Laser（很少寫成l.a.s.e.r.）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母縮寫，由激光先驅戈登-古爾德在1957年創造的。雖然這個最初的含義表示一種操作原理（利用受激原子或離子的受激發射），但該術語現在主要用于基于激光原理產生光的設備。更具體地說，通常指的是激光振蕩器，但有時也包括帶有激光放大器的設備，稱為主振蕩器功率放大器 (MOPA)。更廣泛的解釋包括非線性設備，如光參量振蕩器和拉曼激光器，它們也產生類似激光的光束，通常用激光泵浦，但嚴格來說它們本身不是激光器。

激光技術是更廣泛的光子學領域的核心，主要是因為激光具有一些非常特殊的屬性：

• 激光通常作為定向良好的激光束發射，由于其高度的空間相干性，可以長距離傳播而沒有太大的發散（通常僅受衍射限制），并且可以聚焦到非常小的光點，從而實現高強度。
• 它通常具有非常窄的光學帶寬（高時間相干性），而例如大多數燈發射的光具有非常寬的光譜。然而，也有寬帶激光器，尤其是超快激光器（脈沖寬度在皮秒及更短量級的激光器）。
• 激光可以連續發射，或者以短或超短脈沖的形式發射，脈沖持續時間從微秒到幾飛秒。脈沖能量在時間上的集中，光束的高度聚焦，可以產生更高的強度能量。

這些特性使激光在一系列應用中非常意義，在很大程度上是激光輻射高度時間和空間相干性的結果。

在激光技術中，廣泛使用了激光晶體、激光反射鏡、偏光片、法拉第隔離器和可調諧濾光片等光學元件；請參閱有關激光光學的文章。

激光的工作原理

基本原理

激光振蕩器通常包括一個光學諧振腔（激光諧振腔、激光腔），光可以在其中循環（例如在兩個反射鏡之間），以及在該諧振腔內的增益介質（例如激光晶體），用于光放大。

如果沒有增益介質，循環光會在每個諧振器往返過程中變得越來越弱，因為它有許多損耗，例如光線在鏡子上的反射。然而，如果增益足夠高，增益介質可以放大循環光，從而補償損失。增益介質需要一些外部能量供應--它需要被 "泵浦"，例如 通過注入光（光泵浦）或電流（電泵浦→半導體激光器）， 激光放大的原理是受激發射。

一個簡單的光學泵浦固體激光器的裝置，激光諧振器由一個高反射的曲面鏡和一個部分透射的平面鏡組成，即輸出耦合器，它提取一些循環的激光作為有用的輸出。增益介質是激光晶體或激光棒，它被側面泵浦，例如用激光二極管或閃光燈的光。

如果增益小于諧振器的損耗，激光器就不能工作；這時設備低于所謂的激光閾值，只能發出一些微弱的冷光。只有當泵浦功率高于激光閾值時，才會有明顯的功率輸出，此時增益可以達到（或暫時超過）諧振器損耗的水平。

如果增益大于損耗，則激光諧振腔中的光功率上升非常快，例如開始 來自熒光的低水平光。 請注意，諧振腔往返時間通常非常小（例如幾納秒，對于緊湊型激光器甚至更少），因此即使是很小的凈往返增益，也意味著腔內的功率快速的以指數級增長。

由于高激光功率通過從增益介質中提取能量而使增益飽和，因此激光功率將在穩態下達到一個水平，使得飽和增益剛好等于諧振器的損耗（增益鉗位）。在達到這種穩定狀態之前，激光通常會經歷弛豫振蕩（只是激光動力學的一個方面）。閾值泵浦功率是小信號增益剛好足以產生激光時的泵浦功率。

在諧振器中循環的一部分光功率通常由部分透明的反射鏡傳輸，即所謂的輸出耦合器反射鏡。由此產生的光束構成了激光器的有用輸出。輸出耦合鏡的傳輸可以被優化，以達到最大的輸出功率（另見：斜率效率）。在大多數情況下，只有一個輸出耦合器。

激光輻射的空間相干性

可以實現激光輻射的高度空間相干性，主要是因為光的發射是由腔內輻射（即激光諧振器中循環的光）本身觸發（激勵）的，而不是以不協調的方式自發發生的。如上所述，空間相干性是形成具有低發散度的定向激光束以及將光聚焦到非常小的光斑的可行性的物理基礎。

時間相干性

時間相干性是一個不同的問題，它的起源完全不同。一些激光增益介質只能在一個狹窄的光譜范圍內發射光。然而，即使不是這種情況，激光器往往（特別是在連續波操作中）只在一個精確定義的波長或頻率上發光，因為條件是，只有該波長的凈往返增益可能為零，而其他波長的凈往返增益為負。例如通過使用可調腔體帶通濾波器（Lyot 濾波器），將激光器調諧到精確的所需波長（在增益介質的發射區域內）。

在極端情況下，激光器的線寬可以限制為低于 1 Hz 的值（使用某些激光器穩定方法）。 這比平均頻率（數百太赫茲）低許多數量級。 光學鐘涉及這種高度穩定的激光器。

即使是超短脈沖也可以表現出非常高的時間相干性，在這種情況下，涉及到規則脈沖序列中后續脈沖之間的相干性。這與作為光譜的頻率梳的形成有關。雖然光譜總體上可能非常寬，但每條梳狀線可能非常窄，并且在頻率上有明確的定義。

光脈沖的產生

一些激光器以連續方式運行，而另一些激光器則產生特別強烈的脈沖。有多種（非常不同的）激光器產生脈沖的方法，允許產生持續時間為微秒、納秒、皮秒甚至幾飛秒的脈沖（來自鎖模激光器的超短脈沖），通常，激光介質可以在一些“泵浦”時間內積累一定量的能量，以便在更短的時間內釋放它。

當只有單個諧振模式可以振蕩時，連續操作激光器的光學帶寬（或線寬）可能非常小（單頻激光器）。在其他情況下，特別是對于鎖模激光器，帶寬可能非常大--在極端情況下，它可以跨越完整的倍頻程。激光輻射的中心頻率通常在最大增益的頻率附近，但如果諧振器的損耗與頻率有關，那么激光波長就可以在有足夠增益的范圍內進行調整。一些寬帶增益介質，例如 Ti:sapphire 和 Cr:ZnSe，允許在數百納米范圍內進行波長調諧。

激光類型

激光技術是一個相當多樣化的領域，利用了各種不同類型的激光增益介質、光學元件和技術。常見類型的激光器有：

• 半導體激光器（主要是激光二極管），電（或有時是光）泵浦，有效地產生非常高的輸出功率（但通常光束質量較差），或具有良好空間特性的低功率（例如用于 CD 和 DVD 播放器），或 脈沖（例如用于電信應用）具有非常高的脈沖重復率。特殊類型包括量子級聯激光器（用于中紅外光）和表面發射半導體激光器（VCSELs、VECSELs和PCSELs）。其中一些也適用于產生高功率的脈沖。
• 基于離子摻雜晶體或玻璃的固體激光器（摻雜絕緣體激光器），用放電燈或激光二極管泵浦，產生高輸出功率，或具有非常高的光束質量、光譜純度和/或穩定性（例如用于測量目的）的較低功率，或具有皮秒或飛秒持續時間的超短脈沖。常見的增益介質有Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:玻璃、Yb:YAG、Yb:玻璃、Ti:藍寶石、Cr:YAG和Cr:LiSAF。一種特殊類型的離子摻雜玻璃激光器是：
• 光纖激光器，以光學玻璃纖維為基礎，在纖維芯中摻入一些具有激光活性的離子。光纖激光器可以實現極高的輸出功率（高達千瓦），具有很高的光束質量，具有較廣的波長可調操作，窄線寬操作等。
• 氣體激光器（如氦氖激光器、二氧化碳激光器、氬離子激光器和準分子激光器），基于氣體，通常用放電激發。經常使用的氣體包括 CO2、氬氣、氪氣和諸如氦氖之類的氣體混合物。 常見的準分子是 ArF、KrF、XeF 和 F2。 就激光過程中涉及的氣體分子而言，此類激光器也稱為分子激光器。

不太常見的是化學和核泵浦激光器、自由電子激光器和X 射線激光器。

廣泛意義上的激光源

有一些光源不是嚴格意義上的激光，但通常被稱為激光源：

• 在某些情況下，該術語用于在沒有輸入的情況下放大發射光的設備（不包括種子放大器）。 一個例子是 X 射線激光器，它通常是超輻射源，基于自發發射，然后是單程放大。 然后沒有激光諧振器。
• 類似的情況也發生在光學參數發生器上，不過，這里的放大不是基于激勵發射，而是基于光學非線性的參數放大。
• 拉曼激光器利用基于受激拉曼散射的放大。

來自此類設備的光可以具有類似激光的特性，例如強定向發射、高空間和時間相干性以及窄光學帶寬。

在其他情況下，術語激光源的合理性是因為該源包含激光器以及其他組件。 對于激光器和放大器的組合（主振蕩器功率放大器），以及基于激光輻射非線性頻率轉換的源，例如 與倍頻器或光學參量振蕩器。

激光應用

各種不同的激光設備有非常廣泛的應用。它們主要基于激光的各種特殊特性，其中許多特性是任何其他類型的光源都無法實現的。特別重要的應用領域是激光材料加工、光學數據傳輸和存儲以及光學計量。

盡管如此，到目前為止，許多潛在的激光應用還無法實際實現，因為激光器的制造成本相對較高——或者更準確地說，因為它們目前主要是用相對昂貴的方法制造的。大多數激光器的制造體積相對較小，自動化程度有限。另一方面是激光在各個方面都相對敏感，例如在光學元件的精確對準、機械振動和灰塵顆粒方面。因此，正在進行研究和開發以尋找更具成本效益和穩健的解決方案。

對于商業成功，不僅要開發高性能、低成本的激光器，而且要確定最適合的應用，或開發最適合特定應用的激光器，這通常是至關重要的。此外，了解應用程序細節也非常重要。例如，在激光材料加工中，了解激光波長、光束質量、脈沖能量、脈沖持續時間等方面的確切要求對于獲得最佳加工結果至關重要。