我們先來了解下原子是如何發光的

在原子當中，外層軌道運行的電子的能量比內層軌道的更大。而量子力學效應使電子只能出現在有空間間隔的軌道上，而不能出現在兩個軌道層之間。注意，這里之所以說軌道層，是因為電子實際上并不是以環狀的方式繞原子核旋轉，而是隨機出現在軌道層的某個位置上，我們并不能確定電子下一刻會出現在軌道層的什么地方，只能知道它出現在某個地方的概率（注意:電子在第二層以上的軌道層[能級]上的分布概率并不是均勻地，而是符合波函數）。

 
上圖：氫原子唯一的那個電子在不同能級上的概率分布。

當電子從光（光子）或熱（聲子）吸收能量時，它接收了能量，動能增加，就不能呆在原來的電子層了。它會想出去“發泄”一下，于是就神秘地從原來的軌道層消失，然后突然出現在更高的軌道層上。但是在外層軌道上還是會“想家”的，于是那個電子“發泄”出一個光子之后，就又神秘地回到了原來的軌道層，老老實實地呆著了。因為電子這種“發泄”而產生的光輻射被稱為“自發輻射”——這是導致原子光譜發射線和吸收線的原因。

但請注意，上面所說的“自發輻射”的光子的光波相位和方向都是隨機的，因此，由許多同類原子構成的材料因為吸收了能量然后“自發發射”出光子會形成有一定光譜寬度限制的輻射（以某一個波長的光為中心）——也就是單色光。但這些光子并沒有共同的相位關系并且輻射的方向是隨機的。這是熒光和熱輻射的根本機制。產生單色光的根本原因，是電子“發泄”（術語叫做“躍遷”）時，總是從特定的軌道調回到原來的軌道，所以發出的光線的波長都是基本一致的，這個波長就叫做此原子的特征波長，而這個波長對應的光波的頻率叫做特征頻率。

總結一下就是：原子接受能量之后會向周圍輻射出特征性的單色光。

激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發射光擴大"。激光的英文全名已經完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發射”改稱“激光”。

激光是由“受激輻射”產生的

外部的電磁場（例如一束光）可以影響原子的量子學狀態。

當原子中的電子從低能級的電子層向高能級電子層躍遷的過程中，實際上電子會進入某種過渡狀態，在這種情況下，電子從一個只有負電荷的電單級粒子變成某種“電偶極子”（同時具有正負兩極），并且會響應于與其特征頻率一致的外部電場（例如入射的光子），于是此這個還沒有開始“發泄”電子被那“闖進來”的光子“帶壞了”，變得跟這光子的某些特性一致（術語叫“諧振”），然后這電子還接收了入射光子的能量，迅速躍遷到位（比原來快得多），立即開始“發泄”。但跟以往不同，電子這次“發泄出來”的光子的方向和相位都跟入射的那個光子完全相同。結果大量相同的原子在同一束光的照射下都釋放出與入射光方向完全一致的光子，匯聚成了一大束平行光——激光。

由于需要持續不斷地提供外來光束來激發原子發出激光，而且還需要增強最終獲得的激光的強度。于是科學家們發明了“光學腔”這種設備巧妙地來產生激光。光學腔又叫“激光腔”或者“光學諧振腔”——就是置于兩面對射的鏡子之中的發光體（術語稱為“增益介質”，因為發光管中通常裝了能夠發出單色光的物質，可以是氣體，也可以是液體或者等離子體）。如此，被充電的“增益介質”不斷地在自己產生的“激光”的照射下不斷地產生新的激光，并且兩面鏡子將光線不斷疊加增強，只要輸入的電功率足夠抵消激光在鏡子間反射的消耗以及“增益介質”散射光的消耗，那么就可以向外輸出激光了。

總結一下，在外來與特征頻率一致的光線的激發下，原子可以釋放出與外來光線方向和相位一致的輻射，這叫做“受激輻射”。受激輻射產生的光子在“光學腔”中不斷匯聚和增益，可以最終穩定地輸出激光。

上圖：氦氖激光器——管中軸的粉橙色光芒是氣體在通電情況下形成的等離子體產生的非相干光，跟霓虹燈管中的情形一樣。這種發光的等離子體在受到外部光束激發的情況下，產生受激輻射（也就是激光），產生的激光在兩個反射鏡之間來回反射，不斷增強，最后從中心小孔射出。可以看到最后輸出的激光在右側屏幕上產生一個微小的強光斑。

上圖：不同的“增益介質”可以產生不同顏色的單色激光[頭條·小宇堂—]

總結一下

上圖：從左到右，受激輻射與自發輻射最大的不同就在于自發輻射的方向是隨機的，而受激輻射的方向與外來的光子一致

上圖：從左至右——

• 吸收

• 自發輻射

• 受激輻射

在發光區外加一對「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖三所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發光區吸收光能，最后產生諧振效應，使光的能量放大。

光激發光(PL：Photoluminescence)
我們以「鈦藍寶石激光(Ti Sapphire laser)」為例，先在藍寶石內摻雜鈦原子得到鈦藍寶石晶體，在晶體四周放置許多高亮度的光源(發出某一種波長的光)對著晶體照射，當晶體吸收光能產生「能量激發(Pumping)」，則會發出另外一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設計可以穿透5%的光，所以高能量的激光就會由右方穿透射出，如圖三(a)所示。

電激發光(EL：Electroluminescence）我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極，對著芯片施加電壓，當芯片吸收電能產生「能量激發(Pumping)」，則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個晶體鏡面反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設計可以穿透5%的光，所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出，如圖三(b)所示。

圖三　激光產生的原理。