激光，应该说是个家喻户晓的东西，但是如果真的问起来什么是激光，恐怕不会有太多人能准确地说上来。激光，英文称之为laser，这个东西的中文名称当年是很受争议的，“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”怎么叫的都有，小时候好像还没少听到镭射这个词，都以为跟居里夫人的镭有关系，现在想想其实就是laser的音译之一，幸亏最后有钱学森院士拍板，这个东西也算是有个官方的中文名称了。laser这个词来自于五个词汇的英文首字母，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直译过来叫受激辐射光放大器，虽然不像直接叫激光来的酷炫，但是对于我们这些相关专业的科研狗而言，这个全称很精炼的概括了激光产生的原理。
想要说明白激光的原理，还真不能着急，要绕一个大弯，一上来就太直接对于不太了解这方面的同学来说有点刺激。
激光的原理必须要从物质中的粒子能量说起，还必须是一些特定物质中的特定粒子，有两个或者两个以上的能量状态，有时候处在高能状态，激昂亢奋，有时候处在低能状态，像早晨两三点钟的太阳。
当粒子从高能状态松懈下来变成低能状态时，损失的能量就会以光子的形式辐射出来。
诸如白炽灯的光源发光都是通过自发辐射，通电后高能态粒子数增多，自发辐射就发生得非常频繁。
这个过程称为自发辐射，这里应该可以很容易看出来，这还不是激光，虽然同样是光，是光也不是激光，反正就不是激光。
自发辐射的光子很散漫，如果说激光的光子像天安门广场的阅兵队伍，那自发辐射的光子就像一群脱缰的野狗，毫无组织纪律性，而且它的发生不受控制，有时候不来，有时候乱来。
既然亢奋的粒子会损失能量转变得萎靡，那么反过来，本来一蹶不振的粒子会不会通过某种方法获取能量的兴奋起来呢？答案是肯定的，同辐射过程类似的，低能量的粒子会紧盯着路过的光子，见到合适的就会“劫持”下来，把光子的能量一扫而光，用来将自己上升到高能态，这一过程称为受激吸收。
1917年，爱因斯坦提出了一个想法，高能量状态的粒子可能也喜欢盯着路过的光子，当有自己心仪的光子路过的时候，高能粒子不会把它们留住，而是放出能量跟它走，像极了爱情。原来的粒子损失了能量，从高能变化为低能，而变化的能量会产生一个与路过的光子完全相同的光子，这个过程称为受激辐射。
辐射是产生激光最核心的部分，可以看到辐射前后就表现为光被放大了，并且产生的光子与原光子的频率相同步调一致，也就是所谓的具有相干性
路过的光子从一个变化为两个，即光被放大了。这时候小学语文基础扎实的同学敏锐地发现，受激辐射光放大，这个名字的关键词已经全部出现了，但是还是先冷静，此时的光仍然不能称为激光，还有两个重要问题需要解决，也就是前面铺垫介绍的自发辐射和受激吸收。
首先要克服的问题是受激吸收，如果高低能级的粒子都同时盯着路过的光子，那很难保证最后到底是被劫持的多还是放出的光子多。而且事实上，自然条件下低能级的粒子都会多于高能级的粒子，这里就需要加入第一个人为的介入，即用某种方法，让低能级的粒子都跑到高能级去，让大家都亢奋起来。此时的状态有个很cooool的名字，叫粒子数反转，或者称为激发态。产生粒子数反转的方法因物而异，取决于用于辐射产生激光的物质，这种方法可以是通电，也可以是光照，总之一定是一种输入能量的手段。
当受激辐射远大于受激吸收，就可以开始面对另一座大山，自发辐射。自发辐射是高能态粒子自然发生的，换言之只要有高能态粒子，它就有可能发生，更何况之前已经人为的将低能态粒子都上升到了高能态，自发辐射过程自然是拦都拦不住。因此解决问题的思路就在于，要想办法让辐射远大于自发辐射。
办法就是在粒子数反转状态的工作物质前后两端加上两个反射镜，其中一端是全反射镜，另一端是部分的反射镜，这一结构被称为谐振腔。当受激辐射发生时，方向合适的光子会在两个反射镜之间反复横跳，多次经过工作物质，反复产生受激辐射，不断增强光束。
部分反射镜会随时能将一部分光透射出来，而随着不断受激辐射放大，透射的光束也被不断增强。由于两面反射镜位于特定的方向，对于方向不合适的受激辐射光，也就无法产生稳定的震荡，因此我们能看到激光有明确的方向性，这也是谐振腔筛选的结果。
可以看到只要传播方向符合要求的光才能在腔内形成稳定的震荡，不断被变大，这也就是激光具有明确方向性的原因，因为传播方向不符合要求的光都被筛选出去了。
这也就是产生激光最基本的原理，我们在学习激光原理的时候，会被要求记住激光的三大要素，工作物质（增益介质），泵浦源（能量输入），谐振腔，认识并了解了这些，也就算定性的了解了激光是怎么产生的，在这种条件下，也就有能力判断生活中见到的很多光到底是不是激光。
比如太阳光是不是激光？这个肯定不是，根据上面说的，激光其实并不是自然存在的，太阳光是由核聚变发出的，再强它也不是受激辐射光放大的结果，这个应该是大家的共识，没什么可说的。小时候玩过的激光笔，这个是不是激光？这个还真有可能是激光，排除个别拿普通发光二极管糊弄的情况，很多激光笔都采用了激光二极管之类的东西，当然成本也是很低的，作为激光而言它的强度，相干性等等能力也是比较差的，毕竟用途不同。科幻电影星球大战里面的激光剑是不是激光？虽然激光切割这个已经是现在能做到的，但是让激光只传播一定距离，不一直传播这个还做不到，电影里的东西可以叫可伸缩发光二极管，顺着这个思路没准就能做个光剑出来，成本还不高。
正经不正经地说了一堆，这是小编第一次在知乎写东西，今年国际光日的时候，因为算是活动的组织者，所以被要求在公众号上写了关于科普激光的文章，活动结束了文章我就想修改下发在知乎，本人虽然是相关专业，但是并不是研究激光的，认识有限，今后有机会会分享一些其他的有意思的光学知识，当然主要是面向科普，尽量避免太深的东西。
我希望这篇文章面向的人群主要是一些非专业感兴趣的人，或者本科生要学激光原理，或者学完没学懂，甚至刚读研相关专业但是甚至对激光原理都没有入门级认识的人，可以定性的先了解一下到底激光是什么原理，再在此基础上填充血肉去深度了解激光或者进入科研工作，当然也欢迎专业的大佬来批评指正。如果反响好或者说如果有反响的话，我还会以这个标准再写一些关于光纤通信，傅里叶光学，非线性光学等等的文章。
作者：傅里叶光知道学
