1.1 激光基础知识

激光是二十世纪重大科技发明之一，其名称来源于英文“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（Laser）的意译，指通过受激辐射实现光的放大。钱学森先生根据其物理本质将其命名为“激光”。激光的理论基础最早可追溯至1917年爱因斯坦提出的受激辐射概念。在1958年，美国物理学家汤斯与他的学生肖洛阐述了利用受激辐射实现光放大的理论方案，并研制出了第一台氨分子振荡器，这为后续激光技术的发展奠定了关键性的理论和实践基础。两年后梅曼成功研制出了世界上第一台红宝石激光器，产生了人类历史上的第一束激光，标志着激光技术正式从理论走向现实。

如表1.1所示，激光具备普通光源无法比拟的高方向性、高功率密度度、高单色性以及高相干性等特点。激光能够提供瞬时的高能量，借助透镜和反射镜可将激光束聚焦于一个极小的光斑，从而获得极高的功率密度，成为一种极端高效的加热源。它能够加热、熔化甚至气化金属、陶瓷、塑料等材料，尤其适合对于通常难以用常规手段进行加工的脆硬材。自其问世以来，激光与原子能、半导体以及计算机并列为20世纪影响最为深远的科技成就。

表1.1激光的特性。

激光束在真空或者大气环境中可以无损耗的传输，从而可以远距离地、无接触的加工任何材料，乃至大尺寸结构的器件。激光可以加工处理塑料或玻璃等透明材料，并且可以深入到透明材料的内部。对于磁性材料的加工，不同于电子束加工，激光加工不会受到影响。短波长的激光束由于用于较高的光子能量，可以用来离解或电离原子和分子而引入材料的光化学反应。由此，短波长的激光被应用于钻孔和光化学加工。更进一步，短波长激光或超短脉冲激光和超高峰值功率激光对材料产生的销蚀作用，而不会产生融化和气化等热效应。

利用以上激光的特点，激光被用于各类的工业材料处理领域，比如焊接、钎焊、填料焊、钻孔、切割、打标、清洗、熔覆、增材和3D打印、基于马氏体相变的淬火等。特别地，激光焊接已被广泛接受为一种重要的材料处理方式。

1.2 激光产生的原理

在原子或分子系统的能级跃迁过程中，能级是激光辐射中的一个重要概念。对于激光与原子、离子或分子等微小系统的相互作用，可由吸收、荧光或自发辐射、受激辐射三个不同的过程来说明。光与原子态或能级间的相互作用关系如图1.1所示。在吸收过程中，一个处于低能级的原子吸收光子能量（ε= hν；其中ε是光子能量，h是普朗克常数，ν是光波的频率）而跃升到较高的能级上。在荧光或自发辐射过程中，一个处于上能级的原子将自发衰减到低能级（注：如果这个较高的能级是一个亚稳态能级，在激光受激发射过程中，将能够聚集足够多的原子处于该能级上，因此，该能级通常被称为激光上能级。相应地，激光受激发射过程中的低能级被称为激光下能级），并发射一个光子。其光子频率近似于两个能级间的能量差。在受激辐射过程中，一个处于上能级的原子遇到一个入射光子。若该光子的频率恰好与原子跃迁能级间的能量差相匹配，则原子与光子发生耦合作用：原子发射出一个与入射光子频率相同的新光子，同时自身跃迁到下能级。其结果是由一个光子变为两个光子，且这两个光子的频率、方向、相位均相同，因此入射光的强度被放大。这一过程正是激光辐射产生的根本原理。 

图1.1吸收，自发辐射（荧光）和受激辐射。

实际上，激光辐射要求不少于三个能级的能量系统和一个不少于两个光学反射镜的光学谐振体或谐振腔。图1.2描述了一个与激光辐射相关的四能级系统。处于基态的粒子（如原子或电子）在外界泵浦源（如光、等离子体或电子束等）的作用下，被激发或泵浦到高能级。这些被激发的粒子随即通过无辐射弛豫过程跃迁到上能级；类似地，位于下能级的粒子也通过无辐射过程迅速跃迁回基态。最终，在上能级和下能级间形成了粒子数反转，并发射出与能量差E₂-E₁相匹配频率的激光。

图1.2四能级系统的能级关系。

光被反射镜来回反射多次，每次通过激活介质时，都由受激发射过程而被放大。图1.3 描绘了一个固体激光棒中的激发和受激辐射过程，其中谐振腔由两个反射镜构成。初始的未激发介质被光泵浦到激发态，然后产生自发辐射或荧光，并进一步演化成受激发射。受激发射的光子在全反镜（100%或99% 发射率，例如1%被用来监测激光功率）和部分反射镜（如,反射率50%）之间往返穿梭，光子密度因此不断提升，而最终由部分反射镜的一端输出激光束。

图1.3 两镜腔中固体激光介质的受激发射过程。

简而言之，激光的产生离不开不少于三个能级的系统和至少两片反射镜组成的谐振腔。