生受激辐射，使光得到进一步放大（加强），并在装有部分透过反射镜的一端输出成为激光束。

对于连续输出的激光器来说，这时就达到了稳定的激光输出。对于脉冲输出的激光器来说，当激光输出最强时，由于受激辐射使得高能级粒子数减少，低能级粒子数增多，所以接下来必然是激光的减弱，直至停止。

激光是一种崭新的光源，它具备高方向性、高亮度（光子强度）、高单色性和高相干性的特性。正是因为激光具有这些特点，故用其作为加工热源是十分理想的。激光的发散角很小，接近平行光，而且单色也好，频率单一，经透镜聚焦后可形成很小的光斑，并且可以做到使最小光斑直径与激光波长的数量级相当，再加上激光的高亮度，使聚焦后光斑上的功率密度达10⁴～10¹⁵W/cm²或更高，材料在如此高功率密度光的照射下，将光能转变成热能，会很快使其熔化或汽化。因此激光用于焊接、切割和打孔，是一种很好的高功率密度能源。