一、激光发生原理
1.1 激光产生的原理
原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停地旋转，同时原子核也不停地自转。
原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，原子核整体所带的正电荷数量和电子整体所带的负电荷数量相等，所以一般原子对外呈中性。
就原子的质量而言，原子核集中了原子的绝大部分质量，全部电子所占的质量很小。在原子结构中，原子核只占有很小的空间，电子们绕着原子核旋转，电子的活动空间要大得多。
原子是有“内能”的，它由2部分组成：其一是电子有绕行速度，具有一定的动能；其二是带负电荷的电子与带正电荷的原子核之间有距离，存在着一定的位势能。所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。
全部电子绕着原子核转动；有时离原子核近些，这些电子的能量要小些；有时离原子核远些，这些电子的能量要大些；按照远近出现的概率，人们把电子层分为不同的「能阶」；某个「能阶」上，可能频繁出现多个电子绕行，每个电子也没有固定的轨道，但这些电子都具有同一个级别的能量；「能阶」之间是相互隔离的，是按照能量级别去隔离的。「能阶」的概念既把电子按照能量分了级别，也把电子的绕行空间分为多个层次。总之，一个原子可能有多个能阶，不同的能阶对应于不同的能量；有的电子处于“低能级”上绕行，有的电子处于“高能级”上绕行。
现在，中学的物理书中都已经明确地标注出某些原子的结构特点，各电子层分布电子的规律，也标注出不同能级上的电子数目。
在一个原子体系中，电子基本上是分层运动的，有些原子处于高能级，有些处于低能级；因为原子总会受到外界环境（温度、电、磁）的影响，高能级电子不稳定，会自发跃迁到低能级，其效果可能被吸收，也可能产生特别的激励作用而出现“自发辐射”。因此在原子体系中，高能级电子跃迁到低能级时会有“自发辐射”和“受激辐射”这2种表现。
自发辐射，高能态的电子不稳定，受到外界环境（温度、电、磁）的影响，自发地迁移至低能态，多余的能量用光子形式辐射出来。这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是独立进行的，有随机性，不同电子自发辐射的光子状态是不相同的，自发辐射光是“不相干”的状态，方向散乱。但是，自发辐射带有原子自身的特性，不同原子的自发辐射的光谱是不同的。说到这里，让人想起物理学中的一个基本知识，“任何物体都具有热辐射能力，物体具有不断吸收、发射电磁波的本领。热辐射出去的电磁波是具有一定的谱分布的，这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关”。因此，热辐射存在的原因就是原子的自发辐射。
受激辐射，高能级的电子在“适合条件的光子”的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是，受激辐射产生的光子与产生受激辐射的入射光子具有完全相同的状态，是“相干”的状态，它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被“放大”了。
现在再来分析，为了获取更多更频繁的受激辐射，需要什么的条件呢？
在通常情况下，高能级的电子数目总是比低能级的电子数目少，如果想原子产生受激辐射就希望增加高能级的电子数目，于是就需要“泵浦源”，其目的就是激励更多的低能级的电子向高能级跃迁，这样高能级的电子数目就会多于低能级上的电子数，就会出现“粒子数反转”，多的高能级的电子只能停留极短的时间就会跃迁到低能级，这样，受激辐射的可能性就会增大。
当然，“泵浦源”是针对不同原子而设定的，它要让电子“共振”起来，让更多的低能级的电子向高能级跃迁。
读者基本可以明白，什么是激光？激光是怎么产生的？激光是在特定的“泵浦源”的作用下，物体的原子被“激发”出来的“光辐射”，这就是激光。
1.2 激光产生的条件
1.2.1 受激辐射光放大
受激辐射过程能够实现相同状态(频率、相位、振动方向及传播方向均相同)的光子数目的几何级数递增，引起光放大。一个外来光子引发大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态完全相同的光子，这种现象称为受激辐射光放大。
但是，光与原子体系相互作用时，总同时存在自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程。光是否放大要看哪种跃迁过程占优势。为了获得激光，要使得受激辐射占优势，也就是要解决两个基本矛盾：受激辐射和受激吸收的矛盾，受激辐射和自发辐射的矛盾。
1.2.2 激活粒子的能级系统
形成稳定的激光，必须有能够形成粒子数反转的发光粒子，称之为激活粒子，它可以是分子、原子或离子；这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中，为激活粒子提供寄存场所的材料，叫做基质。基质与激活粒子统称为激光工作物质。
并非各种物质都能实现粒子数反转，在能实现粒子数反转的物质中，也并非是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。如果泵浦的粒子在激发态寿命很短，不能够在一定时间大量聚集，也是不能实现粒子数反转的。因此我们需要工作物质存在亚稳态结构，即有合适的能级系统。
能级系统首先必须要有激光上能级和激光下能级；除此之外，往往还需要有一些与产生激光有关的其他能级。通常的激光工作物质都是由包含有亚稳态的三能级结构或四能级结构的原子体系组成。
1.3 激光的特殊性质
普通光源是向四面八方发光。要让普通光朝着一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜的。
激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0。001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。
激光的亮度极高，传播极远，能够照亮远距离的物体。
红宝石激光器发射的光束在月球上能产生0。02单位的照度，颜色鲜红，光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一单位的照度，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。
大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，激光的能量密度自然会高。
光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长的光对应着一定的颜色。太阳光的波长约在0。76微米至0。4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。
日常所见的氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的颜色虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯虽然只发射红光，若仔细辨认，它包含有几十种红色的光。
物理基本知识告诉我们，光的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
物理学告诉我们，两束光相遇会产生干涉现象的条件是：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
激光器发出的光，其频率、振动方向、相位高度一致；两种激光在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间干涉现象。所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，是非相干光。
1.3.5 闪光时间可以极短
普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，可达到6飞秒（1飞秒=秒）。
不同激光器发射的激光，其功率有大小之别，其频率都介于红外线和紫外线之间。
1.4 激光器
一个激光器最基本的组成是泵浦源、谐振腔和激光工作介质。这里先简单介绍，各个部件的详细介绍将放在后面的章节中。
泵浦源：对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。可以是光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等。激励源的选择取决于工作物质的特点。因而不同工作物质往往需要不同的泵浦源。如对固体激光器一般采用脉冲氙灯、碘钨灯等光激励的办法，对气体激光器则用电激励方法，通过放电直接激励工作物质。此外激励源的选择也应考虑到激励效率等问题。
谐振腔：增加工作介质的有效长度，对光束方向性加以选择，选择激光频率等。光学谐振腔是决定激光器单色性、方向性、相干性等输出特性的最关键因素。更加具体的内容将在后面讨论。
工作介质：实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级。为了选择激光工作物质，必须对物质作能谱分析。在此基础上根据不同的需要进行选择。这是一个比较复杂的问题，需要考虑的问题很多，最重要的问题是一种物质是否有合适的跃迁能级，即在某两能级之间可以实现粒子数反转分布。
红宝石激光器：红宝石激光器是最先实现激光作用的激光器，它发出694.3nm的红色激光。其工作介质是红宝石棒，由掺铬的三氧化二铝磨制成，通过三价Cr受激辐射实现；
钇铝石榴石激光器：钇铝石榴石激光器是目前中小功率固体激光器中性能最好的一种激光器，能够发出几种波长的光。其工作物质是掺钕的石榴石棒，是四能级系统，通过三价Nd受激辐射实现。
氦氖激光器：氦氖激光器是最早制成的一种气体激光器，可以发出632.8nm、1150nm和3390nm波长的激光。它单色性好，结构简单，输出功率稳定，被广泛应用。激光谱线都是发生于氖原子的不同激发态之间，而氦原子只是起辅助作用。氖的能级结构复杂，但是也可以把它看作是四能级系统。
一、什么是激光？
激光LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，全称为“受激辐射光放大"；读起来很绕口，也不好理解，我们先来看下面这张图：
处于高能级的原子自发地向较低能级跃迁，并发射一个光子，这种过程称为自发辐射。
通俗的可以理解为:一个球在地面是它最合适的位置，当这个球被外力推到半空中（称为泵浦），在外力消失的瞬间，球从高空掉落下来，并释放一定能量。如果这个球是特定的原子，那么这个原子在跃迁的过程中就会释放一个特定波长的光子。
1960年，美国休斯研究实验室梅曼制成了第一台红宝石激光器，发出了694.3nm的红色激光，成为世界上公认的第一台激光器。
梅曼这台激光器发射的激光波长为694.3nm，是可见光范围内的波长，因此可以看到这束激光呈现红色。
在人们后续的研发过程中，人们又发明了不同波长的激光器，目前最常见的激光波长为1064nm，波长在可见光范围以外，因此人眼不可见。
第一台激光器看上去感觉很Low，但正是这台激光器的发明，奠定了后面激光广泛被使用的基础。
三、激光器的分类
人们掌握了激光产生的原理后，开始研发不同形态的激光器，如果按照激光工作物质来分类的话，可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器等…
气体激光器的工作物质是气体或金属蒸汽，特点是激光输出波长范围宽。最常见的为CO2激光器，其中CO2作为工作物质，通过放电激发产生10.6um的红外激光。
由于气体激光器工作物质为气体，激光器整体构造太大，并且气体激光器输出的波长太长，材料加工性能并不好。因此气体激光器很快就被市场淘汰了，只有在某些特定的领域，如某些塑料件的激光标记上使用。
2、固体激光器分类：红宝石、Nd:YAG等；
固体激光器的工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀的掺入少量离子，称为激活离子。
固体激光器是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。
下图中中间的黑色方块是激光晶体，外观看上去是一块浅色透明的玻璃，它的组成是在一块透明晶体中掺杂稀土金属。正是稀土金属原子结构的特殊性，在受到光源照射时形成粒子数反转（简单理解很多地面上的球被推到空中），然后当粒子跃迁发射光子，当光子数量足够多时，形成激光。
为了保证发射的激光朝一个方向输出，于是有了全反射镜（左边的镜片），和半反射输出镜（右边镜片）。当激光输出后再经一定的光学设计，形成激光能量。
下图是一张典型的YAG光纤传导激光设备，图中灰色为激光晶体棒，里面掺杂Nd离子，通过红色氙灯进行照射，形成激光，激光经耦合进光纤传输后，达到加工件表面。
由于照射激光的氙灯存在一定的损耗量，如同家里的日光灯用一段时间后会损坏，于是人们对日光灯照射的激光器进行改进。
如果将日光灯改进成半导体，通过半导体内部电子跃迁发射光子，则激光器的寿命会延长很多。
人们从两方面对YAG固体激光器进行改进，一方面将激发激光的氙灯（耗材）改进为半导体（光电二极管），一方面将激光晶体棒改进为直接在光纤中掺杂稀土离子。
这样，一个庞大的固体激光器就被整合成一个小型的激光发生器。整合后，人们将这种激光器称为光纤激光器。
说到半导体激光器，可简单理解为一个光电二极管，二极管中有PN结，当加入一定的电流后，形成半导体中电子跃迁释放光子，于是产生激光。
当半导体释放的激光能量较小时，可以将小功率半导体器件作为光纤激光器的泵浦源（激发源），于是就形成了光纤激光器。
如果将半导体激光器的功率进一步提高，提高到可以直接输出来加工材料，则成为直接半导体激光器。
工业上的激光应用主要有激光切割、激光标记、激光焊接。
激光工作原理是，将输出的激光通过聚焦镜聚焦后作用于工件表面，激光的高温将工件融化或者挥发。
除了上述几种激光器外，人们还发明了液体激光器，也称燃料激光器。液体激光器体积和工作物质相比固体更复杂，很少被使用。
四、激光测距仪的原理
除了工业上使用激光进行材料加工外，其他领域，比如航空航天、军事等领域也在不断开发激光的应用。
其中航空和军事上所使用的激光在不断增加，该领域激光应用主要为激光测距。
光速是确定的，而光的传播时间可以通过检测装置检测到，则可以计算出待测物体的距离。
示意图如下：
如果将激光测距仪直接做成手持设备，就是下面这样。其中一个窗口为激光发射装置，另外一个窗口为激光接收装置。
人们通过手持式激光测距仪进行狩猎，物体发射激光的情形如下：
对激光测距仪的精度影响较大的是激光发散因子。什么是发散因子？比如一个人拿着手电筒、另一个人拿着激光笔。激光笔的照射距离比手电筒大，因为手电筒光线更发散，衡量光线的发散程度的称为发散因子。
激光理论上为平行光，但当作用距离较远时，存在光线的发散。如果压缩光线的发散角，控制激光的发散程度是提高激光测距仪精度的方式。
五、激光测距仪的应用有哪些？
激光测距仪在航空航天上使用较多，阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。
1、激光测距仪在军事上的应用
战斗机和陆战装备上的光电搜跟系统许多都装备有激光测距仪，可准确知道敌人的距离相应做好防御准备。
其中陆战武器如陆战步枪中部分装备有激光测距仪，可知悉敌我距离。
伴随着激光测距仪在军事上的应用，人们也在不断研究激光武器侦查系统。
其中，采用红外相机可观察到激光光束，根据激光光束追踪到光源，对激光束进行定位，如图采用红外相机所观察到的激光源的情形：
在地形的勘察与测绘中的激光测距仪一般称为激光高度计，主要是搭载在飞机或卫星上测量高程数据。例如，“嫦娥一号”与“嫦娥二号”激光高度计是月球探测卫星的主要载荷之一，担任着获取月球表面三维高程数据的科学任务。
“嫦娥一号”卫星于2007 年发射，“嫦娥二号”卫星于2010 年发射，其高程数据与CCD立体相机的影像相结合，获得了月球表面的基本地貌，划分构造单元，初步编制了月球地质与构造纲要图。
“嫦娥二号”激光高度计除了高程数据外，还获得了月面反射率信息，为后续软着陆提供了参考数据。
3、激光测距在航天器自主着陆中的应用
利用无人探测器着陆到月球、火星或者小行星等目标天体表面进行实地勘探甚至采样返回是人类探索宇宙的一条重要途径，也是未来深空探测活动发展的热点之一。发射卫星或探测器在其他星球表面进行软着陆是进行空间探测的一个重要的方向。
4、激光测距在空间自主交会对接中的应用
交会过程指两个或两个以上的飞行器在空间轨道上按预定位置和时间相会，作用距离为100km～10m，由远到近需要GPS引导，微波雷达、激光雷达、光学成像敏感器的测量手段，空间对接指两个飞行器在空间轨道上相会后在机械结构上连成一个整体，作用距离为10～0m，主要利用先进视频制导敏感器(AVGS)完成。
5、激光测距在空间碎片探测领域的应用
空间碎片的探测是目前深空激光探测技术的重要应用领域之一。
开展空间活动时间较长的美、俄两国，所产生的空间碎片约占总数的90%以上。没人能够数清空间碎片的确切数目。人类目前只能对直径10 厘米以上的碎片进行跟踪监测，这类碎片目前共有一万七千余个，世界上只有美国和俄罗斯有能力对其进行全部监测，美国国家航空航天局为每个碎片都进行了编号。小于1 厘米的碎片据估计有数千万乃至数亿，航天器已经根本无法避免与其相撞，只能通过加强自身的防护能力来应对。
为了安全、持续地开发和利用空间资源，必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术，增强对空间碎片环境的分析预测能力，同时寻求控制空间碎片的有效措施。
五、激光测距仪发展方向
目前激光测距仪向着体积更小、精度更高、测量距离更远的方向发展。
总结：
被称为”最快的刀”和”最准的尺”的激光将应用在人们生活的方方面面中，它将在航空和军事上得到广泛的应用！
激光是近代最伟大的发明之一，人们形容它为“最快的刀，最准的尺，最亮的剑”，可以毫不夸张的说，激光已经渗入了我们生活的方方面面，激光唱片、激光美容、激光矫视、无损检测技术......激光无处不在。从原理上看，激光与原子的跃迁相关，这与物理就有了微妙的联系；从用途上看，激光技术又是光电技术的基础之一，原来激光与我们所学密切相关。
激光制造技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术，被誉为“未来的万能加工工具”。现在，激光制造技术正以前所未有的速度向航空航天、机械制造、石化、船舶、冶金、电子和信息等领域扩展。它主要有激光焊接、激光熔覆及激光表面合金化、激光淬火、激光表面改性、激光切割、激光快速成形、激光打孔和激光纳米制造等等，现在就让我们来认识其中几种吧。
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，即将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用使材料内部熔化实现焊接。
目前，激光-电弧复合热源焊接的研究异常活跃，并已走向工业应用。它既具有激光焊接的高速度、高效率、低热输入，又同时具有电弧焊接良好的桥联性和填充金属熔覆效率高的特性。大众汽车公司已将其应用于汽车铝合金车门和侧顶梁的焊接。
金属材料被高密度的激光辐射时会产生熔化或气化，并喷出固态微粒。激光打孔速度快，可获得很大的深径比，微细激光打孔效率高，适合于自动化连续加工。目前，工业先进化国家的航空产品生产上均配有相当数量的多坐标激光打孔机，采用最能体现激光打孔特点的群孔激光打孔方法。
飞秒激光——作为微纳制造的工具，其在超精细加工制造领域的应用已成为世界科技工作者高度关注的目标，成为研究热点和非硅微加工代表技术之一。飞秒激光表现出的超强效应使聚焦光强极易达到和超过物质的破坏阀值，从而实现物质表面以及透明材料内部的刻蚀加工。利用飞秒激光诱导制作固体表面周期性微纳米结构，为今后的高性能隐形技术、手机辐射屏蔽技术等研究提供了新的技术实施手段。
激光冲击强化技术是以提高金属材料表面硬度、耐磨性、抗蚀性和抗高温氧化性为目的的技术，有研究结果表明，激光冲击可诱使材料表面产生弹塑性形变，从而在表面产生残余压应力与高密度位错，从而有效地提高了疲劳寿命。
好啦，关于激光制造技术的介绍就告一段落了。实际上，激光制造技术涉及的范围很广，它是光子学、机械学、电子学、计算机及材料学等多学科交叉的高新技术。在光电技术中，激光技术更是其基础技术之一。21世纪激光技术与产业发展将支撑并推进光通信以及网络通信的发展，并推出各种光电子产品以及新型信息显示技术产品进入人类生活。
以上介绍的只是它的一小部分，中国高能化学激光奠基人张存浩曾说过：“我的贡献不如年轻人大。”而那更大的部分就由我们来完善探索吧！
