激光是基于受激辐射光放大产生的一种单色性、方向性和相干性都很好的强光光束。早在1917年爱因斯坦就从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的理论基础。然而，直到1958年美国两位微波领域的科学家汤斯（C.H.Townes）和肖洛（A.I.Schawlaw）才打破了长达40年之久的沉寂，指出了以受激辐射为主发光的可能性，以及产生激光的必要条件是“粒子数反转”。这之后各国科学家纷纷提出实现粒子数反转的实验方案。1959年9月，汤斯提出了制造红宝石激光器的建议，1960年5月15日加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为694.3nm的激光。这是历史上的第一束激光。
1.激光原理
设原子有两个能级E1和E2，并且E2＞E1。当原子中的电子在两能级之间跃迁时，就会发生吸收和辐射光子的现象。假设处于低能级E1的原子，吸收能量为hv=E2-E1的光子后，跃迁到高能级E2，如图10—7（a）所示。原子吸收光子从低能级跃迁到高能级的过程称为受激吸收过程。
图10—7 光的吸收与辐射
原子受激后处于高能级E2的状态是不稳定的，一般只能停留10-8s左右，就会自发地返回低能级E1，同时辐射出一个能量为hv的光子，如图10—7（b）所示。这种在没有外界作用下，处于高能级E2的原子自发地跃迁到低能级E1而辐射光子的过程称为自发辐射。由于自发辐射是随机的，各原子的发光是独立的、互不相关的，因此自发辐射出的光不是相干光。
如果处于高能级E2的原子在自发辐射前受到能量为hv=E2-E1的光子的激励作用，就会从高能级E2跃迁到低能级E1而辐射一个与入射光完全相同的光子，如图10—7（c）所示。这种在外来光子作用下辐射光子的过程称为受激辐射。受激辐射过程所发出的光子与入射的光子在频率、振动方向、传播方向、相位和偏振等方面有完全相同的特征。
在受激辐射过程中，一个光子引发出一个全同光子，这两个光子引发受激辐射又增加两个全同光子，以后四个全同光子引发成八个全同光子……这样，在一个入射光子的作用下，就会获得大量特征完全相同的光子，这种现象称为光放大。激光就是基于受激辐射的光放大而发光的。
光和原子发生相互作用时，受激辐射和受激吸收总是同时存在的。二者中哪一种占优势取决于高能级E2和低能级E1上的原子数的多少。在热平衡条件下，由玻尔兹曼分布规律可知，处于高能级的原子数总是少于低能级上的原子数，能级越高，原子数越少，这就是原子数按能级的正常分布。显然要使受激辐射占优势，就必须使能级较高的原子数比能级较低的原子数多，这与正常情形下的分布正好相反，故称为粒子数反转分布。粒子数反转是实现受激辐射光放大的必要条件。
要实现粒子数反转，必须要有能被激活的物质，激活物质是激光器的核心，又称工作物质。它的特点是在其能级结构中，存在着特殊的能级——亚稳态能级。原子被激发到亚稳态后，停留时间比较长，从而可以在亚稳态上积累较多的原子，与低能级间形成粒子数反转分布。另外，还必须从外界不断地给发光物质提供能量，使该物质中有尽可能多的原子在吸收能量后，从基态能级不断地跃迁到激发态能级上去，这一过程称为激励。
由于引发受激辐射的光子是由自发辐射产生的，而自发辐射是随机的，其相位、偏振方向、传播方向等都是杂乱无章的。因此，光放大在宏观上仍然是随机的、无规则的。在这种情况下发出的光仍然是普通光而不是激光。要发出激光还需要一个光学谐振腔。如图10—8所示，在激光管的两端放置两块互相平行的反射镜，一块为全反射镜，其反射率高达99.5%，另一块是部分反射镜，其反射率为99%，1%的光透射。
图10—8 光学谐振腔(https://www.xing528.com)
光子在谐振腔中运动，偏离谐振腔轴向的光子通过侧面逸出腔外，在腔内很快消失；沿轴向运动的光子经两反射镜反射在腔内往返而形成振荡，每次往返都会激发出更多同频率、同相位、同方向、同偏振态的光子，经这种连续放大过程后就会发射出强烈的激光。
2.激光的特性
方向性强：由于谐振腔对光束方向性的选择作用，激光器发出的激光几乎是一束定向发射的平行光，其发散角很小，可在1"以下。用红宝石激光器将1mm的光束射向月球，通过384 400km的距离到达月球，在月球表面形成的光斑直径仅1.6km。而普通探照灯（光束直径为0.3 m）射出1km，光斑直径就有10m。
亮度高：目前，功率极大的激光，其亮度可达到太阳亮度的100亿倍以上。现在激光能量在空间和时间上的高度集中，可在极小区域内产生几百万摄氏度的高温。
单色性好：激光近乎是单一频率的理想单色光。例如，氦氖激光器所发射的632.8nm的激光，其谱线的宽度Δλ=10-8nm；而普通光源中单色性最好的氪灯发射波长为605.8nm的单色光，其谱线的宽度Δλ=10-4nm。
相干性好：由于激光是工作物质在受激辐射过程中发出的光。因此，所发出的光子频率、相位、振动方向都相同。无论是在光源上的不同点或光源上同一点不同瞬时发出的光都是相干光，这是其他任何光源都无法比拟的。
3.激光的应用
激光加工：利用激光能量在空间和时间上高度集中的特点，可对一些高熔点、高硬度的材料进行精密加工，如打孔、切割、焊接等。
激光测量：自激光问世之后，由于它的单色性极好，亮度又高，很快就成为精密测量的理想工具。
激光导向、准直：据报道，用激光击毁将报废的人造地球卫星的试验已获成功。利用激光制导的炸弹和炮弹的命中率是相当高的，几乎是百发百中。
激光通信：光纤通信不仅大大提高了通信容量，而且其传输损耗极低，这是无线电通信无法与之比拟的。另外，由于光纤具有重量轻、易弯曲，且不受电磁干扰等优点，这就使得光纤通信的应用越来越广泛。
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