激光诞生不久之后，就被人们称为“解决问题的工具”。科学家们一开始就已经意识到激光这种“奇特东西”的特殊作用，认为它会像电力一样成为这个时代最重要的技术因素。目前，经过20多年的初步应用，激光已经对人们的生活方式产生了重大影响，如激光通信、激光唱盘等。激光通信可使地球上的每一个人在任何一个角落准确而迅速地进行信息交流，而激光唱盘可使我们有一种亲耳聆听世界名曲现场演奏的感觉。一句话，激光正在改变着人们的生活，实现着几年前人们还难以置信的技术奇迹，且其应用领域范围广泛，如工业生产、电讯通信、医学、战争机器等领域。
现在，无论是科学还是技术，人们都正在运用着激光来解决一个又一个的难题。
第一节激光的神秘面纱
1．“新面孔”能源-激光
雷射，英语名Laser，全称Light Amplificationby Stimulated Emissionof Radiation，中文名为“激光”。
意思是指通过受激辐射放大和必要的反馈，产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器。事实上，共振腔、增益介质、激发来源是产生激光的三个基本的要素。
2．成长岁月-激光的发展历程
在20世纪30年代，爱因斯坦描述了原子的受激辐射。从此之后，人们在很长的一段时间里都在猜测，“这一现象可否被用来加强光场？”
1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象，即一种稀土晶体在氖光灯泡发射的光照照射下，这种晶体的分子会发出鲜艳的且始终会聚在一起的强光。
根据这一现象，他们提出了着名的“雷射原理”。“原理”指出，当物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，将会产生这样一种不发散的强光-雷射。为此，他们公布了最新的研究成果，并发表了许多重要论文。在这以后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但均未获得成功。直至1960年5月16日，人类有史以来获得的第一束雷射被美国科学家梅曼发现，他宣布获得了波长为0.6943微米的雷射。
于是，梅曼也就理所当然地成为世界上第一个将雷射引入实用领域的科学家。
1960年7月7日，梅曼发明了世界上第一台激光器，其方案是利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，它在受到刺激时，就会发出一种红色的光。在准备好的“表面镀有反光镜的红宝石”的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔逸出，这样，一条相当集中的纤细红色光柱便可以产生。
当这束红光在射向某一点时，这一点可以达到一种比太阳表面还要高的温度。
同年，前苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了半导体激光器，其特点是尺寸小、效率高、响应速度快，且波长和尺寸与光纤尺寸适配，因而可直接调制。
19世纪80年代后期，半导体技术得到迅速发展，更高效且耐用的半导体雷射二极管的研制成为可能，并可应用于小功率的CD、DVD光驱和光纤数据线中。
90年代后期，高功率的雷射激发原理得到实现，这方面极好的例子就是纤维雷射和片状雷射。到了21世纪，雷射的非线性得到了很好地利用，一方面，蓝光和紫外线雷射二极管已经开始进入市场，另一方面，它被用来制造X射线脉冲（用来跟踪原子内部的过程）。
目前，雷射（即激光）已经成为工业、科学、通信及电子娱乐中的重要设备。
3．受激辐射-激光的理论依据
电子的运动状态通常可以分为不同的能级，当它从高能级向低能级跃迁时，就会释放出相应能量的电磁波，即光子。在一般的发光体中，电子所释放出的光子的特性是不相同的。其所释放光子的动作是随机的，如钨丝灯发出的光。
如果当外加的能量以电场、光子、化学等形式注入到一个能级系统并且被它所吸收的话，则会导致电子从低能级向高能级跃迁（这就是人们常说的“激光吸收”）。然后，当自发辐射产生的光子碰到那些因外加能量而跃迁的高能级电子时，则这些高能级的电子会因受到诱导而迁跃到低能级，并且释放出光子（这就是人们说的“受激辐射”）。这时，受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射是一样的，包括其频率、相位、前进方向等。同时，若这些受激辐射的光子再次碰到因其他外加能量而跃上高能级的电子时，则又会再次产生更多同样的光子。直至最后，光的强度越来越大（即光线被放大了）。这时的光，与一般的光不同的是，所有的光子都有相同的频率、相位、前进方向。
人们若想做到把光放大，就需要产生一个高能级电子数目比低能量级电子数目多的环境（即粒子数反转），只有这样，才有机会让高能级电子碰上光子用以释放新的光子，而不是随机释放。
4．不可或缺-激光的构成
激光器由激励系统、激光物质和光学谐振腔三部分组成。
激励系统是指一种能产生光能、电能或化学能的装置。目前，我们使用的激励手段主要有光照、通电或化学反应等。激光物质是指那种能产生激光的物质，如红宝石、氖气、半导体、有机染料等。
一般来讲，光学谐振腔的作用是用以加强输出激光亮度的，同时调节和选定激光的波长和方向等。
5．独特力量-激光的特点
因为激光的单色性好，同时又可在一个狭小的方向内有集中的高能量，人们可利用聚焦后的激光束对各种材料进行打孔，这是非常令人惊奇的。再者，如红宝石激光器中，其输出脉冲的总能量虽然煮不熟一个鸡蛋，但是却能在3毫米的钢板上钻出一个孔。那么，为什么它会有这样神奇的功能呢？关键不是光的能量，而是在于它的功率。由于它的高功率，使它在多方面应用有了可能。具体来说，激光有以下一些特点：
（1）定向发光
激光器发射的激光，天生只朝一个方向射出，其光束的发散度极小，几乎接近平行。而普通光源是向四面八方发光的，必需给光源装上一定的聚光装置，才能让发射的光只朝一个方向传播。如汽车的车前灯和探照灯，都是有聚光作用的反光镜，它可使辐射的光线汇集起来向一个方向射出。
1962年，人类第一次使用激光照射月球。
（2）亮度极高
激光亮度极高，它可照亮远距离的物体。如红宝石激光器发射的光束，可在月球上产生约为0.02勒克斯的光照度，颜色鲜红，其激光光斑明显可见。而在激光发明之前，人工光源中，氙灯的亮度最高，近乎和太阳的亮度不相上下。但是，红宝石激光器的激光亮度是氙灯的几百亿倍。假若使用功率最强的探照灯照射月球的话，产生的照度便只有约一万亿分之一勒克斯，这时，人的眼睛是根本无法察觉的。为何激光的亮度会如此高呢？主要原因是大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，也就是它具有定向发光的特点，因而能量自然极高。
（3）颜色极纯
激光器输出的光，颜色极纯，它的单色性远远超过任何一种单色光源。光的颜色是由光的波长或频率决定的，一定的波长对应一定的颜色。且光辐射的波长分布区间越窄，则单色性越好。激光器输出的光，波长分布区间非常窄，因此它的颜色极纯。如以输出红光的氦氖激光器为例，它的波长范围可窄到2×10-9纳米（是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二）。
（4）能量密度极大
激光的能量并不算很大，但是它的能量密度却很大，作用范围很小，一般只有一个点，因此能在短时间里聚集起大量的能量。我们可以从它用做武器的角度来理解它的能量密度。一般来说，人们根据波长的长度，把电磁波谱大致分为：无线电波、微波、红外线、紫外线、可见光、伦琴射线（X射线）、γ射线几种。
6．动力之源-激光产生的条件
激光的英文是“放大受激辐射的光”的意思，可见，受激辐射是产生激光的首要条件，同时，也是必要条件。
工作物质具有亚稳态能级，这就是产生激光必须具备的第二个条件。受激辐射中，如果让受激光子一个一个地发射出来，是不能形成强大的能量的。一般来说，电子被激发到高能级后，在其上面停留的时间是短暂的。但是有些物质的电子处于第二能级（E2）的时间较长，仅次于基态能级（E1），这个能级就是我们常说的亚稳能级。所以，要形成激光的话，工作物质必须具有亚稳态能级。
产生激光的第三个条件是选择适当的物质，以使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多（即形成粒子数反转），这样的话，可使受激发射多于吸收。
激光产生的第四个条件是方向集中，频率单纯，而且必须有一个振荡腔。这是因为激光器中初期产生的光子是自发辐射产生的，而且它的频率和方向是杂乱无章的。
由于晶体和谐振腔都会使光子产生损耗，必须使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多很多，这样才可使其产生放大作用。这是产生激光必须具备的第五个条件。
7．各显神通-激光的应用
激光作为一种新型能源，在生活中某些领域所发挥的作用是“神通广大”的，其他任何能源都无法替代，因而其具有不可替代性。
现在，我们主要来了解以下它的几个方面的作用。
（1）激光武器
激光是20世纪60年代的新型光源，由于其方向性好、亮度高、单色性好、相干性好的特点而得到广泛应用，如激光测距、激光手术、地震监测等。同时，它在军事领域的应用也得到最为充分的发挥，如激光防空武器、激光反卫星武器、激光窃听器、激光等离子武器等。
激光武器有很多优点：
①使用激光武器进行射击时，无需进行弹道计算。
②无后坐力。因为光束基本没有质量，所以，在使用时，不存在用普通武器射击时出现的巨大后坐力和噪声。
③提高射击的命中率，有效地打击敌人。
④使用激光武器便于隐蔽自己，减少伤亡。
⑤它是一种无放射性污染，效费比高的能源武器。
⑥激光武器操作简便，机动灵活，使用范围广。
（2）信息传播中的激光技术
激光的应用范围广泛，如激光照排技术、激光唱片机、激光影碟机的发明，已经大大地改变了周围的世界，让人们的生活变得越来越多姿多彩。
①激光照排技术
现代社会中，信息的作用变得越来越重要，这是因为谁掌握信息速度越快、内容越丰富，谁就在社会的生活和竞争中，掌握了主动权，也就是说拥有了更多成功的机会。所以，在信息的传播中，加快印刷速度，缩短出版周期也就有了相当重要的意义。20世纪激光的出现，引发了印刷工业中的一场革命。其中一项重大的革命就是现在已经得到广泛应用的激光照排技术。在排版效率上，它至少是古老的铅字排版速度的5倍。目前我国已广泛应用的汉字排版技术，采用的就是激光照排术。
②激光唱片机
激光唱片机简称激光唱机、CD机，同时，又被称为音频光盘机，是“综合信号激光盘系统”中的一种。实际上，它包括激光唱片和唱机这两个部分。其中，激光唱片是一张表面上镀有一层极薄金属膜、以玻璃或树脂为材料的圆盘。
它通过激光束的烧蚀作用，然后将发出的声音信号以一连串凹痕的形式，刻写存储在圆盘上，这样，就形成了与胶木唱片相似的信号轨迹。之后，人们把它放到激光唱机里，用激光束来读取激光唱片上的光信号，并使之转换为电信号。然后，再将电信号通过音响播放装置转化为声音信号。
1980年，荷兰的飞利浦公司与日本的索尼公司开发了Compact Disc Digital Audio(简称为CD)的小型教学激光唱片，也称为数字音频光盘，而且还制定了它的技术标准。起初激光唱片只用来存储音乐以供人们欣赏。
1982年，激光唱片及唱机纷纷上市，具有音质好、容量大、体积小等优点，还可以连在计算机上听。
③激光影碟机
激光影碟机的工作原理与激光唱片机相同，其不同的是它所录制、读取和播放的信号包括音响、静止动态画面以及文字等多种信号。这种光盘经常应用于教学、娱乐等。在激光影碟机的发展历史中，出现过LD、CD─G、CD─V、VCD、DVD等几种形式。
LD（激光影碟）。1978年，世界上的第一张激光影碟机问世，它所拥有的出色的视听效果令人为之惊叹。它开创了音频、视频录放的数字化时代，首次实现了激光与数字技术相结合的音频-视频信号的录放。
CD─Graphic。简称为CD─G，这种唱片在其相应的碟盘上可存储70分钟的静止画面、音乐及歌词字幕，并利用专用机，使其通过电视机与音响重现立体声音乐、歌词字幕等。近期的组合音响中都已带有视频输出。
CD─V。全名CD─Video，简称为CD电视唱片。CD─V是一种录有数字音频加模拟视频信息的音像碟，其活动的画面比CD─G更为诱人。
1987年荷兰飞利普公司颁布了CD─V的标准，1988年，世界上第一台CD电视唱片问世。
VCD。全称为Video─CD，又名CD视盘。Video─CD放出的音频与CD唱片一样，但其图像比LD和CD─V都要粗糙、模糊。
但是呢，它在视听系列产品市场上，仍然有很强的竞争力，因为它制作成本小、产品体积小，价格远远低于LD等。
