激光作為一種光，與自然界其他發(fā)光一樣，是由原子（或分子、離子）躍遷產(chǎn)生的，而且是由自發(fā)輻射引起的。不同的是，普通光源自始至終都是由自發(fā)輻射產(chǎn)生的，因而含有不同頻率（或不同波長、不同顏色）的成分，并向各個(gè)方向傳播。激光則僅在最初極短的時(shí)間內(nèi)依賴于自發(fā)輻射，此后的過程完全由受激輻射決定。正是這一原因，使激光具有非常純正的顏色，幾乎無發(fā)散的方向性，極高的發(fā)光強(qiáng)度。而正是這些神奇的特性，使激光在各個(gè)領(lǐng)域具有一系列令人難以置信而又不得不相信的應(yīng)用。物理學(xué)家把產(chǎn)生激光的機(jī)理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時(shí)提出的假說，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射三種基本過程。

1、普通光源的發(fā)光——受激吸收和自發(fā)輻射

普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子就會(huì)吸收外來能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個(gè)“受激吸收”過程。（如圖1（a））處在高能級(jí)（E2)的電子壽命很短（一般為10－8～10－9秒），在沒有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為

hυ=E2-E1

這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外未位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。

在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為

N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}

公式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2《N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1＝－13.6eV，第一激發(fā)態(tài)能量為E2=-3.4eV，在20℃時(shí)，kT≈0.025eV，則N2/N1∝exp（－400）≈0。可見，在20℃時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。

2、受激輻射和光的放大

由量子理論知識(shí)知道，一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)能量狀態(tài)。電子能量由主量子數(shù)n(n=1,2,…）決定。但是實(shí)際描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除能量外，還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量s，它們都是量子化的，由相應(yīng)的量子數(shù)來描述。對(duì)軌道角動(dòng)量，波爾曾給出了量子化公式Ln＝nh，但這不嚴(yán)格，因這個(gè)式子還是在把電子運(yùn)動(dòng)看作軌道運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上得到的。嚴(yán)格的能量量子化以及角動(dòng)量量子化都應(yīng)該有量子力學(xué)理論來推導(dǎo)。

量子理論告訴我們，電子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)只能發(fā)生在l（角動(dòng)量量子數(shù)）量子數(shù)相差±1的兩個(gè)狀態(tài)之間，這就是一種選擇規(guī)則。如果選擇規(guī)則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這種能級(jí)上時(shí)，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它在這種能級(jí)上的壽命很長，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級(jí)上。這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但是，在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級(jí)，并放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱受激輻射。

受激輻射的概念是愛因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時(shí)，第一個(gè)提出來的。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)。

受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)外來光子所帶的能量hυ正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣（見圖1-（c））。于是，入射一個(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來光信號(hào)被放大，這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。

3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)地原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。