激光器主要由泵浦源、增益介质、光学谐振腔三个核心部分组成，其工作原理基于受激辐射和光放大。以下是详细解释：

一、激光器的主要组成结构

1. 泵浦源：

   • 作用：为增益介质提供能量（如光能、电能或化学能），使介质中的粒子（原子、分子或离子）从低能级跃迁到高能级（激发态）。
   • 常见类型：
     • 电泵浦：如气体激光器中的放电电极、半导体激光器的电流注入。
     • 光泵浦：如固体激光器（Nd:YAG）中使用闪光灯或激光二极管。
     • 化学泵浦：如化学激光器通过化学反应释放能量。

2. 增益介质（激光工作物质）：

   • 材料：气体（如CO₂、氦氖）、固体（如红宝石、Nd:YAG晶体）、半导体（如GaAs）、液体或光纤。
   • 关键特性：能实现粒子数反转（即高能级粒子数多于低能级），这是激光产生的必要条件。

3. 光学谐振腔：

   • 结构：由两片精密平行的反射镜组成（一端为全反射镜，另一端为部分反射镜）。
   • 作用：
     • 使光在腔内往返多次，通过增益介质不断放大（正反馈）。
     • 部分反射镜输出高方向性的激光束。
   • 特殊设计：法布里-珀罗腔（最常见）。

二、工作原理：受激辐射与光放大

激光产生的核心是受激辐射过程，可分为以下步骤：

1. 泵浦与粒子数反转：

   • 泵浦源将能量注入增益介质，使大量粒子跃迁到激发态（高能级）。
   • 当激发态粒子数 > 基态粒子数时（粒子数反转），介质具备光放大能力。

2. 自发辐射引发受激辐射：

   • 激发态粒子自发辐射光子（方向随机），部分光子沿谐振腔轴线传播。
   • 这些光子与激发态粒子碰撞时，触发受激辐射：一个入射光子引发粒子释放相同频率、相位、方向的光子（相干光）。

3. 光放大与振荡：

   • 光子在谐振腔中多次往返，不断通过受激辐射复制自身（每次通过增益介质强度增加）。
   • 形成持续的光振荡，实现光放大。

4. 激光输出：

   • 当光强超过谐振腔损耗（吸收、散射等）时，从部分反射镜端射出高亮度、高方向性的激光束。

三、关键概念说明

• 受激辐射 vs 自发辐射：

  • 自发辐射：粒子自发释放光子，方向/相位随机（如LED光）。
  • 受激辐射：受外界光子激发，释放与入射光子完全相同的光子（激光的基础）。

• 激光特性来源：

  • 单色性好：只放大特定波长（由增益介质能级差决定）。
  • 方向性好：谐振腔只允许轴向光输出。
  • 相干性高：受激辐射光子相位一致。
  • 高亮度：能量集中在极窄光束内。

总结

激光器通过泵浦源→粒子数反转→受激辐射→谐振腔放大→输出激光的过程，将电能等转化为高度有序的光能。其核心在于利用量子力学受激辐射原理实现光的相干放大，最终输出具有独特性能的激光束。