激光（LASER）的英文名是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫，意為“通過受激輻射產(chǎn)生的光放大”，指電子輻射躍遷而形成的高強度相干光。
阿爾伯特·愛因斯坦根據(jù)量子躍遷概念給出馬克斯·普朗克輻射公式的另一種詮釋，并于1917年提出受激輻射理論，后發(fā)展為激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)，在其之后，許多學者進行了探索研究，最終由西奧多·梅曼在1960年宣布獲得第一束激光。
激光通過受激輻射產(chǎn)生，當原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。這些被激發(fā)出來的光子束（激光）彼此之間的光學特性高度一致，因此，相比普通光源，激光具有單色性好、方向性好、亮度高、相干性強等優(yōu)點。
激光常見應(yīng)用有工業(yè)領(lǐng)域中的激光打孔、激光切割；信息處理領(lǐng)域中的激光通信、全息攝影；軍事領(lǐng)域中的激光武器、激光雷達等。
歷史沿革
科學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在1905年發(fā)展了馬克斯·普朗克的思想，提出了光子假設(shè)，即將光束描述為一群離散的量子，1917年，愛因斯坦在 "Zur Quantentheorie der Strahlung"（"關(guān)于輻射的量子理論"）一文中，通過對普朗克的輻射定律的重新演繹，提出了自發(fā)吸收、自發(fā)輻射和受激輻射的概念，為激光奠定了理論基礎(chǔ)。1928年，德國物理學家魯?shù)婪颉だ潜ぃ≧udolf W. Ladenburg）證實了受激輻射的存在，提出了負吸收的概念。1939年，蘇聯(lián)物理學家法布里坎特（Valentin A. Fabrikant）預測了短波的受激輻射放大。
1947年，美國科學家蘭姆（Willis E. Lamb）和英國物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（R.C. Retherford）在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射現(xiàn)象，首次驗證了受激輻射。1950年，法國物理學家阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）（1966年諾貝爾物理學獎得主）提出了光學泵浦的方法，兩年后由Brossel、Kastler和Winter通過實驗證明了這一點。1950年初，電子學、微波技術(shù)的應(yīng)用迫切需要強相干光源，才促使人們開始向激光進軍。
1951年，美國科學家查爾斯·湯斯（Charles H. Townes）提出了微波激射器（Maser）的概念，這是現(xiàn)代激光器的前身。1954 年，湯斯和蘇聯(lián)學者普羅霍羅夫（Aleksandr M. Prokhorov）、巴索夫（Nicolay G. Basov）創(chuàng)造性地繼承和發(fā)展阿爾伯特·愛因斯坦的理論，提出了利用原子、分子的受激輻射來放大電磁波，制成了第一臺氨分子微波激射器，這是一種以新的放大作用為基礎(chǔ)的裝置，其功能和潛能與以前相比都有著較大區(qū)別。這種新型微波激射器摒棄了傳統(tǒng)上利用電磁場與自由電子的交互作用而實現(xiàn)電磁波的放大和振蕩的概念，開創(chuàng)了一條新的途徑，即通過原子（分子，離子）中存在的束縛電子與電磁場之間的相互作用來放大電磁波，這為以后激光器的誕生奠定了基礎(chǔ)。
1956年，尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）提出了一種新概念，即用光泵浦三能級原子體系來實現(xiàn)粒子逆向分布。1957年，戈登·布蘭克（Gordon Gould）從理論上指出可以用光激發(fā)原子。1958年，查爾斯·湯斯和美國科學家肖落（Arthur L. Schawlow）第一次對光學頻率產(chǎn)生激光作用的條件進行了描述，并在此基礎(chǔ)上，提出了采用比波長更寬的開放式光諧振腔實現(xiàn)激光器的新思想。同年，普羅霍洛夫和巴索夫從微波激射器和激光理論出發(fā)，研制了振蕩器和放大器。
1960年5月15日，加利福尼亞州休斯實驗室的科學家西奧多·梅曼宣布獲得了波長為694.3微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，1960年7月7日，《紐約時報》首先披露梅曼成功制成了世界上第一臺紅寶石激光器，梅曼的方案是利用一個高強閃光燈管來激發(fā)紅寶石。1960年，伊朗物理學家阿里·賈文（Ali Javan）和小威廉·拉爾夫·貝內(nèi)特（William R. Bennett Jr.）以及唐納德·赫里奧特（Donald R. Herriott）使用氦和制造了第一臺氣體連續(xù)激光器（632.8nm）。
在西奧多·梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生后不久，蘇聯(lián)科學家尼古拉·巴索夫（Николай Геннадиевич Басов）于1960 年發(fā)明了半導體激光器。1965 年，第一臺可產(chǎn)生大功率激光的二氧化碳激光器誕生。1967 年，第一臺X射線激光器研制成功，幾十年間，人們成功制造了輸出各種不同波長的激光器。激光及其相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，使激光在光學、核能、天文、地理、海洋、軍事等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
相關(guān)原理
激光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子的結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)密切相關(guān)。根據(jù)玻爾理論，原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)時不發(fā)出也不吸收電磁輻射，原子定態(tài)能量只能采取某些分立值E1、E2等，這些定態(tài)能量的值稱為能級。電子通過能級躍遷可以改變其軌道，離原子核較遠的軌道具有較高的能級。當電子從離原子核較遠的軌道（高能級）躍遷到離原子核較近的軌道（低能級）上時將會發(fā)射出光子。反之，吸收光子，可使電子自較低能級軌道躍遷到較高能級的軌道，這個過程稱為光的輻射與吸收。
能級躍遷過程中發(fā)出或吸收的光子能量相當于初態(tài)能級與末態(tài)能級之間的能量差。如果EM是原子在躍遷前的初態(tài)能量，EN是原子躍遷后的末態(tài)能量，c為光速，h為普朗克常量，v為光的頻率，λ為光的波長，則光子的能量是，由能量守恒定律給出：。
受激吸收
當原子在初始狀態(tài)時，沒有外部因素影響的情況下，就會維持原來的狀態(tài)。在受到外界能量的激勵后，低能級的原子會通過吸收外界的能量，由低能級躍遷到高能級。因為吸收過程是通過外界的光子激勵而觸發(fā)的，所以稱為受激吸收（Stimulated absorption）。
受激吸收的特征是受到外界光子或其它能量的激勵。這個外來能量必須滿足 hv = EN-E0（N=1,2,3....），其中E0為粒子吸收外界能量前所處的能級，EN為吸收后所處的能級。因此該過程在吸收時，只有入射光子能量與能級能量差相等時才能被吸收。
自發(fā)輻射
粒子在高能級層面上不穩(wěn)定，如果存在一個更低的能量層可以容納這些粒子，它們則會自發(fā)地進行從高能量到低能量的轉(zhuǎn)變，這被稱為躍遷。躍遷過程中會釋放出光子，光子的能量為hv，頻率為v。由于沒有外部影響，這個過程完全是自發(fā)的，因此稱為自發(fā)輻射（Spontaneous radiation）。自發(fā)輻射的特點是該進程不受外部環(huán)境影響。自發(fā)輻射過程中，每個粒子的自發(fā)躍變都是獨立的，相互之間沒有任何聯(lián)系，所以所發(fā)出的光子，不管是發(fā)射角度、初相位或者是偏振狀態(tài)，都可以不同，即物理上所說的非相干光。
受激輻射
粒子從高能級向低能級躍遷，不僅能在自然狀態(tài)下自發(fā)地進行，也可以被外界因素所誘導和刺激發(fā)生躍遷，此時粒子也會釋放光子，這個過程稱為受激輻射（Stimulated radiation）。
受激輻射的特征在于，一定要受到外部光子的激勵，并且當其能量達到 hv=E2-E1 時，在這種情況下，處于高能級E2的粒子就會受到激勵，從而躍遷到較低的能級E1。由于受激輻射出來的光子是在其感應(yīng)下發(fā)生的，所以它與引起這種輻射的原來光子性質(zhì)、狀態(tài)完全相同，即具有相同的發(fā)射方向、頻率、相位和偏振狀態(tài)，因而，受激輻射發(fā)出的光是相干的，這就是激光的發(fā)光機理。
受激輻射是在外來輻射感應(yīng)下發(fā)生的，在單位時間內(nèi)能級E2和E1之間受激輻射的原子數(shù)的影響因素不僅有較高能級E2中的原子密度N2，還有能產(chǎn)生這種輻射感應(yīng)的光子數(shù)密度有關(guān)，即頻率為v的外部輻射的能量密度u(v)，所以在dt時間內(nèi)，兩能級E2、E1間，受激輻射的原子數(shù)密度為：。
式中，B21u(v)是單位輻射能量密度的受激輻射概率，即一個原子在輻射場作用下，在單位時間內(nèi)從能級E2躍遷到E1的輻射概率；B21稱為受激輻射阿爾伯特·愛因斯坦系數(shù)。
光的受激輻射放大
激光是由光和物質(zhì)之間的交互作用而形成的，而在這種作用下，受激輻射躍遷是激光的物理基礎(chǔ)。為了利用受激輻射光的放大過程產(chǎn)生激光，必須保證受激輻射在光和物質(zhì)的交互作用中起主導作用。在光放大過程中，一個頻率ν的光子入射，激勵粒子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個特征完全相同的光子，而這兩個光子可以誘導其他的粒子被激發(fā)，獲得更多同樣的光子，這樣的處理被稱作光學放大。為了得到強烈的相干性光線，需要不斷地利用受激輻射來增強入射光。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
激光是在受激輻射過程中產(chǎn)生的。而在常溫且沒有外部激勵的情況下，大部分粒子受到激發(fā)而輻射的可能性很低，光線也會一直衰減。為了提高介質(zhì)對光線的增益效果，就需受激輻射大于受激吸收，這二者發(fā)生的幾率分別與高能級粒子數(shù)和低能級粒子數(shù)成正比。
通常在熱均衡的原子體系中，基于玻爾茲曼的理論，分布在不同能級的粒子數(shù)符合玻爾茲曼分布規(guī)律，在該條件下，高能級粒子數(shù)總是少于低能級粒子數(shù)。這就需要通過對粒子的正常分布狀況進行調(diào)整，從而打破熱量均衡條件，以達到受激輻射超出受激吸收的狀態(tài)。
為了得到光的放大，必須到非熱平衡體系中去尋找。所謂非熱平衡體系，是指熱運動并沒有達到平衡，整個體系不存在一個恒定溫度的原子體系。這種體系的原子數(shù)目按照能級的分布不服從玻耳茲曼分布定律，位于高能級上的原子數(shù)目有可能大于位于低能級上的原子數(shù)目，即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時受激輻射超出受激吸收的狀態(tài)。當處于熱均衡狀態(tài)時，大部分粒子在常溫下處于基本態(tài)。為了將普通物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成一個反向分布狀態(tài)，就需要外部的能源供應(yīng)，將一個原子從低能級激勵到更高的能級，這個過程被稱作泵浦。
激光形成的必要條件是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而要完成這個過程，則需要相應(yīng)的能級體系的激活粒子。為激活粒子提供暫存地的物料被稱作基質(zhì)，而基質(zhì)和激活粒子則被稱作工作物質(zhì)。在能夠逆轉(zhuǎn)粒子數(shù)量的物質(zhì)中，就需要一個適當?shù)?a href="/hebeideji/3663291675449546166.html">能級體系，才能使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使用二能級系統(tǒng)來做激活媒質(zhì)無法實現(xiàn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的只可能是含有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)。
光的自激振蕩
實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是形成激光的必要條件，但不是充分條件。由自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子去引起激發(fā)態(tài)的原子受激輻射，這雖然能夠?qū)崿F(xiàn)光放大，但放大的光仍是傳播方向、位相、頻率等均不相同的光。要產(chǎn)生激光，必須使某一特定傳播方向的單射光子所引起的受激輻射處于主導地位，因此需要利用光學諧振腔來實現(xiàn)光的自激振蕩。
將兩個彼此并列的鏡子置于工作物質(zhì)的兩端，形成一個光學諧振腔。偏離軸線方向上傳輸?shù)墓庾訒杆俚貜那惑w中逃出，而沿著軸心的光子則會在兩個鏡面之間往返多次，這個過程將引起受激輻射，這個過程可以反復進行，從而產(chǎn)生大量具有同樣方向、頻率和相位等特性的光子，通過局部反射鏡進行輸出，最終形成穩(wěn)定的光束。
光在諧振腔內(nèi)來回反射，雖然能引起光放大，但是在光學諧振腔內(nèi)還存在許多導致諧振腔內(nèi)光子數(shù)的減少的過程，稱為損耗。為了使光在諧振腔體內(nèi)反復的反射過程中不斷地得到加強，光波在諧振腔中的每一次放大都要比由各損失所造成的衰減要大，這樣就可以保證激光器的穩(wěn)定輸出。也就是要滿足某種特定的要求，才能產(chǎn)生激光振蕩，這就是閾值條件。
基本特點
單色性好
單色性是指光強按頻率（波長）的分布情況。光的顏色是由光的波長決定的，而光都會有一定的波長范圍，其波長范圍越窄，表現(xiàn)出來的單色性就會越好。激光單色性好，體現(xiàn)了激光能量在頻域上的高度集中。對于普通光源，由于譜線寬度比較大，頻率范圍過寬，表現(xiàn)出來的顏色就會比較雜。而激光的譜線寬度要窄得多，其中單色性能最佳的是氮燈的605.7nm譜線，其線寬為400MHz左右，而Ne原子632.8nm的自發(fā)輻射譜線寬度大約為2000MHz。
方向性好
光束的方向性用發(fā)散角描述，發(fā)散角度愈低，其方向就愈好。激光的方向性好體現(xiàn)在激光束的發(fā)散角很小，僅為毫弧度數(shù)量級。激光具有良好的方向性主要是因為激光器的激發(fā)機制以及諧振腔對光束定向的約束，光子只有平行于諧振腔的軸線才能在被諧振腔兩端反射鏡多次反射放大，形成激光輸出。
高亮度
亮度是衡量光源定向發(fā)光強度的主要指標，將它定義為單位面積光源在給定方向上，在每單位面積內(nèi)所發(fā)出的總光通量。激光在亮度上的提高主要是靠光線在發(fā)射方向上的高度集中，由于其具有極好的方向性、單色性，發(fā)散角極小，接近平行光束，能把能量在空間上和時間上高度地集中起來，因此其亮度很高。
相干性強
相干性反映了一個光源所發(fā)出的單個頻段光波的相位的恒定的關(guān)系，具體體現(xiàn)是波束在重疊過程中會發(fā)生干涉，一般分為空間相干性和時間相干性。從激光器中發(fā)射出來的光波在波長、頻率、偏振方向上都是一致的，這就使得激光具有非常強的干涉力，一般也將激光稱作強相干光。激光時間相干性強與單色性有關(guān)，單色性越好（光譜線寬度越窄）時間相干性越好，表示激光與它本身的延遲之間發(fā)生干涉的能力強。激光空間相干性強則與方向性有關(guān)，方向性越好（發(fā)散角度愈低）空間相干性越好，表示激光同它在空間移動后的光束之間發(fā)生干涉的能力強。
激光器
組成
激光器系統(tǒng)是產(chǎn)生激光束的關(guān)鍵部件之一。激光器的基本結(jié)構(gòu)包括激光工作物質(zhì)、激勵裝置（泵浦源）和光學諧振腔。其中激光工作物質(zhì)提供激光的能級結(jié)構(gòu)體系，被激勵后能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是激光產(chǎn)生的內(nèi)因；泵浦源提供形成激光的能量激勵，即能使工作物質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能源，是激光形成的外因；光學諧振腔為激光提供反饋放大機構(gòu)，能使光束在其中反復振蕩和被多次放大，使受激輻射的強度、方向性、單色性進步提高。
分類
安全防護
危險性及影響
激光具有很強的能量，是一種非常危險的光源。對人體的危害：激光可以造成眼部和皮膚的嚴重損傷。人眼中的角膜、晶狀體和視網(wǎng)膜對激光具有很高的敏感度，而激光的聚焦能力很強，一旦直接照射，則會造成眼部損傷。此外，激光也會損傷皮膚，造成灼傷或熱損傷，表現(xiàn)為紅斑、皮膚老化、紅腫和燒傷等。
對生物、環(huán)境的危害：激光通過改變化學反應(yīng)或破壞物質(zhì)來影響環(huán)境。激光束直接照射或強反射會引起可燃物的燃燒，導致火災(zāi)，激光器有著數(shù)千至數(shù)萬伏特的高壓，存在電擊的危險。激光焊時，材料受熱而蒸發(fā)、汽化，產(chǎn)生各種有毒的金屬煙塵，高功率激光加熱時形成的等離子體云產(chǎn)生臭氧。
總的來說，激光是一種強大危險的光源，并存在潛在的風險。例如醫(yī)療、工業(yè)、軍事等方面，都存在著激光的危險性，不正確使用激光設(shè)備可能會損傷人體和環(huán)境。在使用激光時，必須遵循安全規(guī)范，正確使用儀器，并確保激光束不會反射到其他人的身上。同時，需要做好保護眼睛和皮膚等身體部位的措施，加強對射線環(huán)境的監(jiān)測和監(jiān)控，以及避免人為因素的干擾和誤操作。
安全標準
激光安全標準叫做激光最大容許照射劑量或最高容許照射水平，為了確保使用激光的研究人員和工作人員的健康，應(yīng)確定激光安全標準，其數(shù)值根據(jù)激光損傷值和安全系數(shù)進行計算，最大值應(yīng)規(guī)定在允許照射眼睛和皮膚的標準內(nèi)。激光最大容許照射劑量可以作為評判標準，應(yīng)確保接觸的激光劑量不超過最大容許照射劑量，以排除潛在的危險性。激光安全標準的制定、監(jiān)督和管理的責任通常由國家或地區(qū)的激光安全標準協(xié)會承擔。
激光安全等級
美國國家標準協(xié)會Z-136委員會制定的ANSI標準是最廣泛接受的激光安全標準，包括激光的最大允許暴露水平、激光安全分類以及各類激光安全操作的定義。
根據(jù)ANSI標準，激光器分為四級：
1級激光器，激光照射低于會產(chǎn)生有害影響的水平，一級激光器也可以是一種高功率激光器，以使用者不能接近光束的方式互鎖；
2級激光器，它們是低功率的可見光激光器，沒有足夠的輸出功率來意外傷害人，但是當注視1000s 時可能會造成視網(wǎng)膜損傷；
3級激光器，中等功率激光，直接照射光束會立刻產(chǎn)生危害。這一級激光器通常又分為3a和3b兩個亞級別，3a 級激光器的激光劑量超過了直接照射的最大容許劑量，但是在絕大多數(shù)情況下造成的損傷很小。3b級直視可產(chǎn)生危害，由鏡面反射和光束內(nèi)觀察都會產(chǎn)生危害；
4級激光器，這類激光器不僅可能產(chǎn)生危險的直接或鏡面反射光束，還可能產(chǎn)生皮膚接觸危險火災(zāi)危險或產(chǎn)生危險的漫反射。
防護措施
激光防護通常是對激光源、操作人員和工作環(huán)境分別采取相應(yīng)的保護措施及執(zhí)行安全工作制度。激光器應(yīng)盡可能封閉起來，激光束除接近目標處外不應(yīng)外漏，不應(yīng)和人眼在同一水平高度。脈沖激光應(yīng)有安全閘以防止激光爆炸，對每一項應(yīng)用，都應(yīng)該使用能達到目的的最低輻射水平。激光室的墻壁不可涂黑，應(yīng)用淺色而漫射的涂料，以減少鏡式反射和提高光亮。室內(nèi)應(yīng)光亮以縮小瞳孔，家具盡量減少，表面應(yīng)粗糙，且應(yīng)設(shè)置障礙，不能走近激光器，大功率激光器工作時應(yīng)有紅燈標示。
在實際操作中，除了必要的防護措施外，還需要采取操作規(guī)程、作業(yè)手冊等方式進行人員的操作指導和安全教育。除了熟知激光器所具有的紫外、可見光和紅外三種輻射成分的突出危害外，還要制定出正確的操作方法、防護措施，以盡量避免人員接觸過激光輻射而造成損傷。對于激光設(shè)備施工、調(diào)試、維護人員應(yīng)定期參加相關(guān)學習、考試，取得合格證明方可上崗工作。
常見應(yīng)用領(lǐng)域
工業(yè)領(lǐng)域
激光打孔
激光打孔技術(shù)是通過透鏡對激光進行聚焦，使得金屬表面的焦點溫度快速升高，直到汽化為止。它不會受到加工物料的硬度和脆性的制約，是最早有實際用途的工藝，也是激光加工的主要應(yīng)用之一。
激光切割
激光切割與激光打孔的基本相同，只需移動加工物或光束，把打孔過程中產(chǎn)生的空孔連接起來，即可切斷物料，而且切口光滑無比。
激光焊接
激光焊接技術(shù)是采用高能量強度的激光進行焊接。高功率密度意味著每個單位體積內(nèi)的高能量聚集，適合精密、微型加工等。
信息處理領(lǐng)域
激光通信
激光通訊是一種新型通訊手段，利用激光的單色性和良好的方向性，能夠有效地處理光學通訊發(fā)展中所面臨的光源與傳輸問題。具有通信容量大、保密性強、可傳送距離遠等優(yōu)點,但是也受天氣等條件的限制。
全息照相
如利用光束具有較強的單色特性和一致性，利用相干光對目標進行照明，并將其折射或擴散的光線直接投射到全息板上；利用干涉圖樣將光強分布和相位進行記錄，使全息照片能真實、立體地再現(xiàn)和記錄目標，用于商業(yè)展示、舞臺表演、無損檢測等。
測繪領(lǐng)域
利用激光的高亮度和極好的方向性，使得其能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的精確測量。激光測距原理與聲波法測距的原理相似，當光速已經(jīng)確定時，通過測定從被攝對象發(fā)出的光至接收被攝對象所反射的光線之間的時間間隔，就可以得到更加準確的測量結(jié)果，并且可測范圍更大。激光準直儀起到導向作用，被用在對方向性要求很高的工作環(huán)境中。
軍事領(lǐng)域
激光武器
激光武器是一種指向性的武器，它可以通過發(fā)射定向激光來有針對性地鎖定和破壞目標，如激光瞄準器、激光炮和激光槍等。激光武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、能實現(xiàn)精確打擊、無電磁干擾等特點，但同時也容易受到氣候、環(huán)境的影響。
激光雷達
在工作機理和構(gòu)造上，激光雷達和激光測距儀都有類似之處，但是由于要測量移動物體或相對移動物體，因此測量數(shù)據(jù)處理更為繁瑣。在激光雷達的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對遠程導彈的精確跟蹤和精確激光制導技術(shù)，使轟炸目標的精度非常高。
醫(yī)學應(yīng)用
激光生命科學研究
強激光主要用于手術(shù)治療，即對組織進行切割、汽化和凝固治療。弱激光則用于照射治療和針灸治療，其目的是為了促使細胞生長和調(diào)整功能。前者是“破壞”，后者是“修復”，主要利用激光在時間、空間內(nèi)具有高度集中的能量的特點。
激光診斷
激光診斷利用激光方向性好、單色性好以及極好的相干性等特點。光子是能量的載體，也是信息的載體，激光照射組織產(chǎn)生的光攜帶組織本身的信息，通過對這些光以及由其產(chǎn)生的光學現(xiàn)象進行識別、分析和判斷，可以獲得組織或生物樣品的重要信息。
激光治療近視
近視眼屬于眼睛屈光不正，是一種眼類疾病，是指當眼球處于調(diào)節(jié)靜止狀態(tài)時，平行光線在視網(wǎng)膜前面形成圖像，其病因是眼軸的拉長和屈光力的增強。準分子激光手術(shù)對近視患者的治療具有良好的預見性和長期的穩(wěn)定性，利用激光數(shù)控刀具的方法，將角膜的前表面平整，形成凹透鏡的效果，對通過視網(wǎng)膜的光進行聚焦，可以重新得到清晰的視網(wǎng)膜物象，從而達到矯正屈光不正的目的。
醫(yī)療美容
激光美容，是一種很有吸引力的美容方式，可用于穿耳、雙眼皮整形等，也可以對臉部痤瘡、色素性病變和黑痣等進行治療，其最廣泛的應(yīng)用是消除面部皺紋。與傳統(tǒng)的美容技術(shù)相比，激光美容可以快速有效去除面部容貌的病變，同時還能維持和促進容顏健美，方法簡單，安全，效果好，易于操作。
生活領(lǐng)域
激光打印機
激光打印機是一種具有高分辨率、高速度、低噪音、能靈活地繪制圖形并進行文字處理等特點的新型信息輸出裝置，其利用激光技術(shù)與電子照相相結(jié)合的方式進行工作。當激光打印機在工作時，它會接受電腦的輸出信息，并通過控制激光光束，將其射向一個不停轉(zhuǎn)動的多面轉(zhuǎn)鏡，然后通過它的反射回到感光磁鼓上。
當激光照射到感光磁鼓某個部位時，該部分電荷會被消除，而沒有被照射到的電荷則會繼續(xù)存在，從而使輸出信號在磁鼓上形成一個潛象，然后通過顯影器將潛象轉(zhuǎn)化為色粉圖像，使炭粉吸附于紙張上，經(jīng)加熱固定后，即可輸出。
激光唱片
激光唱片是一種用來刻錄數(shù)碼資料的錄制載體。模擬信號經(jīng)過取樣、量化和編碼，形成了一個數(shù)字序列，這些數(shù)字包括0或1，在唱片的原版上，通過將激光束聚焦在記錄介質(zhì)上，通過對微小的部位進行加熱，使其在介質(zhì)的表面上形成小的凹陷，利用凹陷和平面組成的條紋記錄數(shù)碼。
在播放時，激光束掃過由凹陷和平面組成的軌跡，在交界處，激光器接收到的反射光的強度發(fā)生變化導致翻轉(zhuǎn)，激光束識別出數(shù)碼信號。
發(fā)展趨勢
激光技術(shù)的發(fā)展
激光的峰值能量在持續(xù)增加。超短激光脈沖的峰值功率越來越大，而且隨著激光峰值功率的不斷增加，將不斷開拓出新的學科。
激光的脈寬可達阿秒級。激光器將產(chǎn)生超短光脈沖，其脈寬已從飛秒向阿秒邁進，它的速度要小于光通過一個原子的速度，可以被用來檢測并控制超快速的電子動力學過程。
激光波長不斷延伸。向短波發(fā)展，拓展到深紫外、X射線等波段的激光器將將極大地促進生命科學和材料科學的發(fā)展。向長波發(fā)展，拓展到太赫茲波段，將在通信遙感、探測等領(lǐng)域掀起一場技術(shù)革命。
激光能量與能量密度將不斷提升。對激光功率、脈沖寬度、波長、能量等各個方面的技術(shù)進步將會不斷催生新學科與新應(yīng)用，這種變化將在高能量密度領(lǐng)域產(chǎn)生重大應(yīng)用。
激光器類型不斷更新。多種不同規(guī)模、不同特征和更快更高效的激光器被研制出來，大規(guī)模激光器、納米激光器、飛秒激光器、量子級聯(lián)激光器等激光器的強大功能和實用性使其得到多元化應(yīng)用。
研制不同材質(zhì)的激光器。更多新的金屬材料和無機化合物非金屬材料被用于激光器的研制，例如的應(yīng)用幫助減少激光能量損失，硅基材料使得激光器可以利用可見光工作等。
最新科研成果
2015 年，美國科學家開發(fā)了一款能夠發(fā)出白光的激光器，這個新型設(shè)備非常小巧，但卻能發(fā)射可見光所有顏色的激光，從紅到綠再到藍，甚至可以產(chǎn)生白光。與發(fā)光二極管（LED）相比，白光激光器更亮、能效更高，而且能提供更精確和生動鮮艷的顯示顏色，未來將在計算機和電視屏幕上使用。此外，該技術(shù)也有望應(yīng)用于通訊領(lǐng)域，現(xiàn)在正在研發(fā)可見光無線通信技術(shù)。然而，要將這種激光器應(yīng)用于現(xiàn)實照明或顯示屏系統(tǒng)還面臨著困難，研究人員需要解決如何在電池的驅(qū)動下獲得同樣的白色激光問題。
2017 年，研究人員在代爾夫特理工大學的Leo Kouwenhoven領(lǐng)導下研究了一種基于超導布賴恩·約瑟夫森結(jié)的片上微波激光器，具有高效率和穩(wěn)定性以及交流約瑟夫遜效應(yīng)，并且可以在非常低的溫度下工作。這種技術(shù)可用于量子計算機控制系統(tǒng)等許多應(yīng)用程序。通過使用可調(diào)諧的約瑟夫森結(jié)，這個設(shè)計還可以擴展，以實現(xiàn)更多量子元件的快速控制微波發(fā)射，這項工作標志著大規(guī)模量子計算系統(tǒng)的控制邁出了重要一步。
2017 年，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）與美國實驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的研究人員聯(lián)合創(chuàng)造出了譜線寬度僅10 mHz（1mHz為0.001Hz）的激光，創(chuàng)下激光單色性的新世界紀錄。這種極高精度的激光可以用于射電天文學、光學原子鐘、精密光譜學和相對論測試等領(lǐng)域的研究，測試還發(fā)現(xiàn)，它比任何此前已知的光頻率更精確，具有極低的熱噪聲。該種激光非常穩(wěn)定，能在每秒振蕩194萬億次的情況下維持同步至少11秒，并且可以傳播相當于地球到月球距離的將近10倍的330萬千米。研究人員表示他們還可以進一步優(yōu)化實驗裝置，將線寬縮小到低于1mHz的水平。
2022年，浙江大學光電科學與工程學院邱建榮教授團隊發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規(guī)律，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術(shù)，首次在無色透明的玻璃材料內(nèi)部實現(xiàn)了帶隙可控的三維半導體納米晶結(jié)構(gòu)。這項成果將為新一代顯示和存儲技術(shù)提供新的方向，國際頂級學術(shù)期刊《科學》于1月21日刊登了這項成果，該技術(shù)有望應(yīng)用于未來的光存儲設(shè)備中，將能夠提高容量和使用壽命。
2023年，清華大學物理系周樹云教授研究組在半導體材料黑磷中實現(xiàn)了弗洛凱瞬時能帶調(diào)控，并發(fā)現(xiàn)具有特定的光學選擇定則，為調(diào)控材料性質(zhì)、開發(fā)新型器件等方面提供了基礎(chǔ)。該研究從非平衡態(tài)超快動力學和瞬時物態(tài)調(diào)控的研究角度出發(fā)，通過周期振蕩的勢場誘導量子物態(tài)的變化，利用飛秒激光來調(diào)控材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并觀察記錄其演化過程。這一成果拓展了非平衡態(tài)物理知識的前沿，對新型高速器件的開發(fā)和應(yīng)用奠定了重要科學基礎(chǔ)。這種技術(shù)的迅速"開關(guān)"特點也有望應(yīng)用于拓撲物態(tài)、關(guān)聯(lián)物態(tài)（磁性、超導等）的瞬時調(diào)控奠定了重要基礎(chǔ)。獨特的偏振選擇效應(yīng)未來也有望應(yīng)用于光學偏振相關(guān)的光電器件應(yīng)用中。
最新應(yīng)用
激光陀螺
激光陀螺儀是一種利用激光光程差異測量目標的角位移的儀器，它具有壽命長、性能好、可靠性高、對周圍環(huán)境的影響小等特點，已經(jīng)廣泛用于慣性導航、精密測量、姿態(tài)控制、位置控制等領(lǐng)域。激光陀螺的精度大大高于機械式陀螺，是大中型飛機慣性基準系統(tǒng)的核心部件。
太空碎片清除
高能激光是一種清除空間碎片的有效方法，由于具有清因其清潔、安全等優(yōu)點，已成為一種極具發(fā)展前景的新型清潔技術(shù)，被用于主動清理空間碎片。激光清理主要有兩種直接燒蝕模式和燒蝕反噴模式。前者是以小型空間碎片為目標，以強烈的連續(xù)激光束對碎片進行加熱，以達到高溫熔化或汽化的目的，實現(xiàn)清理。后者是以較大的太空碎片為目標，利用高能脈沖激光束照射碎片表面，通過燒蝕導致的一系列物理學過程，將其送入大氣層中燃燒，從而達到清除目的。
激光鉆井
激光鉆井就是利用激光器將其它能量轉(zhuǎn)化為光子，光子經(jīng)過聚焦成為強光束，把激光束聚焦在一個要鉆入地層的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，從而產(chǎn)生高溫，使巖層物質(zhì)熔化蒸發(fā)，強大的熱沖擊也會把要內(nèi)部的巖層打得粉碎。同時，因為在環(huán)狀區(qū)域里熔融物質(zhì)的汽化會形成足夠的巨大的壓強，這使得破碎的物料上升到地表。
激光通信
激光通信是一種利用光學技術(shù)進行無線通信的方法，它通過發(fā)送光束來傳輸信息，具有高速、低延遲和高安全性等優(yōu)點，激光通信領(lǐng)域已取得了許多重要進展，例如實現(xiàn)空間激光通信。空間激光通信具有無頻譜資源限制、帶寬大、傳輸速率高、保密性好、抗干擾能力強、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點。因此，空間激光通信非常適合復雜電磁環(huán)境、無線電靜默等條件下的高保密高速數(shù)據(jù)傳輸。
憑借其帶寬優(yōu)勢，在未來，空間激光通信可能成為主要的空間高速通信方式。美國、歐洲、日本等多個國家已經(jīng)對空間激光通信系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，并成功地開發(fā)出多套衛(wèi)星激光通信終端。空間激光通信正在向高速化、深空化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和一體化等五大發(fā)展趨勢進發(fā)。
參考資料 >
白光激光器問世.中國科學院.2023-04-15
德美研發(fā)出世界上最小線寬的激光器.中科院海西研究院.2023-04-15
一把飛秒激光“刀”，刻出新世界!浙大成果登上《Science》.國家自然科學基金委員會.2023-04-15