激光工作原理
物质由原子组成，原子的中心是原子核，外围布满带负电的电子，绕着原子核运动。这些电子会处于一些固定的“能阶”，不同的能阶对应于不同的电子能量。我们简化以一个碳原子为例来说明激光的基本原理，如图4-2所示，把这些能阶简化成一些绕着原子核的轨道，电子离原子核最近，能量最小，故最稳定；电子离原子核较远，能量较大，故不稳定。能级越高，能量越大越不稳定。光和物质的相互作用可有三个基本状态：受激吸收、自发辐射和受激辐射（图4-3）。
图4-2 碳原子示意图
图4-3 原子内电子的跃迁过程
A.自发吸收：电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；B.自发辐射：电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶；C.受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子
（一）受激吸收
受激吸收就是处于基态的原子吸收外界辐射而跃迁到激发态。电子可以通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶。
（二）自发辐射
自发辐射是指激发态的原子自发地辐射出光子并恢复成基态。自发辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光中，光子与光子之间，毫无关联，即波长不一样、相位不一样，偏振方向不一样、传播方向不一样，相干性差，方向散乱。太阳光、烛光，手电筒、白炽灯、荧光灯等发出的光，都属于自发辐射形式。
（三）受激辐射(https://www.daowen.com)
爱因斯坦研究热辐射时就理论推导出，在辐射过程中，除自发辐射外，同时还存在另一种辐射，即受激辐射。
受激辐射是指处于激发态的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，恢复成基态，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。由受激辐射产生的光子与入射光子是关联的，它们的波长一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。
受激辐射的特点是它必须要有外来光子刺激（或感应）才会发生。受激辐射光子与外来光子的频率、位相、传播方向和振动态都完全相同，无法区分外来光子与受激辐射光子，即一个光子变成了两个光子。然后，这两个完全相同的光子又去诱发其他处于高能级的粒子产生受激辐射，理论上就可以激发出四个完全相同的光子，循环往复下去，所产生的光不仅是相干光，高度一致性，而且会使光的强度不断增大，这正是产生激光的基本过程，即受激辐射光放大。
实际上，激光的原理就是以可控的方式让这些电子跃迁以相同的相位释放光子。当我们需要创造条件产生和释放出激光时，至少应具备激光器的三大基础构件：激光激活介质、泵浦系统和光学谐振腔。
1.激光激活媒质 激光激活媒质是产生激光的物质基础（又称激光工作物质），它决定了输出激光的波长以及仪器的结构和性能。并不是任何物质都能作为激光工作物质，也不是任何能实现粒子数反转（population inversion）的物质都能用来制造实用的激光器，只有那些具有亚稳态能级结构的物质才有可能实现。人们总是尽量选用那些在室温下更容易实现粒子数反转的物质，而且它们对激励源应有很强的吸收性。
激光激活媒质可分为固体、气体、液体和半导体四大类。固体如红宝石、钇铝石榴石等；气体如CO2、He-Ne、Ar+等；液体如有机染料等。它们是组成激光器的主要核心部件。
2.泵浦系统 要想获得受激辐射光放大，则应设法使处于高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这种分布称为粒子数反转。若要使原子体系处于非平衡状态实现粒子数反转，就必须具备能量输入系统，使激光介质不断从外界提供能量，让尽可能多的粒子吸收能量后，从低能级不断跃迁到高能级，这一能量供应过程称“激励”或“泵浦”，这套供应能量的系统称为泵浦系统。此系统若用光作为激励源，则称为“光泵”；用电能则称“电泵”；此外还有“化学泵”“核泵”等。
3.光学谐振腔 在电子学中，经常采用正反馈放大技术来获得振荡信号。像电子技术中的振荡器一样，要实现激光振荡，除了有放大元件外，必须有正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的激活媒介就是放大元件，而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。光学谐振腔不仅是产生激光的重要结构，而且它直接影响激光的输出特性，如输出功率、频率特性、光强分布（模式）和光束发散角。
光学谐振腔通常由两个反射镜构成，这两块反射镜分置于激活媒介两端，精确平行并且垂直于激活媒介中心轴线。其中一块为全反射镜（反射率达98%以上），另一块为反射率达90%以上的部分反射镜。光子（流）在谐振腔内来回运动时，即会产生受激辐射光放大。
有一些激发态的原子发射出光子后是射向任意方向的，凡是发射出不沿谐振腔轴线方向行进的光子，很快就通过谐振腔侧面逸出腔外，而沿着轴线方向的光子可以在腔内继续前进，并在两个反射镜之间不断往返，在折返过程中就会不断激励处于激发态的原子发射出光子来，而新产生的光子又继续参与到激励其他原子激发进程中去，因此通过这种受激发射作用，沿着轴线方向的光子数目就会不断地雪崩式增加，谐振腔内的光积累到非常强时，从部分反射镜射出的光，就是激光（图4-4～图4-6）。
图4-4 被激发的原子开始发射光子
图4-5 轴线方向的光子在腔内振荡反射放大
图4-6 激光从振荡腔的部分反射镜射出
从而形成激光的高度波长一致性（即单色性）、高度相干性、高度方向一致性和高亮度等卓越特性，使有限的激光能量能在空间和时间上高度集中起来。