当玻璃、晶体或气体等光学材料中原子中的电子吸收电流或光的能量时,就会产生激光。这种额外的能量“激发”了电子,足以从原子核周围的低能轨道移动到高能轨道。在激光中,光子以三种方式与原子相互作用:吸收辐射、自发发射和受激发射。1958年,贝尔电话实验室的查尔斯·汤森和亚瑟·沙洛提出了激光器的基本工作原理。1960年,休斯研究实验室(Hughes Research Laboratories)的西奥多·迈曼(Theodor Maiman)演示了第一台真正的激光器。激光器的工作原理基于自发吸收、自发发射、受激发射和布居反转吸收。原子由不同的能态组成。当电子从光子或光中吸收的能量等于两个能级(E2–E1)的能量差时,它获得足够的能量并从基态(E1)跳到激发态(E2)。当发射的光子多于吸收的光子时,就会产生激光。激光具有某些独特的特性,使激光的聚焦比普通光好几百倍。这些特性是单色性、连贯性、方向性和清晰度。

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