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定的任意性。因此，自发辐射不能产生相干光。受激吸收会减少激光的产额，产生激光的过程中必须尽量减少受激辐射产生的概率[2]
1.2激光产生的基本原理和方法
光学谐振腔和阀值条件
如果能使受激辐射的几率远大于自发辐射的几率，就能使增益介质中受激辐射占绝对优势。只能靠加大增益介质中传播着的光能密度ρ来实现。计算表明，外来光或增益介质自发辐射产生的光通过增益介质时，会因为受激辐射二产生光的放大，光能密度ρ随穿过增益介质的路程z按指数规律增长，增益介质越长，最终ρ的值也越大。因此可以通过增长增益介质的长度来实现光能密度的增大[2]。增益介质不能做的太长。如果能使增益介质对光的受激辐射放大作用不仅仅是一次，而是多次重复进行，矛盾即可解决。
实现上述设想的实际措施是采用光学谐振腔。最简单的光学谐振腔是在增益介质两端各加一个平面反射镜。其中一块的反射率r1≈1，即全反射镜。光射到它上面时，它将把光全部反射回介质中继续放大。另一块反射镜的反射率r2<1，称为部分反射镜。光射到它上面是，一部分反射回介质继续放大，另一部分投射出去作为输出光。把这两块反射镜调到严格平行，并且垂直于增益介质的轴线，这样就组成了一个简单的谐振腔平行平面腔。
图2平行平面谐振腔
概括的说，产生激光的基本条件是：
① 在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；
② 要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转n2/g2>n1/g1 （方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。）；
③ 要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度 （方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性。）。
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1.3激光的特点
定向发光
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，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，使辐射光汇集起来向一个方向射出。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[5]。 亮度极高
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。因为激光的亮度极高，所以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产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。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勒克斯，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，能量密度自然极高
[5]
。
颜色极纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在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。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好[4]。 其他特性
首先，激光是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的。其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”。再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。
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第二章 激光的应用
2.1 常见的激光器简介
固体激光器
用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。 气体激光器
气体激光器利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成（图3）。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁[4]。
图3 典型的气体激光器
染料激光器
工作物质是有机染料，其能级由单重态(S)和三重态(T)组成。S和T又分裂成许多振动－转动能态，在溶液中这些能态还要明显加宽，因此能发出很宽的荧光。
一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂，但性能优越，可以输出稳定的单纵模激光。
染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米，是应用最多的一种可调谐激光器。 半导体激光器
半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷
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化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器[4]。
激光二极体的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。 其他激光器：准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器等
2.2激光加工技术
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。 加工原理
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。 激光表面改性技术
激光改性是材料表面局部快速处理工艺的一种新技术，它包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光冲击强化、激光表面毛化等。通过激光与材料表面的相互作用，使材料表层发生所希望的物理、化学、力学等性能的变化，改变材料表面结构，获得工业上许多良好性能。激光改性主要用于强化零件的表面，工艺简单、加热量小、散热快，可以自冷淬火。表面改性后的工件变形小，适于精加工的后续工序。由于激光束移动方便，易于控制，可以对形状复杂的零件，甚至管状零件的内壁进行处理，因此激光改性应用十分广泛[3]。
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激光去除材料技术
激光去除材料是改变材料的尺寸或形状的激光加工工艺，是一种激光尺寸加工方法。激光去除材料的机制主要有两种，一宗完全取决于激光与材料的相互作用，如材料汽化、材料蒸发；另一种在激光与材料相互作用的同时还采用一些辅助方法，如氧化、气吹。基于激光去除材料的加工方法有激光打印和激光切割两种。 激光焊接
激光焊接是一种材料连接方法，主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样，通过连接区的部分材料融化将两个零件或部件连接起来。因为激光能量高度集中，加热、冷却的过程及其迅速，一些普通焊接技术难以加工的如脆性大，硬度高或柔软性强的材料，用激光很容易实施焊接。 激光快速成型技术
激光快速成型（Laser Rapid Prototyping：LRP）是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。与传统制造方法相比具有：原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关；加工周期短、成本低，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，实现设计制造一体化。
近期发展的LPR主要有：立体光造型(SLA) 技术；选择性激光烧结(SLS) 技术；激光熔覆成形（LCF）技术；激光近形（LENS）技术；激光薄片叠层制造(LOM) 技术；激光诱发热应力成形（LF）技术及三维印刷技术等。
2.3激光在医学中的应用
激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。
应用于牙科的激光系统依据激光在牙科应用的不同作用，分为几种不同的激光系统。区别激光的重要特征之一是：光的波长，不同波长的激光对组织的作用不同，在可见光及近红外光谱范围的光线，吸光性低，穿透性强，可以穿透到牙体组织较深的部位。区别激光的重要特征之二是：激光的强度（即功率），如在诊断学中应用的二极管激光，其强度仅为几个毫瓦特。
用于治疗的激光，通常是几个瓦特中等强度的激光。激光对组织的作用，还取决于激光脉冲的发射方式，以典型的连续脉冲发射方式的激光有：氩离子激光、二极管
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