第二章 激光基础知识
第一节 激光的特性与产生
一、激光的特性
激光的英文“laser”由“light amplification by stimulated of emission of radiation”各词的首字母组合而成，原意为“受激辐射光放大”，钱学森先生将其翻译为“激光”。由于激光的“激”字，以及港澳地区将其音译为“镭射”，常使人们误以为激光是放射线。
实际上激光与我们日常生活的普通光本质是一样的，都在电磁波谱的同一范围内见图2-1-1，不像人们想象的具有放射线特性。但是激光的单色性、方向性和相干性是普通光不具有的。
图2-1-1 可见光在电磁波谱中的位置
激光与普通光的不同源于他们产生机制和过程不同。激光是受激辐射产生，普通光是自发辐射产生（图2-1-2）。激光与普通光之间的同异犹如军队与普通人群。激光的单色性、方向性就像军队，军人穿着颜色款式一致的制服，行动一致，步伐一致，在纪律的约束下统一行动，有很强的约束性；普通光没有方向，发散的、无色的混杂光就像普通人群，人们身着五颜六色、形式各异的服装，男女老少毫无约束自由行动，是混乱无序的。但是无论军人还是普通人，都是人。军人是从普通人群中挑选出来组成军队。激光就是通过特殊方式把特定波长的光子挑选出来，再用特殊方式集中释放出去。
图2-1-2 激光与普通光的同异
激光在各个领域（如，金属加工、信息通信、激光武器、航空航天、临床医疗等）得到广泛应用就是基于激光的三大特性。
要弄清激光的单色性和方向性的特点，首先要了解光的本质和产生过程。
光的本质是电磁波，具有波的特性也有粒子特性。波动性体现在激光有波长，有频率，能产生干涉和衍射现象；粒子性体现在光有能量和质量，可被吸收，如物体被阳光照射会变热。
光的最小单位是光子，光子的能量大小体现在光子的频率或波长上，它们的关系如公式E=hv，其中E代表光子的能量，v代表光子的频率，h代表普朗克常数（h=6.626×10-34Js）。光是电子从高能级轨道向低能级轨道辐射时释放的能量。一个电子释放一份能量，这份能量就是光子。ΔE=E2-E1，E代表不同轨道上的电子具有的能量。从公式中可以看出一个电子在不同的轨道间辐射，就会释放不同能量的光子。
光子的能量不同就会具有不同的频率，表现出不同的颜色。光子的能量能级越大频率越高，波长越短，如紫色光。激光与普通光的差异源于前者的受激辐射发生在相同能级的电子轨道间，产生相同能量和频率的光子；后者的自发辐射发生在不同能级的电子轨道间因此产生不同能量和频率的混杂光子。
二、激光的产生
原子内电子获得能量后，会从稳定的低能级轨道跃迁到高能级轨道，但电子在高能级轨道上极不稳定，会在没有任何外界因素的作用下瞬间辐射回到稳定的低能级轨道，并释放出多余的能量，这个能量就是光子。一个电子辐射释放一个光子。如一个电子从能级较高的电子轨道E2辐射到能级较低的E1轨道上，它释放出的光子能量ΔE就是ΔE=E2-E1=hv。光子能量越高，光的频率越高。电子辐射释放的光子能量与发生辐射的电子轨道能级有关。发生辐射的能级E2越高，电子释放的光子的能量越高。自发辐射会发生在不同的高能级轨道，因此辐射后释放的光子能量大小不同，频率不同，所以光的颜色不同。不同的光混杂在一起组成无色的普通光。在自发辐射中，光子发射过程不受任何约束，所以产生的光子向整个空间发散。
激光是受激辐射产生的，顾名思义，受激辐射就是高能级轨道的电子受特殊的光子碰撞激发产生的辐射（图2-1-3）。产生受激辐射需要两个条件：①要有一个特定光子，这个光子的特性与要产生的激光的光子特性相同，这个光子就是激发位于特殊高能轨道电子的“星星之火”；②原子中有一种特殊的高能级轨道，比其他的高能级轨道稳定，电子在这个轨道上停留的时间比在其他高能级轨道长三个量级，被称为亚稳态轨道。具有亚稳态电子轨道是激光介质的内在特性，否则是不能产生激光的。具有亚稳态轨道才能使激光介质内部形成粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布是指处于高能级状态的粒子数多于处在低能级状态的粒子数，这种状态也被称为激光介质的激活。这种反转状态的实质是大多数电子都处在亚稳态高能级轨道上。
图2-1-3 电子的自发辐射和受激辐射示意图
产生激光的受激辐射发生在这个亚稳态轨道上。由于能级轨道相同，释放出的光子能量相同，相同的能量意味光子频率相同、波长相同，激光颜色单一。在激光产生和放大过程中，只有沿着激光腔轴线运动的光子才能持续发生受激辐射，产生更多的光子。当光子增加到一定数量，激光达到一定强度时，就会沿着激光腔轴线从激光腔输出端发射出去，所以激光是成束状发射出来的，表现出很强的方向性。
（一）产生激光的三要素
激光的产生需要具备三个条件：激励源、激光介质、谐振腔（激光腔），见图2-1-4。
图2-1-4 激光腔的结构原理示意图
1.激励源
激励源给激光介质提供能量，使介质内电子获得能量跃迁到高能级轨道上，并聚集在亚稳态轨道形成粒子数反转，为激光的产生做准备。
不同类型的激光有不同的激励方式。在临床应用的激光中，多数都是光激励或电激励。例如Nd：YAG 激光、脉冲Er：YAG激光、Ho：YAG激光等固体激光，都是用闪光灯作为激励源。目前也有用半导体激光作为激励源的，这就是光激励。它是用强光照射激光介质，使内部的电子获得能量跃迁到亚稳态轨道上并形成粒子数反转。气体激光大都是电激励，如CO2激光、准分子激光、He-Ne激光，它们的介质在电压、电流激励下产生激光。半导体激光多数属电激励，但所需电压，电流要明显小于气体激光。
2.激光介质
是激光器中产生激光的物质，它位于激光腔的两个反射镜之间。激光介质决定激光的波长。不是任何物质都能产生激光。物质内部的原子具有亚稳态电子轨道才能产生激光，只有亚稳态电子轨道存在，电子才能跃迁到这个特殊高能级轨道上聚积起来，最终形成粒子数反转使受激辐射产生激光成为可能。粒子数反转也被称为激光介质的激活。激光介质从形态上讲有固态、气态、液态等。传统上经常以激光介质的形态将激光器分为：气体激光、固体激光和液体激光等类型。如Er：YAG、Nd：YAG激光等的发光介质是掺铒或钕离子的钇铝石榴石晶体，故被称为固体激光。CO2激光因CO2为气态故被称为气体激光。液体激光就是染料激光，它的发光介质是被溶于有机溶剂的染料，由于是液态物质所以燃料激光被称为液体激光。
3.激光腔
也叫谐振腔或共振腔，它的结构很简单，由两片反射镜组成（图2-1-4）。R1代表全反射镜，它的光反射率达百分之百；R2代表半反射镜，其反射率只为百分之九十几，是激光腔的输出端。这两片反射镜相互平行，分别位于激光介质两端，并垂直于激光介质的轴线，同时它们的中心与激光介质轴线重合。激光腔的作用是使激光光子在两个反射镜间经激光介质来回反射，不断产生新的受激辐射，使光子数量持续增加，最终形成激光束从半反射镜端发射出去。激光腔体分内腔式和外腔式，固体激光多是外腔式，气体激光多为内腔式。
（二）激光的产生过程
物质内部的基本结构是原子或分子，这些粒子自身具有的能量大小，由内部的电子所处的运动轨道能级的高低决定。通常情况下，电子都在稳定的低能级轨道上运动，这时激光介质及基本粒子都处于稳定状态，当介质受到外来能量激励时，内部电子在外来能量的激发下从低能级轨道跃迁到高能级轨道，也就使激光介质的基本粒子从低能级态转为高能级态，由于电子在亚稳态轨道能停留一段时间，所以会产生累积效应，介质内基本粒子处于高能态的数量也随之增加。在外界能量持续激发下，越来越多的基本粒子随着电子向亚稳态轨道跃迁聚集，最终形成高能态的粒子数大于低能态粒子数的分布，而自然状态下，物质内部都是低能态的粒子数远远大于高能态的粒子数。这种在外界能量激发下，形成粒子数反转状态的被叫做激光介质的激活，为产生激光做好了准备。
当激光介质处于激活状态，亚稳态轨道上的电子若受到一个特殊的光子激发，就会产生受激辐射返回到低能级轨道，同时释放一个与入射光特性相同的光子。此时新旧2个光子再去激发亚稳态轨道上其他2个电子，这2个光子又会产生新的受激辐射并释放2个新光子，这样新旧4个光子，再继续激发其他电子，使4个光子可变为8个，8个变为16个，16个变为32个、64个……如此放大下去，光子数量不断增多。
要产生足够的光子以形成激光就需要持续产生受激辐射。这个任务就由激光腔内的反射镜完成。沿着激光介质轴线运动的光子遇到反射镜会被反射回激活的介质内产生新一轮的受激辐射，使光子数量进一步增加。这样，光子在反射镜的作用下经过激活介质不断地来回反射，每次经过介质都会引发新一轮受激辐射，产生更多光子，最终使光子达到足够的数量从输出端（半反射镜）发射出来，形成激光束。
在激光的产生过程中，受激辐射决定了激光的单色性和相干性；光子始终在激光腔轴线区域往返运动决定了激光的方向性。
（三）激光光束和光斑的特点
由于多种物理因素，激光光束并不是完全平行的。它有一定的发散角，不同种类的激光发散角不同，有的只有几毫弧（1m弧= 0.057°），有的十几度。激光束发散角的大小与激光腔的结构有关。
激光腔体越长光束发散角越小，腔体越短，激光束发散角越大，如半导体激光腔体短激光束的发散角能达到 20°～30°。
激光的光斑不是均匀的，内在强度有高斯分布特点，即中心最强，周围逐渐减弱，从图2-1-5可以看出，组织凝固深度与激光强度的分布曲线变化趋势基本一致。激光照射形成的凝固中心最深，周围逐渐变浅，说明随着激光强度的减弱穿透组织的力度也减弱，产生的热凝固深度变浅。
图2-1-5 高斯分布的光斑照射组织产生的热凝固
激光光斑的不均匀性在大光斑照射时表现最为明显。例如当用较大光斑气化病变组织时，能观察到光斑中心的组织气化充分，而光斑周边组织气化力度逐渐减弱，甚至不能产生气化，表现为光斑内组织反应强度明显不同。这种不均匀性在美容照射中会导致祛除色斑深浅不一。
在进行微观研究的照射中，由于光强不均匀，使光斑内照射结果产生明显差异，无法得出正确的结果，因此照射前需要将光斑做均匀性处理后，再进行照射。为了克服光强不均匀的弱点，需要控制好功率密度、光斑大小及光斑移动速度，在非连续照射时，光斑间要有一定范围的重叠，这样才能保证照射创面的平整，否则会出现很多弹坑状小凹陷。美容激光都采用像素或点阵光斑及各种扫描照射，目的之一就是克服激光光斑强度不均匀的缺点。