我们先来了解下原子是如何发光的

在原子当中，外层轨道运行的电子的能量比内层轨道的更大。而量子力学效应使电子只能出现在有空间间隔的轨道上，而不能出现在两个轨道层之间。注意，这里之所以说轨道层，是因为电子实际上并不是以环状的方式绕原子核旋转，而是随机出现在轨道层的某个位置上，我们并不能确定电子下一刻会出现在轨道层的什么地方，只能知道它出现在某个地方的概率（注意:电子在第二层以上的轨道层[能级]上的分布概率并不是均匀地，而是符合波函数）。

 
上图：氢原子唯一的那个电子在不同能级上的概率分布。

当电子从光（光子）或热（声子）吸收能量时，它接收了能量，动能增加，就不能呆在原来的电子层了。它会想出去“发泄”一下，于是就神秘地从原来的轨道层消失，然后突然出现在更高的轨道层上。但是在外层轨道上还是会“想家”的，于是那个电子“发泄”出一个光子之后，就又神秘地回到了原来的轨道层，老老实实地呆着了。因为电子这种“发泄”而产生的光辐射被称为“自发辐射”——这是导致原子光谱发射线和吸收线的原因。

但请注意，上面所说的“自发辐射”的光子的光波相位和方向都是随机的，因此，由许多同类原子构成的材料因为吸收了能量然后“自发发射”出光子会形成有一定光谱宽度限制的辐射（以某一个波长的光为中心）——也就是单色光。但这些光子并没有共同的相位关系并且辐射的方向是随机的。这是荧光和热辐射的根本机制。产生单色光的根本原因，是电子“发泄”（术语叫做“跃迁”）时，总是从特定的轨道调回到原来的轨道，所以发出的光线的波长都是基本一致的，这个波长就叫做此原子的特征波长，而这个波长对应的光波的频率叫做特征频率。

总结一下就是：原子接受能量之后会向周围辐射出特征性的单色光。

激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

激光是由“受激辐射”产生的

外部的电磁场（例如一束光）可以影响原子的量子学状态。

当原子中的电子从低能级的电子层向高能级电子层跃迁的过程中，实际上电子会进入某种过渡状态，在这种情况下，电子从一个只有负电荷的电单级粒子变成某种“电偶极子”（同时具有正负两极），并且会响应于与其特征频率一致的外部电场（例如入射的光子），于是此这个还没有开始“发泄”电子被那“闯进来”的光子“带坏了”，变得跟这光子的某些特性一致（术语叫“谐振”），然后这电子还接收了入射光子的能量，迅速跃迁到位（比原来快得多），立即开始“发泄”。但跟以往不同，电子这次“发泄出来”的光子的方向和相位都跟入射的那个光子完全相同。结果大量相同的原子在同一束光的照射下都释放出与入射光方向完全一致的光子，汇聚成了一大束平行光——激光。

由于需要持续不断地提供外来光束来激发原子发出激光，而且还需要增强最终获得的激光的强度。于是科学家们发明了“光学腔”这种设备巧妙地来产生激光。光学腔又叫“激光腔”或者“光学谐振腔”——就是置于两面对射的镜子之中的发光体（术语称为“增益介质”，因为发光管中通常装了能够发出单色光的物质，可以是气体，也可以是液体或者等离子体）。如此，被充电的“增益介质”不断地在自己产生的“激光”的照射下不断地产生新的激光，并且两面镜子将光线不断叠加增强，只要输入的电功率足够抵消激光在镜子间反射的消耗以及“增益介质”散射光的消耗，那么就可以向外输出激光了。

总结一下，在外来与特征频率一致的光线的激发下，原子可以释放出与外来光线方向和相位一致的辐射，这叫做“受激辐射”。受激辐射产生的光子在“光学腔”中不断汇聚和增益，可以最终稳定地输出激光。

上图：氦氖激光器——管中轴的粉橙色光芒是气体在通电情况下形成的等离子体产生的非相干光，跟霓虹灯管中的情形一样。这种发光的等离子体在受到外部光束激发的情况下，产生受激辐射（也就是激光），产生的激光在两个反射镜之间来回反射，不断增强，最后从中心小孔射出。可以看到最后输出的激光在右侧屏幕上产生一个微小的强光斑。

上图：不同的“增益介质”可以产生不同颜色的单色激光[头条·小宇堂—]

总结一下

上图：从左到右，受激辐射与自发辐射最大的不同就在于自发辐射的方向是随机的，而受激辐射的方向与外来的光子一致

上图：从左至右——

• 吸收

• 自发辐射

• 受激辐射

在发光区外加一对「谐振腔(Cavity)」，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，如图三所示，使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大。

光激发光(PL：Photoluminescence)
我们以「钛蓝宝石激光(Ti Sapphire laser)」为例，先在蓝宝石内掺杂钛原子得到钛蓝宝石晶体，在晶体四周放置许多高亮度的光源(发出某一种波长的光)对着晶体照射，当晶体吸收光能产生「能量激发(Pumping)」，则会发出另外一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」，由于右方的反射镜设计可以穿透5%的光，所以高能量的激光就会由右方穿透射出，如图三(a)所示。

电激发光(EL：Electroluminescence）我们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例，先在砷化镓激光二极管芯片(大约只有一粒砂子的大小)上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生「能量激发(Pumping)」，则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」，由于右方的反射镜设计可以穿透5%的光，所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出，如图三(b)所示。

图三　激光产生的原理。