为什么要知道激光的原理？
了解了常见的半导体激光器、光纤、圆盘、YAGS的区别，在选择型号的时候也可以多了解一点，同时多说几句。
文章主要围绕科普：简要介绍激光产生的原理、激光器的主要结构以及几种常见的激光器。
首先：激光产生的原理。
英文单词“laser”是“light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写，意思是受激发射的光放大。 最初，“激光”的中文翻译直接音译为“激光”（这个名字在中国香港和台湾至今仍在使用），后来在科技界领袖钱学森的倡导下，在中国统称为“激光”
激光是由光与物质相互作用产生的，即所谓的受激辐射光放大; 理解受激辐射光放大需要了解爱因斯坦的自发辐射、受激吸收和受激辐射的概念，以及一些必要的理论基础。
理论基础1：玻尔模型。
玻尔模型主要提供原子的内部结构，便于理解激光是如何发生的。 原子由原子核和原子核外的电子组成，电子的轨道不是任意的，电子只有一些确定的轨道，其中最里面的轨道称为基态; 如果电子处于基态，那么它的能量是最低的，如果电子跳出轨道，则称为第一激发态，第一激发态的能量将高于基态的能量; 外轨道称为第二激发态;
激光之所以能发生，是因为在这个模型中电子在不同的轨道上运动，如果电子吸收能量，它们可以从基态运行到激发态; 如果电子从激发态返回基态，它会释放能量，能量通常以激光的形式释放。
理论基础2：爱因斯坦的受激辐射理论。
2024年，爱因斯坦提出了受激辐射理论，这是激光和激光产生的理论基础：物质的吸收或发光本质上是辐射场与构成物质的粒子相互作用的结果，其核心本质是粒子在不同能级之间的跃迁。 光与物质相互作用有三个不同的过程：自发辐射、受激辐射和受激发吸收。 对于具有大量粒子的系统，这三个过程总是同时存在并且紧密相连。
自发辐射：
如图所示，高能级E2的电子自发跃迁到低能级E1，发射出能量为HV的光子，HV=E2-E1; 这种与外界无关的自发跃迁过程称为自发跃迁，自发跃迁发出的光波是自发辐射。
自发辐射的特点：每个光子是独立的，方向和相位不同，发生时间也是随机的，属于混沌非相干光，不是激光器需要的光，所以激光器产生过程中要减少这种杂散光，这也是激光波长产生杂散光的原因之一， 控制好，激光器的自发辐射比例可以忽略不计，激光越纯净，比如1060nm，都是1060nm，所以激光器在吸收率和功率方面会更加稳定。
刺激吸收：
较低能级（较低轨道）的电子在吸收光子后移动到较高能级（高轨道），这一过程称为受激发吸收。 受激吸收是非常关键的，是关键的泵浦过程之一，激光的泵浦源是提供光子能量，使粒子在增益介质中跃迁，并等待受激辐射到更高的能级来发射激光。
受激辐射：
当被外来能量的光照射时（HV=E2-E1），高能级的电子被外来光子激发并跃升到较低的能级（高轨道运行到低轨道），同时发出与外来光子完全相同的光子，这个过程不吸收原来的激发光， 所以会有两个一模一样的光子，可以理解为电子吐出之前吸收的光子，这种发光过程称为受激辐射，而受激发辐射是受激吸收的逆过程。
理论明确后，再构建激光器就很简单了，如上图所示：在材料稳定的正常条件下，大部分电子处于基态，而电子处于基态，而激光是依赖于和受激辐射的，所以激光的结构是让受激吸收先发生， 使电子达到高能级，然后给予激发，使大量的高能电子受到受激辐射，释放光子，然后就可以产生激光，接下来引入激光结构。
激光器结构：
激光器结构符合上述激光产生条件
发生条件及对应结构：
1、有一种提供放大的增益介质作为激光工作介质，其活性粒子具有适合产生受激辐射的能级结构（主要是将电子泵浦到高能级轨道，并能存在一定时间，然后通过受激辐射一口气释放光子）;
2.有外部激发源（泵浦源），可以将较低能级的电子泵浦到较高能级，使激光的上能级和下能级之间的粒子数量反转（即高能级的粒子比低能级的粒子多）， 如YAG激光器的氙灯;
3、有谐振器实现激光振荡，可增加激光工作物质的工作长度，屏蔽光波模式，控制光束的传播方向，选择性放大受激辐射频率，提高单色性（保证激光再次输出到一定能量）。
对应的结构如上图所示，是YAG激光器的简单结构，其他的会很复杂，但核心是这个，激光产生过程如图所示
激光器分类：一般按增益介质或按激光能量形式分类。
增益介质分类：
二氧化碳激光器：二氧化碳激光增益介质为氦气和CO2，产生的激光波长为106um，属于市面上最早的激光产品，早期的激光焊接主要以二氧化碳激光器为主，目前主要用于非金属材料（布料、塑料、木材等）的焊接和切割，也用于光刻机上，二氧化碳激光器不能通过光纤传输，走空间光路， 最早的通快比较好，在切割设备上用得很多;
YAG（钇铝石榴石）激光器：使用掺杂钕（ND）或钇（Yb）金属离子的YAG晶体作为激光增益介质，发射波长为106um，YAG激光器可以输出较高的脉冲，但平均功率较低，峰值功率可达平均功率的15倍，以脉冲激光器为主，不能实现连续光; 但它可以通过光纤传输，同时，金属材料的吸收率增加，开始应用于高反射材料，首先应用于3C领域;
光纤激光器：目前市场的主流，以掺镱光纤为增益介质，波长为1060nm，按介质形状分为光纤激光器和盘式激光器; 光纤以IPG为代表，圆盘以通快为代表。
半导体激光器：增益介质为半导体PN结，半导体激光器的波长主要在976nm，目前半导体近红外激光器主要用于熔覆，光斑在600um以上，laserline是半导体激光器的代表性企业。
按能量作用的形式分为：脉冲激光器（pulse）、准连续激光器（QCW）、连续激光器（CW）。
脉冲激光器：纳秒、皮秒、飞秒，这类高频脉冲激光器（ns即脉宽）往往能实现高峰值能量、高频（MHz）加工，用于薄板铜铝异种材料的加工，以及清洗，利用高峰值能量，能快速熔化母材，作用时间短，热影响区小， 在加工超薄材料方面具有优势（05mm以下）;
准连续激光器（QCW）：由于重复频率高，占空比低（小于50%），准连续激光器的脉冲宽度达到50 us-50 ms，QC光纤激光器弥补了千瓦级连续光纤激光器和调Q脉冲激光器之间的差距。 准连续光纤激光器的峰值功率可高达连续模式操作时平均功率的 10 倍。 QCW激光器一般有两种模式，一种是低功率连续焊接，另一种是平均功率10倍的高峰值功率脉冲激光焊接，可以实现更厚的材料和更多的热焊接，同时将热量控制在小范围内;
连续激光器（CW）：这是使用最多的，市场上看到的CW激光器大多是连续激光器，连续输出激光器用于焊接加工，光纤激光器根据不同的芯径和不同的光束质量分为单模和多模激光器，可以适应不同的应用场景。
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