激光是通过受激辐射实现光放大后输出的相干光。工业激光器先把能量送进增益介质，使参与跃迁的上能级粒子多于下能级，再让沿腔轴传播的光反复经过介质。当泵浦使小信号往返增益达到腔内往返损耗时，激光振荡开始建立，部分光从输出端取出。受激辐射具有同模放大的特性，但整束工业激光是否单频、单横模或固定偏振，还取决于器件结构与工作状态。波长、功率和光束质量描述了输出光束的不同方面。
1916年，爱因斯坦在解释黑体辐射时提出受激辐射。1958年，Schawlow和Townes提出把微波激射推进到光波频率。1960年5月16日，梅曼用红宝石实现了第一台激光器，并在当年8月6日的《自然》杂志上报告了结果。红宝石激光的波长约为694.3纳米。它证明了产生激光的条件，并不是今天材料加工的主流光源。
激光和普通光的区别是什么？
普通热光源里的自发辐射，是高能级粒子自行跃迁到低能级并发出光子。这些光子的出发时刻、方向和相位彼此无关，叠加之后向较大立体角散开，光谱也往往较宽。把这种光用透镜聚起来，可以提高局部照度，但不会让光子变成同一相位、同一方向。
受激辐射走的是另一条路径。一个能量等于两个能级之差的光子经过处于上能级的粒子时，可以促使该粒子跃迁到下能级，并再放出一个光子。新光子与入射光子的频率、相位、偏振和传播方向一致。经过增益介质后，这类光子变多，所以称为光放大。激光这个名字来自Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思正是受激辐射光放大。
吸收是相反过程。合适的光子被下能级粒子吸收，粒子升到上能级，光子消失。热平衡下上能级粒子更少，吸收通常压过受激辐射，介质整体表现为损耗。只把工作物质照亮或加热，不会自动得到激光。
产生激光必须同时满足哪些条件？
一台能够稳定出光的激光器，通常同时具备增益介质、泵浦和谐振反馈。
增益介质提供一对可以发生辐射跃迁的能级。在许多掺杂固体介质中，寿命较长的上激光能级有利于积累粒子，这类激发态可称为亚稳态。亚稳态是状态名称，不是寿命名称，也不是所有激光器都必须具有的条件。气体分子、晶体或玻璃中的掺杂离子、半导体中的电子和空穴，都可以承担这个角色，但能级的来源不同。
泵浦负责把能量送进介质，使上激光能级的粒子数超过下激光能级。能量可以来自气体放电、电流或另一束光。泵浦光的波长和激光输出波长通常不同。泵浦把粒子抬到更高的能级，激光则产生于另一对能级之间的跃迁。
反馈让光多次经过已经实现反转的介质，并且每次放大能够超过途中损耗。多数工业激光器用光学谐振腔完成这件事。激光阈值是小信号往返增益刚好弥补往返损耗时的泵浦水平。低于阈值，腔内光不能持续增长，主要看到自发辐射形成的荧光，或较弱的放大自发辐射。超过阈值后，光强上升，增益因上能级粒子被消耗而下降，直到饱和增益与损耗重新平衡，输出才稳定下来。
三个条件缺一，结果就不同。只有介质和泵浦、没有有效反馈时，可以得到放大的自发辐射，方向和光谱通常不如振荡起来的激光。只有谐振腔、没有粒子数反转时，镜子只会把弱光来回反射，光不会越来越强。
粒子数反转为什么不能靠加热得到？
热平衡时，能级上的粒子数遵循玻尔兹曼分布：能级越高，粒子越少。RP Photonics百科对粒子数反转的说明指出，这种反转不能在热平衡下出现，净增益要求上激光能级的粒子数高于下激光能级。把增益介质加热，只会让各级按温度重新分配，高能级仍然少于低能级，净效果仍是吸收。
反转是非平衡状态。泵浦必须补充被受激辐射和自发辐射消耗的上能级粒子。四能级系统还能通过快速排空下激光能级降低建立反转的难度；三能级系统的下激光能级是基态，则需要足够强的泵浦改变上下能级的占据。泵浦停止后，反转消失，激光随之停止。激光器的放电电源或泵浦二极管不是附属配件，而是维持反转的能量来源。
介质发光也不等于已经反转。气体放电可以发出很亮的自发辐射，半导体加上电流也可以发光。这些光多数仍向各个方向自发发出。只有指定的一对能级之间出现反转，沿腔轴传播的相应波长才会被净放大。
三能级、四能级和准三能级有什么不同？
能级结构决定泵浦要多费力，也决定介质会不会重新吸收自己发出的激光。
三能级系统的下激光能级就是基态。在上下能级简并度相同的简单模型里，上能级粒子数必须超过全部工作粒子的一半，才可能比基态更多。红宝石激光器是典型例子：铬离子吸收泵浦光后先到达较高能级，再快速落到亚稳上能级，激光跃迁回到基态。它能够工作，但阈值高，不适合作为高效的工业加工光源。
四能级系统在基态之上另有一个下激光能级。粒子被抽到更高的泵浦能级后，很快落到上激光能级；发出激光后落到下激光能级，再很快回到基态。只要下激光能级排空得快，上能级积累起一些粒子就可以形成反转，不必先抽空整个基态。掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）的1064纳米跃迁通常按四能级理解，因此灯泵或二极管泵浦都能在相对较低的阈值下工作。
准三能级介于两者之间。掺镱光纤和掺镱薄片常用的跃迁，下能级位于基态分裂出的一组子能级中。室温下，这些子能级按热分布已经有一部分粒子。固体介质中，同一组子能级会通过声子很快达到热平衡；判断增益时要看实际参与跃迁的子能级，而不是把整组能带的总粒子数简单颠倒过来。结果是，介质对激光波长本身仍有一定吸收。光纤长度、掺杂、温度和泵浦强度必须使放大超过这种再吸收，否则光纤更长并不自动意味着更能出光。
因此，写着稀土掺杂或晶体，并不能说明它容易产生激光。关键是具体能级结构与粒子占据，以及泵浦能否建立并维持净增益。下能级快速排空有助于四能级系统工作，但不能把它当成三能级系统的必备条件。
光学谐振腔怎样选出方向和频率？
增益介质只保证经过它的合适光子可以变多。自发辐射最初朝各个方向发出，其中绝大多数只经过介质一次就离开。谐振腔把沿腔轴来回走的那一部分留下来。
最简单的直线腔有两面镜子。一面反射率很高，另一面是部分透射的输出镜。光在两镜之间往返，每经过一次介质就被放大。输出镜每次放走一小部分，作为可用的激光，其余继续留在腔内维持振荡。透过率不是越高越好。透过太多，腔内光强建不起来，达不到阈值；透过太少，腔内光虽然强，取出来的功率却不高。透过率要在维持振荡和取出功率之间取得设计平衡。
方向由此被选出来。能在腔内稳定往返的光，传播方向必须落在腔轴附近。激光束通常较窄、发散角较小，原因是其他方向的光没有获得同样多次的放大，不是透镜把普通灯光硬聚成一点。
频率也被选择。只有单程光程大约等于半波长的整数倍，也就是往返光程大约等于波长的整数倍时，光才能在腔内形成稳定驻波。对一个简单直线腔，若腔内光程近似等于几何长度L，相邻纵模的频率间隔约为c/(2L)。按真空光速估算，L为1.5米时间隔约99.9兆赫。光纤激光器的腔往往就是一段掺杂光纤。长度10米、折射率约1.45时，间隔约为c/(2nL)，约10.3兆赫。间隔变密，不等于输出光谱自动变窄。真正输出哪几个纵模，还取决于增益带宽、光栅或其他选频元件，以及模式之间的竞争。
横模决定光斑形状。基横模中心亮、边缘平滑，聚焦后更容易得到小光斑。高阶横模的光斑更大、结构更复杂，在同样的透镜和波长下更难聚焦成小光斑。后面的光束质量M²用来描述实际光束离理想基模有多远。
光纤激光器通常不再摆两块分立的介质膜反射镜。光纤激光器的常见结构是把不同光纤熔接成整体腔，用光纤布拉格光栅代替传统反射镜提供反馈，泵浦来自半导体激光二极管或其他光纤激光器。光栅反射的波长由刻写周期决定，因此同时完成把光送回介质和选择波长。
二氧化碳、光纤、固体和半导体激光器怎样产生增益？
产生激光的条件相同，增益介质和泵浦方式不同。下面比较出光机制，不代表加工效果。这里的固体激光器专指块状或薄片晶体、玻璃结构；光纤激光器本质上也属于固体激光器，这里按常见工业形态单独说明。
二氧化碳激光器是气体分子激光器。1964年，Kumar Patel在贝尔实验室实现了二氧化碳激光，并报告放电可以先激发氮气，再通过碰撞把振动能量转给二氧化碳（《物理评论快报》13卷617页）。工业CO₂激光器里通常还加入氦气，碰撞帮助排空下能级，并参与带走热量。主要输出位于9.6微米和10.6微米附近，工业设备最常见的是10.6微米。电光效率取决于放电方式、气体配比和电源损耗，不能把某次实验的上限写成每台设备的铭牌值。常规石英光纤对10.6微米吸收很强，加工机通常用反射镜导光，不能把传输1微米激光的传能光纤直接换上去。
光纤激光器的增益介质是纤芯里的稀土离子。材料加工中最常见的是镱离子。泵浦二极管发出的光被吸收后，镱离子形成反转，输出落在1微米附近。高功率器件多用双包层光纤：激光在较小的纤芯中传输，功率更大但亮度较低的泵浦光在内包层中传输，外包层再把泵浦光约束住。这样可以用亮度不高的二极管泵浦，得到亮度高得多的激光。光纤细长，表面积相对体积较大，废热沿整段光纤散出，也有利于减轻热变形、维持光束质量。
高平均功率光纤激光器还常常分成种子激光器和光纤放大器。种子激光器决定波长和脉冲，放大器只在反转条件下提高功率。反馈可以主要做在种子端，不必把整段高功率光纤都做成同一个振荡腔。放大器仍然遵守受激辐射和反转的条件，但功率放大级通常不建立独立谐振腔，而是放大种子端送入的信号，这就是主振荡器功率放大器（MOPA）结构的分工。
固体激光器把掺杂离子放在晶体或玻璃里。Nd:YAG的常见激光波长是1064纳米。薄片激光器则把掺镱晶体做成很薄的圆片，泵浦光多次通过薄片，热量主要从背面导走，用来减轻厚晶体中的热透镜。它仍是固体激光器，改变的是散热和泵浦几何。
半导体激光器不能套用原子能级图。正向电流把电子和空穴送入PN结的作用区，导带相对价带形成载流子反转，复合时放出的光子能量由材料带隙决定。晶体解理面可以充当反射镜，也可以用光栅选频。单个发光单元的光斑往往又长又扁，光束质量通常不如单模光纤激光器。工业上它们有两种身份：给光纤、薄片和固体激光器作泵浦源，或者许多单元合束后直接用于焊接、熔覆和热处理。直接半导体激光的波长同样取决于具体半导体材料。
准分子激光器用高压放电产生短寿命的激发态分子，输出在紫外，主要用于半导体制造和微加工，其增益来自短寿命激发态分子的跃迁，输出波段与上述常见实例不同。化学激光器和自由电子激光器也不在常见工业加工机范围内。
波长、功率和光束质量分别说明什么？
波长由跃迁两边的能级差决定。光子能量E=hc/λ，波长越短，单个光子能量越高。波长同时强烈影响材料是否吸收。室温下，许多金属对10.6微米反射较高，木材、亚克力和许多有机材料则吸收较强；1微米附近的激光更容易耦合进多种金属。铜、金、铝等高反射材料即使使用1微米激光，吸收仍然依赖表面状态、温度、厚度以及是否已经形成熔池，不能只凭波长断定一定能够加工。波长也决定光学元件：石英透镜和石英光纤适合1微米附近，10.6微米要使用相应的红外材料和反射光路。
功率要区分平均功率和峰值功率。连续激光器的额定功率是可以持续输出的功率。脉冲激光器还要看脉宽、重复频率和单脉冲能量。平均功率可以不高，峰值功率却足以造成烧蚀或形成标记。调Q和锁模是缩短脉冲的两类方法，前者常得到纳秒量级的高能量脉冲，后者把多个纵模锁定后得到更短的脉冲。只写“多少瓦”而不说明连续还是脉冲，并不能描述这台激光器怎样把能量交给材料。
光束质量描述实际光束离理想高斯光束有多远。理想基模高斯光束的M²等于1。M²越大，在相同波长、相同聚焦镜和相同入射光束直径下，焦点越大。圆对称、接近高斯分布的光束，其1/e²光斑直径可估算为d=4M²λf/(πD)。这里λ是波长，f是聚焦镜焦距，D是到达透镜时的1/e²光束直径。公式忽略像差、光阑截断和非圆光斑，只适合判断数量级。
按这一公式取f=150毫米、D=20毫米。波长1.07微米、M²=1.2时，d约为12.3微米；M²改为8时，d约为81.7微米。波长改为10.6微米且M²仍为1.2时，d约为121.5微米。波长更短和M²更接近1都会帮助得到小焦点，但二者不能互相替代。一台M²很大的短波长激光，焦点可以比一台光束质量很好的二氧化碳激光更大。
这些数字是教学假设下的估算，不是某台设备的检测值。实际光斑还受聚焦镜像差、保护窗、光纤芯径以及光束是否填满透镜的影响。产品资料有时给出光束参数积BPP，关系为BPP=M²λ/π。按上面的1.07微米和M²=1.2计算，BPP约为0.41毫米·毫弧度。比较两台激光器时，先确认波长以及M²或BPP使用的是同一套定义。
光束离开激光器之后还要经过什么？
激光器输出的是一束光，还不是加工结果。1微米附近的光纤激光可以直接耦合进传能光纤并送到加工头。10.6微米的二氧化碳激光通常经反射镜到达聚焦镜。加工头中的聚焦镜把光束收到工件表面附近，保护窗挡住飞溅，但自身也会吸收光并产生热变形。辅助气体、喷嘴距离、焦点相对板面的位置和运动轨迹，决定材料怎样被加热、熔化或气化，已经不属于激光如何产生。
阅读激光器资料时，可以沿产生过程逐项核对：增益介质和泵浦方式、中心波长、连续或脉冲、额定平均功率、光束质量或光纤芯径、冷却方式。光纤芯径越大，通常越容易传输高功率，但输出更接近多模，焦点往往更大。这是传输条件，不是对切割质量的承诺。
材料加工使用的激光功率高，直射、散射和镜面反射都可能伤害眼睛与皮肤，并引发火灾。设备应有封闭光路、联锁和与波长匹配的防护。具体危险等级以铭牌上的IEC 60825标识和设备安全说明为准，不能用原理说明代替光路调整或防护设计。
参考资料
- T. H. Maiman，《自然》187卷493–494页，1960年8月6日。第一台红宝石激光器的实验报告。
- RP Photonics Encyclopedia，“Population Inversion”，Rüdiger Paschotta。粒子数反转、热平衡限制及固体介质子能级的说明。
- RP Photonics Encyclopedia，Rüdiger Paschotta：“Laser Threshold”“Metastable States”“Ruby Lasers”。分别说明阈值、亚稳态的含义及三能级红宝石激光器。
- C. K. N. Patel，《物理评论快报》13卷617页（1964）；RP Photonics Encyclopedia，Rüdiger Paschotta：“CO₂ Lasers”。用于核对气体激光的历史、波段和能量转移。
- RP Photonics Encyclopedia，Rüdiger Paschotta：“Fiber Lasers”“Double-clad Fibers”“Master Oscillator Power Amplifier”。用于核对光纤反馈、泵浦与功率放大结构。
- TRUMPF，薄片激光器原理访谈“I find the disk as amazing as ever”。用于核对薄片多通泵浦和散热方向。
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