我們先了解一下光的輻射：在光輻射中存在三種輻射過程，一是自發(fā)輻射：處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷；二是受激輻射：處于高能態(tài)的粒子在外來光的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷；三是受激吸收：處于低能態(tài)的粒子吸收外來光的能量向高能態(tài)躍遷。

對于自發(fā)輻射，即使是兩個同時從某一高能態(tài)向低能態(tài)躍遷的粒子，它們發(fā)出光的相位，偏振狀態(tài)、發(fā)射方向也可能是不同的，但受激輻射卻不是這樣，當位于高能態(tài)的粒子在外來光子的激發(fā)下向低能態(tài)躍遷，會發(fā)出頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面與外來光子完全相同的光。

1917年，愛因斯坦在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時，第一個提出了受激輻射的概念。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是激光的基礎(chǔ)。

在激光器中，發(fā)生的輻射就是受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣。任何的受激發(fā)光系統(tǒng)，即有受激輻射，也有受激吸收，只有受激輻射占優(yōu)勢，才能把外來光放大而發(fā)出激光。而一般光源中都是受激吸收占優(yōu)勢，只有粒子的平衡態(tài)被打破。使高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)（這樣情況稱為離子數(shù)反轉(zhuǎn)），才能發(fā)出激光。

產(chǎn)生激光的三個條件是：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閥值條件和諧振條件。

1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：這是產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件。在半導(dǎo)體中就是要把價帶內(nèi)的電子抽運到導(dǎo)帶。為了獲得離子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常采用重慘雜的P型和N型材料購成PN結(jié)，這樣，在外加電壓作用下，在結(jié)區(qū)附件就出現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)一在高費米能級EFC以下導(dǎo)帶中儲存著電子，而在低費米能級EFV以上的價帶中儲存著空穴。

2、滿足閥值條件：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件，但不是充分條件。要產(chǎn)生激光，還要有損耗極小的諧振腔，諧振腔的主要部分是兩個互相平行的反射鏡，激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射光在兩個反射鏡之間來回反射，不斷引起新的受激輻射，使其不斷被放大。只有受激輻射放大的增益大于激光器內(nèi)的各種損耗，即滿足一定的閥值條件，才能輸出穩(wěn)定的激光。

3、滿足諧振條件：激光在諧振腔內(nèi)來回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差▽Φ=2qπ，q=1.2.3.4......時，才能在輸出端產(chǎn)生加強干涉，輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長度為L.激活介質(zhì)的折射率為N，則f=qc/2NL該式稱為諧振條件。它表明諧振腔長度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。

激光器的結(jié)構(gòu)：

一般包括三個部分：工作介質(zhì)、激勵源和諧振腔

1、工作介質(zhì)

要產(chǎn)生激光必須合適的工作介質(zhì)，可以是氣體，液體，固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中，可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得發(fā)出激光的必要條件。目前，激光工作介質(zhì)已經(jīng)有近千種，可以發(fā)出的激光波長從紫外一直到遠紅外。

2、激勵源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須采取一定的方法去激勵整個原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般用氣體放電的辦法，利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵，化學(xué)激勵等其它形式。這些激勵方式被形象化的稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級額粒子數(shù)

3、諧振腔

有了合適的工作介質(zhì)和激勵源以后，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度仍然很弱，無法獲得實際應(yīng)用。光學(xué)諧振腔的作用就是進行放大，所謂光學(xué)諧振腔，實際是在激光兩端，面對面裝上兩塊放射率很高的鏡，一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射，少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，像雪崩一樣被持續(xù)放大，就會產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡子一端射出。