8.1 概述
激光（Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation，LASER）技术出现于20世纪60年代。1900年，普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射规律。1913年，玻尔提出了原子中的电子运动状态的量子化假设并解释了氢原子光谱规律。在此基础上，爱因斯坦提出了光量子概念，他从量子论的观点出发，提出在辐射与物质相互作用的过程中包含以下3个过程：粒子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁。1917年，爱因斯坦在《关于辐射的量子力学》中预言了原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性。40年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。
由于产生机理与普通光源的发光不同，激光具有不同于普通光的一系列性质。与普通光相比，激光最突出的特性是它具有高度的单色性、方向性、高亮度和相干性，且均可归结为一个特性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干体积内具有很高的相干光强。
1.单色性
单色性是指光强按频率（波长）的分布情况。由于激光本身是一种受激辐射，再加上谐振腔的选模和限制频率宽度的作用，因而发出的是单一频率的光。但是，激光态总是有一定的能级宽度的，加之温度、振动、抽运电源的波动等因素的影响，造成谐振腔腔长的变化和谱线频率的改变，光谱线总有一定的宽度。因此，激光单色性的好坏可以用频谱分布的宽度（线宽）来描述。频谱宽度越窄，说明光源的单色性越好。
激光的单色性远远好于普通光源，即激光的谱线宽度远小于普通光源的线宽。例如，氦氖激光器输出的红色激光谱线宽度可达10-9 nm，比普通光源中单色性最好的氪灯（谱线宽度4.7×10-4 nm）单色性还要好105倍。激光单色性好，体现了激光能量在频域上的高度集中。一般来说，单模稳频气体激光器的单色性最好；固体激光器的单色性较差，主要因为工作介质的增益曲线很宽，很难在单模下工作；半导体激光器的单色性最差。
2.方向性
激光不像普通光源那样向四面八方传播，而是几乎在一条直线上传播，即激光方向性好。激光之所以具有方向性好的特点，是由激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对激光光束的方向限制所决定。
激光束的方向性通常用光束发散角来衡量。由于激光所能达到的最小光束发散角还要受到衍射效应的限制，因而激光发散角不能小于激光通过输出孔径的衍射角θm，称为衍射极限。设光腔的输出孔径为D，激光波长为λ，则θm≈λ/D。激光束立体发散角Ωm是θm的平方，即（λ/D）2。
不同类型激光器的方向性差别很大，它与工作介质类型和均匀性、光腔类型、腔长、激励方式、激光器工作状态等都有关系。(https://www.daowen.com)
3.高亮度
光源的单色亮度Bv是表征光源定向发光能力强弱的一个重要参数，定义为单位截面、单位频带宽度和单位立体角内产生的光功率，即
式（8-1）表示ΔP光源在面积ΔS的发光表面上、ΔΩ立体角范围内和频带宽度Δv内发出的光功率。对于激光器而言，ΔP相当于输出激光功率，ΔS为激光束截面积，ΔΩ为光束立体发散角，Δv为激光的谱线宽度。由于激光具有极好的方向性和单色性，因此其单色亮度很高。
一般光源发光是在空间的各个方向以及极其宽广的光谱范围内辐射，而激光的辐射范围可以在0.06°左右，因此当辐射功率相同时，激光亮度是普通光源的上百万倍。
4.相干性
光的相干性是指在不同时刻、不同空间点上两个光波长的相关程度。相干性又可分为空间（横向）相干性和时间（纵向）相干性。空间相干性用来描述垂直于光束传播方向上各点之间的相位关系，光束的空间相干性和它的方向性是紧密联系的。时间相干性用来描述沿光束传播方向上各点的相位关系，光束的时间相干性和单色性存在紧密的联系，即即单色性越高，相干时间越长。有时还用相干长度Lc来表示相干时间，则有
式中，c为光速；Lc为在相干时间τc内传播的最大光程，其物理意义是指在小于或等于此值的空间延时范围内被延时的光波和后续的光波应当完全相干。
激光可认为是包括无线电波、毫米波在内的电磁波向光频段上的扩展，因此许多原本应用于无线电波的大量成熟技术可以以极快的速度向激光技术移植，并在许多原本使用无线电波的技术领域得到迅速的应用。由于激光本质上具有优越的特性，使得应用激光作为新探测手段的系统在性能上得到了较大的提高，或是实现了新的系统功能。