鐳射是20世紀的重大發明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”[1]。鐳射的英文名稱Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）為首字母縮略詞，意為受激輻射光放大，描述了鐳射產生的原理。下面，讓我們來看看鐳射是如何產生的。
圖1 圖片來源於網路。
鐳射的理論基礎
受激輻射的理論是鐳射產生的基礎，這個理論在1917年由愛因斯坦提出。圖2中展示了鐳射增益介質中的兩個能級S1和S2，分別對應了鐳射躍遷的下能態和上能態。他們之間的能量差E2–E1等於hν（普朗克常數與光波頻率的乘積）。當系統處於能級S1時並受到能量為hν的光子照射時，有一定的機率吸收光子並躍遷至能級S2，這個過程叫做受激吸收（Stimulated Absorption）。當系統處於能級S2時，有一定的機率躍遷至能級S1並釋放熒光光子hν，該過程被稱為自發輻射 (Spontaneous Emission)。如果該系統正處於能級S2，並且受到hν的照射，該系統有一定機率釋放出一個與入射光子頻率、相位1、傳播方向均相同的光子，這個過程被稱為受激輻射 (Stimulated Emission)：
圖2 二能級系統與光子作用的示意圖。
如果將這樣含有大量處於S2能級分子的增益介質置於兩個相向的平行反射鏡之間（見圖3），部分垂直於鏡面的熒光光子可以透過受激輻射放大，形成自激振盪，從而發出鐳射。這個諧振腔左端的光學元件稱為輸出耦合器（Output Coupler），相當於具有一定透射率的反射面，是諧振腔內鐳射的出口。
圖3 鐳射諧振腔工作示意圖。
鐳射產生的關鍵
儘管鐳射的基礎理論早已發表，直到1960年人們才製造出世界上第一臺鐳射。這是因為缺乏有效方式將能量注入到受激輻射相關的能級系統中。在一般情況下，受激輻射非常微弱，甚至難以觀測，更不要說用它來產生激光了。當物質處於熱平衡狀態時，分子在能級上的分佈遵從玻爾茲曼分佈，下能態S1上的粒子數N1遠遠大於上能態S2的粒子數N2，對hν光子的吸收遠大於受激輻射，無法在宏觀上實現光訊號的放大。
鐳射產生的關鍵就在於實現粒子數反轉，使N2>N1。目前的鐳射器工作時，需要採用適當的激勵（泵浦）方式實現特定能級的粒子數反轉。泵浦方式有用於Nd:YAG（釹釔鋁石榴石）鐳射、Ti:Saphhire（鈦寶石）鐳射以及染料鐳射等等的光泵浦，HeNe（氦氖）鐳射、準分子鐳射的放電泵浦等等。
這裡以染料鐳射為例，介紹如何實現粒子數反轉。染料鐳射的增益介質為有機染料溶液，常用的染料有藍、紫光波段的香豆素（Coumarin），紅、黃光波段的羅丹明（Rhodamine）等。如圖4所示，有機染料的鐳射躍遷主要發生在S0和S1單重態的能帶。這兩個能帶由許多轉動和振動能級組成，在溶液中由於碰撞加寬，這兩條能帶可以看作是連續的。在鐳射產生過程中，染料分子受到泵浦光的照射從S0帶的底層能級躍遷至S1帶，然後迅速透過無輻射躍遷至S1的最底層能級，也就是鐳射躍遷的上能態。在鐳射躍遷中，分子躍遷至S0能帶中的指定能級，並釋放光子，隨後迅速躍遷至S0能帶的底層能級。因為鐳射躍遷的上能態S2具有較長的壽命，而S1的壽命十分短暫，又在泵浦光的作用下，大量分子被激發至上能態S2，粒子數反轉就得以實現。在鐳射發生的同時，染料分子在S1帶發生系間竄越（Intersystem Crossing）進入T1壽命較長的三重態系統脫離鐳射躍遷迴圈，影響鐳射效率。因此染料鐳射工作時，需要迴圈利用染料溶液。圖5為工作中的染料鐳射器，可以看到迴圈系統的管路。
圖4 染料鐳射器能級示意圖。
圖5 工作中的染料鐳射器。
鐳射的波長
很多鐳射器具有很好的單色性，即輸出光的光譜頻寬狹窄。鐳射的輸出光譜是否狹窄，與以下幾個因素有關。首先，鐳射增益介質與泵浦方式的決定了哪個波段的光子可以被放大。像氣體鐳射器、準分子鐳射器、Nd:YAG鐳射器這樣能級稀疏且能量分佈狹窄的增益介質，產生的鐳射自然具有很窄的線寬。
另一方面，鐳射的單色性可以透過諧振腔調節。鐳射染料、Ti:Saphhire寶石具有能量較寬的能級，具有數十奈米的工作波長範圍，如果需要產生單色性好的鐳射，需要設定諧振腔對不同光譜成分的衰減，達到對特定光譜成分的放大。在圖6中繪製了染料鐳射器諧振腔的示意圖。染料溶液裝入透明的染料池中，置於鐳射光路中。泵浦光從垂直於諧振腔光路方向照射染料池實現泵浦。鐳射波長的調諧是透過諧振腔中的色散光路完成的。染料鐳射的諧振腔中放置了3000 g/mm的光柵，諧振腔中的光入射到光柵後根據波長沿不同角度出射。因此只有特定的波長的光（頻寬約2 pm）線是垂直於在可以在諧振腔中起振發出鐳射。透過轉動光柵可以選定鐳射波長。
圖6 染料鐳射器諧振腔示意圖。
透過輸入種子光的方式，也可以對諧振腔的輸出波長進行調節。通常，種子光的光譜頻寬小於諧振腔工作波長的頻寬。諧振腔的出光過程中，不同頻率成分的光存在競爭關係。在鐳射產生初期，種子光能量遠大於其他波長的能量，因此種子光吸收了增益介質中的大部分能量，並且抑制了非種子光成分的放大。使用單色性高的種子光可以減少諧振腔輸出鐳射的頻寬。
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