雷射的基本原理
雷射（LASER）是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的縮寫，意思是「藉由受激輻射放大的光」。要理解它，需要三個概念：受激輻射、居量反轉，以及共振腔。
光與物質的三種交互作用
一個處於兩個能階之間的原子或分子，與光交互作用時有三種基本過程：
- 吸收：原子吸收一個光子，從低能階躍遷到高能階。
- 自發輻射：處於高能階的原子自行放出光子並回到低能階，光子的方向與相位是隨機的，普通燈泡與 LED 發光屬於這一類。
- 受激輻射：處於高能階的原子被一個入射光子誘發，放出另一個光子。新光子與入射光子的頻率、相位、傳播方向與偏振都相同。
愛因斯坦在 1917 年的論文中，以 A、B 係數描述這三個過程之間的關係，並預言了受激輻射。雷射的「放大」，就是受激輻射不斷複製光子的結果。
居量反轉
在熱平衡下，低能階的粒子數永遠多於高能階，光通過介質時吸收多於受激輻射，光只會變弱。要讓光被放大，必須讓高能階的粒子數多於低能階，這稱為居量反轉（population inversion）。
居量反轉需要外界持續供給能量，稱為泵浦：可以是閃光燈、電流放電、半導體雷射的光，或是直接注入電流。只有兩個能階的系統，靠光泵浦最多只能讓兩個能階的粒子數趨於相等，無法反轉，所以實用的雷射多半使用三能階或四能階系統，讓粒子先被泵浦到較高的能階，再快速弛豫到雷射上能階。四能階系統的雷射下能階很快清空，最容易建立反轉。
共振腔與閾值
只有增益介質，光只會在單次通過時被放大一點。實際的雷射把增益介質放在由兩面鏡子組成的共振腔內，讓光來回穿過介質多次，其中一面鏡子做成部分穿透，讓一部分光輸出。
當增益大於腔內的總損耗（鏡面透射、散射、吸收等）時，光強度會快速增長，這個臨界條件稱為雷射閾值。超過閾值後，輸出功率隨泵浦功率大致線性上升。共振腔也決定了輸出光的縱模與橫模結構。
雷射光的特性
- 窄頻譜（單色性）：頻寬遠小於一般光源，某些單頻雷射的線寬可以窄到千赫茲以下。
- 方向性：光束發散角小，可以傳播很遠，或聚焦到接近繞射極限的小光點。
- 同調性：光的相位在時間與空間上有固定關係，是干涉、全像與光學通訊的基礎。
- 高亮度：單位面積、單位立體角的功率高，這是雷射能用於加工的主要原因，不只是總功率大。
這些特性並不是每一台雷射都同時具備。例如寬頻的超短脈衝雷射，頻譜寬度本來就大；高功率多模雷射的光束品質也不如單模雷射。
延伸閱讀
- A. Einstein, “Zur Quantentheorie der Strahlung”, Physikalische Zeitschrift 18, 121 (1917).
- A. L. Schawlow, C. H. Townes, “Infrared and Optical Masers”, Physical Review 112, 1940 (1958).
- T. H. Maiman, “Stimulated Optical Radiation in Ruby”, Nature 187, 493 (1960).