鐳射，應該說是個家喻戶曉的東西，但是如果真的問起來什麼是鐳射，恐怕不會有太多人能準確地說上來。鐳射，英文稱之為laser，這個東西的中文名稱當年是很受爭議的，“萊塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激輻射放大器”怎麼叫的都有，小時候好像還沒少聽到鐳射這個詞，都以為跟居里夫人的鐳有關係，現在想想其實就是laser的音譯之一，幸虧最後有錢學森院士拍板，這個東西也算是有個官方的中文名稱了。laser這個詞來自於五個詞彙的英文首字母，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直譯過來叫受激輻射光放大器，雖然不像直接叫鐳射來的酷炫，但是對於我們這些相關專業的科研狗而言，這個全稱很精煉的概括了鐳射產生的原理。

想要說明白鐳射的原理，還真不能著急，要繞一個大彎，一上來就太直接對於不太瞭解這方面的同學來說有點刺激。

鐳射的原理必須要從物質中的粒子能量說起，還必須是一些特定物質中的特定粒子，有兩個或者兩個以上的能量狀態，有時候處在高能狀態，激昂亢奮，有時候處在低能狀態，像早晨兩三點鐘的太陽。

當粒子從高能狀態鬆懈下來變成低能狀態時，損失的能量就會以光子的形式輻射出來。

諸如白熾燈的光源發光都是透過自發輻射，通電後高能態粒子數增多，自發輻射就發生得非常頻繁。

這個過程稱為自發輻射，這裡應該可以很容易看出來，這還不是鐳射，雖然同樣是光，是光也不是鐳射，反正就不是鐳射。

自發輻射的光子很散漫，如果說鐳射的光子像天安門廣場的閱兵隊伍，那自發輻射的光子就像一群脫韁的野狗，毫無組織紀律性，而且它的發生不受控制，有時候不來，有時候亂來。

既然亢奮的粒子會損失能量轉變得萎靡，那麼反過來，本來一蹶不振的粒子會不會透過某種方法獲取能量的興奮起來呢？答案是肯定的，同輻射過程類似的，低能量的粒子會緊盯著路過的光子，見到合適的就會“劫持”下來，把光子的能量一掃而光，用來將自己上升到高能態，這一過程稱為受激吸收。

1917年，愛因斯坦提出了一個想法，高能量狀態的粒子可能也喜歡盯著路過的光子，當有自己心儀的光子路過的時候，高能粒子不會把它們留住，而是放出能量跟它走，像極了愛情。原來的粒子損失了能量，從高能變化為低能，而變化的能量會產生一個與路過的光子完全相同的光子，這個過程稱為受激輻射。

輻射是產生鐳射最核心的部分，可以看到輻射前後就表現為光被放大了，並且產生的光子與原光子的頻率相同步調一致，也就是所謂的具有相干性

路過的光子從一個變化為兩個，即光被放大了。這時候小學語文基礎紮實的同學敏銳地發現，受激輻射光放大，這個名字的關鍵詞已經全部出現了，但是還是先冷靜，此時的光仍然不能稱為鐳射，還有兩個重要問題需要解決，也就是前面鋪墊介紹的自發輻射和受激吸收。

首先要克服的問題是受激吸收，如果高低能級的粒子都同時盯著路過的光子，那很難保證最後到底是被劫持的多還是放出的光子多。而且事實上，自然條件下低能級的粒子都會多於高能級的粒子，這裡就需要加入第一個人為的介入，即用某種方法，讓低能級的粒子都跑到高能級去，讓大家都亢奮起來。此時的狀態有個很cooool的名字，叫粒子數反轉，或者稱為激發態。產生粒子數反轉的方法因物而異，取決於用於輻射產生鐳射的物質，這種方法可以是通電，也可以是光照，總之一定是一種輸入能量的手段。

當受激輻射遠大於受激吸收，就可以開始面對另一座大山，自發輻射。自發輻射是高能態粒子自然發生的，換言之只要有高能態粒子，它就有可能發生，更何況之前已經人為的將低能態粒子都上升到了高能態，自發輻射過程自然是攔都攔不住。因此解決問題的思路就在於，要想辦法讓輻射遠大於自發輻射。

辦法就是在粒子數反轉狀態的工作物質前後兩端加上兩個反射鏡，其中一端是全反射鏡，另一端是部分的反射鏡，這一結構被稱為諧振腔。當受激輻射發生時，方向合適的光子會在兩個反射鏡之間反覆橫跳，多次經過工作物質，反覆產生受激輻射，不斷增強光束。

部分反射鏡會隨時能將一部分光透射出來，而隨著不斷受激輻射放大，透射的光束也被不斷增強。由於兩面反射鏡位於特定的方向，對於方向不合適的受激輻射光，也就無法產生穩定的震盪，因此我們能看到鐳射有明確的方向性，這也是諧振腔篩選的結果。

可以看到只要傳播方向符合要求的光才能在腔內形成穩定的震盪，不斷被變大，這也就是鐳射具有明確方向性的原因，因為傳播方向不符合要求的光都被篩選出去了。

這也就是產生鐳射最基本的原理，我們在學習鐳射原理的時候，會被要求記住鐳射的三大要素，工作物質（增益介質），泵浦源（能量輸入），諧振腔，認識並瞭解了這些，也就算定性的瞭解了鐳射是怎麼產生的，在這種條件下，也就有能力判斷生活中見到的很多光到底是不是鐳射。

比如太陽光是不是鐳射？這個肯定不是，根據上面說的，鐳射其實並不是自然存在的，太陽光是由核聚變發出的，再強它也不是受激輻射光放大的結果，這個應該是大家的共識，沒什麼可說的。小時候玩過的鐳射筆，這個是不是鐳射？這個還真有可能是鐳射，排除個別拿普通發光二極體糊弄的情況，很多鐳射筆都採用了鐳射二極體之類的東西，當然成本也是很低的，作為鐳射而言它的強度，相干性等等能力也是比較差的，畢竟用途不同。科幻電影星球大戰裡面的鐳射劍是不是鐳射？雖然鐳射切割這個已經是現在能做到的，但是讓鐳射只傳播一定距離，不一直傳播這個還做不到，電影裡的東西可以叫可伸縮發光二極體，順著這個思路沒準就能做個光劍出來，成本還不高。

我希望這篇文章面向的人群主要是一些非專業感興趣的人，或者本科生要學鐳射原理，或者學完沒學懂，甚至剛讀研相關專業但是甚至對鐳射原理都沒有入門級認識的人，可以定性的先了解一下到底鐳射是什麼原理，再在此基礎上填充血肉去深度瞭解鐳射或者進入科研工作，當然也歡迎專業的大佬來批評指正。如果反響好或者說如果有反響的話，我還會以這個標準再寫一些關於光纖通訊，傅立葉光學，非線性光學等等的文章。