激光是受激輻射的光放大。激光是指窄幅頻率的光輻射線通過受激輻射放大和必要的反饋共振,產生準直、單色、相干的定向光束的過程。激光的基本原理是基于 1917 年愛因斯坦提出的受激輻射理論。受激輻射的概念是:當原子處于激發態 E2 時,如果恰好有能量(E2-E1)的光子射來,在入射光子的影響下,原子會發出一個同樣的光子而躍遷到低能級 E1 上去,這種輻射叫做受激輻射。
激光產生的必要條件是粒子數反轉,在增益介質中實現。激光的產生必須選擇合適的工作物質,可以是氣體、液體、固體。在這種介質中可以實現粒子數反轉,以制造獲得激光的必要條件。現有工作介質近千種,可產生的激光波長包括從真空紫外到遠紅外,非常廣泛。但從激光器輸出的激光性能來考慮,對使用的工作物質是有一定的要求的,基本要求是(1)光學性質均勻,光學透明性良好,且性能穩定;(2)有能級壽命比較長的能級;(3)有比較高的量子效率。
光學諧振腔實現強化光放大。為了強化光放大,應使受激輻射光反復多次通過工作物質,實現這一目的的裝置就是光學諧振腔。在激活物質的兩側配置兩個反射鏡,就構成了一個光學諧振腔。光學諧振腔具有三個作用:1)使激光具有極好的方向性(沿軸線);2)增強光放大作用(相當于延長了工作物質);3)使激光具有極好的單色性(選頻)。
激光具有非常純正的顏色,幾乎無發散的方向性,極高的發光強度。普通光源自始至終都是由自發輻射產生的,因而含有不同頻率(或不同波長、不同顏色)的成分,并向各個方向傳播。激光則僅在最初極短的時間內依賴于自發輻射,此后的過程完全由受激輻射決定。正是這一原因,使激光具有非常純正的顏色,幾乎無發散的方向性,極高的發光強度。而正是這些神奇的特性,使激光在各個領域具有一系列令人難以置信的應用。
激光器是“皇冠上的明珠”。從整個產業鏈上來看,位于上游的激光元器件及激光器在 2017 年占全球整個激光設備產業市場的 20%,低于激光裝備的占比 42%和加工服務的占比 38%。雖然激光器占比不是最高,但從激光設備中單個元器件的價值量、技術壁壘、工藝制造難度來說,激光器的含金量最高,是當之無愧的“皇冠上的明珠”。激光器行業參與者主要包括美國的 IPG 公司、英國的 SPI 公司,以及國內的銳科激光、創鑫激光等。