激光(LASER)，即“受激輻射光放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，是一種通過粒子數反轉實現光相干放大的技術。它以其卓越的方向性、極高的亮度和單一的波長特性，被譽為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”，徹底改變了工業制造、醫療健康、科學研究等諸多領域。

然而，隨著科技的進步，人們對激光的要求已不再局限于傳統的長脈沖激光，而是轉向更高精度、更低熱影響的超短脈沖激光技術。本文將詳細介紹激光的產生原理、激光器的基本組成與分類，并重點分析納秒、皮秒和飛秒激光。希望通過本文的介紹，讀者能夠全面了解激光技術的基本原理及其在現代科技中的重要作用。

1. 受激輻射理論的歷史背景

1905年，愛因斯坦在他的光電效應研究中首次提出光子的概念。1916年，他進一步提出了受激輻射理論，為激光的誕生奠定了科學基礎。

2. 激光產生的物理過程

結合玻爾模型和愛因斯坦受激輻射理論，我們知道，當介質材料中的電子吸收能量后，會躍遷到較高的能級，也就是“受激吸收”。但這種激發態并不穩定，電子傾向于回到低能級，并在此過程中輻射出一個光子，這一過程被稱為“自發輻射”。如果此時有另一個光子經過，它會誘導處于高能級的電子釋放出與入射光子相同頻率、相位和方向的新光子，這就是“受激輻射”。

盡管受激輻射可以產生大量光子，但這些光子的方向是隨機的，無法形成激光。為了實現光的相干放大，科學家引入了諧振腔的概念。通過在材料兩端設置反射鏡，光子可以在兩片反射鏡之間來回振蕩，不斷誘導新的光子生成，從而實現光的放大。

為了輸出激光，通常將其中一片反射鏡設計為部分反射鏡，使得部分光子能夠逸出諧振腔形成激光輸出。如果需要獲得更高能量的脈沖光，還可以在輸出端加入一塊可飽和吸收體。當腔內能量積累到超過一定閾值時，可飽和吸收體會瞬間開啟，從而輸出高能量的脈沖光波。

審核編輯 黃宇