1917-至今 | 受激辐射·相干光·光放大 | 改变世界的光之革命
| 特性 | 普通光（如白炽灯） | 激光 |
|---|---|---|
| 方向性 | 向四面八方发散 | 高度定向，发散角极小 |
| 单色性 | 多种波长混合 | 单一波长，谱线极窄 |
| 相干性 | 非相干光 | 高度相干，波峰波谷同步 |
| 亮度 | 相对较低 | 可比太阳表面亮百亿倍 |
| 能量密度 | 分散 | 可高度聚焦 |
定义：原子自发从高能级跃迁到低能级，释放光子
特点：随机、非相干
例子：普通光源发光
定义：入射光子刺激原子从高能级跃迁，释放同频率、同相位光子
特点：相干、放大
意义：激光产生的核心机制
定义：高能级原子数多于低能级
条件：需要泵浦源提供能量
意义：实现光放大的必要条件
定义：两面反射镜构成的光学腔
作用：光子来回反射，持续放大
输出：部分透射镜输出激光
| 组成部分 | 功能 | 常见类型 |
|---|---|---|
| 工作物质 | 产生受激辐射的介质 | 气体、固体、液体、半导体 |
| 泵浦源 | 提供能量实现粒子数反转 | 光泵浦、电泵浦、化学泵浦 |
| 光学谐振腔 | 放大光子、选择模式 | 平面腔、球面腔、环形腔 |
| 输出耦合器 | 输出部分激光 | 部分反射镜 |
代表：氦氖激光器、CO₂激光器
特点：光束质量好、功率稳定
应用：科研、医疗、切割
代表：红宝石激光器、Nd:YAG 激光器
特点：结构紧凑、效率高
应用：工业加工、医疗
代表：染料激光器
特点：波长可调谐
应用：光谱学、科研
代表：激光二极管
特点：体积小、效率高、成本低
应用：通信、消费电子
代表：掺铒光纤激光器
特点：光束质量好、散热好
应用：通信、工业加工
特点：波长连续可调、功率高
应用：科研、国防
规模：大型设施
爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中首次提出受激辐射概念，预言了激光产生的物理机制，但当时被认为无法实现
查尔斯·汤斯和尼古拉·巴索夫、亚历山大·普罗霍罗夫独立发明微波激射器，首次实现受激辐射放大，获 1964 年诺贝尔物理学奖
汤斯和肖洛在《物理评论》发表《红外和光学激射器》，提出将 MASER 原理扩展到光频段的理论，标志激光理论成熟
西奥多·梅曼在休斯研究实验室用红宝石晶体制造出世界第一台可工作的激光器，波长 694.3 纳米，脉冲输出
阿里·贾万制造出第一台氦氖气体激光器，是第一台连续波激光器，光束质量更好，推动激光实用化
多个研究小组几乎同时发明半导体激光二极管，为激光小型化、低成本化奠定基础
库马尔·帕特尔发明 CO₂气体激光器，功率高、效率高，成为工业加工的主力激光器
高锟提出用光纤进行通信的理论，预言激光可通过光纤传输，获 2009 年诺贝尔物理学奖
实现室温下连续工作的半导体激光器，使激光进入实用化阶段，推动光纤通信发展
激光广泛应用于工业切割、医疗手术、光盘存储、条码扫描、通信等领域
掺铒光纤放大器 (EDFA) 发明，实现长距离光纤通信，互联网基础设施建立
飞秒、阿秒激光技术成熟，开启超快科学新领域，获 2018 年、2023 年诺贝尔物理学奖
量子激光、拓扑激光、集成光子学等新技术不断涌现，激光在量子计算、自动驾驶等领域发挥关键作用
应用：金属、塑料、陶瓷切割
优势：精度高、速度快、无接触
市场：百亿美元级产业
应用：汽车、航空、电子制造
优势：焊缝精细、变形小
代表：特斯拉车身焊接
应用：产品标识、防伪
优势：永久标记、环保
普及：几乎所有制造业
应用：选择性激光烧结 (SLS)
优势：复杂结构成型
前景：制造业革命
| 应用领域 | 具体应用 | 激光类型 |
|---|---|---|
| 眼科 | 近视矫正 (LASIK)、视网膜治疗 | 准分子激光、飞秒激光 |
| 皮肤科 | 祛斑、祛痘、脱毛、嫩肤 | CO₂激光、染料激光 |
| 外科 | 激光手术刀、微创手术 | Nd:YAG 激光、半导体激光 |
| 牙科 | 牙齿美白、龋齿治疗 | Er:YAG 激光 |
| 诊断 | 光学相干断层扫描 (OCT) | 超辐射发光二极管 |
应用：互联网骨干网、数据中心
核心：半导体激光器 + 光纤
规模：全球通信基础设施
应用：CD、DVD、蓝光
原理：激光读写数据
演变：向云存储过渡
应用：激光鼠标、投影仪
核心：VCSEL 激光器
普及：智能手机 Face ID
应用：量子密钥分发
原理：单光子源
前景：无条件安全通信
| 领域 | 应用 | 诺贝尔奖 |
|---|---|---|
| 光谱学 | 激光光谱、痕量检测 | 1981 年、1999 年 |
| 冷原子 | 激光冷却、原子钟 | 1997 年、2005 年 |
| 超快科学 | 飞秒化学、阿秒物理 | 1999 年、2018 年、2023 年 |
| 引力波 | LIGO 激光干涉仪 | 2017 年 |
| 核聚变 | 惯性约束聚变 | 在研 |
激光制导、激光武器、激光雷达、光电对抗
激光雷达 (LiDAR) 是自动驾驶的核心传感器
条码扫描、激光显示、娱乐照明
激光雷达测距、大气污染监测
| 方向 | 内容 | 应用前景 |
|---|---|---|
| 量子激光 | 基于量子效应的新型激光器 | 量子计算、量子通信 |
| 拓扑激光 | 利用拓扑保护态的激光器 | 鲁棒性光子器件 |
| 集成光子学 | 芯片级激光器和光子电路 | 光计算、光互联 |
| 阿秒激光 | 阿秒 (10⁻¹⁸秒) 脉冲激光 | 电子动力学研究 |
| 激光核聚变 | 惯性约束聚变点火 | 清洁能源 |