本文作者雷仕湛、薛慧彬、沈力、李沙沙，来自中国科学院上海光学精密机械研究所，仅供行业交流学习之用，感谢分享！
激光器是一项伟大的发明，它向人类提供了一种非同寻常的新型光源，它的亮度甚至比太阳还高亿倍。一般探照灯照射的距离只有 1 千米左右，而激光可以照亮距离我们 38 万公里的月球 ；它的单色性和相干性也异常地好，单色性比先前有单色性之冠的氪-86 灯还高万倍，它的相干长度达几公里，而其他光源最长的也只有 38 厘米。因此，利用激光能够解决许多之前没办法解决的问题。
一项发明的产生往往源于两方面的推动力 ：一是物理规律内部的探求，二是社会实践的需求。
波长越短的电磁波，单位时间内能够传送的信息越多。光波的波长只有微波的万分之一，在单位时间内能够传送比用微波多近万倍的信息，或者说用同样功率的光波将信息传送的有效距离比用微波延长近万倍。然而，1960 年代前，光学探测系统的性能明显不如微波系统，比如光雷达的探测距离就远小于微波雷达，根本原因是其使用的光源亮度不高。
光学测距机能做到快速、准确的测量。炮兵部队一般都需要配备光学测距机，如我国云南光学仪器厂在抗日战争时期生产了 1 万多台光学测距机，配合炮兵部队有力地打击、消灭敌人。但是受光源亮度的限制，它的最大测量距离大约只有 30 千米。要测量更远目标的距离，就需要亮度很高的光源。
现代科学技术探讨研究和工业生产都涉及长度的精密测量，用光波长做尺子，理论上测量精度可达 0.005 微米。但由于实际使用的光源其相干性和单色性比较差，实际测量精度远低于这个数值。
照相术虽然能够把景物、人物等的影像逼真地记录下来，但是，照片上显示的只是某一个侧面的影像，看不到事物的整体。这是因为照相时漏掉了一项重要信息，即光波的位相。我们大家都知道，光波包含振幅和位相两个参量 ：振幅反映光的强弱，位相反映方位。把光波这两个参量都记录下来，就能够完全记录光波携带的信息，这时候通过照片就能清楚看到三维影像了。基于这一个道理，1948 年，英国科学家盖伯（D. Gabor）发明了一种新型照相术——全息照相。但是，盖伯提出全息照相后很久未能实现，因为要实现全息照相，必须要有相干性很好的光源。
然而，要想大幅度提升光源的亮度和相干性几乎是不可能的，最终的原因是光源内的各发光原子的发光行为没有受到制约，即它们主要是自发辐射跃迁。爱因斯坦在 1917 年发表的“关于辐射的量子理论”论文中提出“受激发射”的概念，利用受激发射跃迁能够使各自独立辐射的分子、原子受到约束，让它们都发射相同波长的光辐射，而且都是朝一个方向发射，这样就可大幅度提高光源的亮度和相干性了。
美国科学家汤斯（C. Townes）曾接受研制波长为厘米级的微波振荡器的任务，但是利用传统的制造方法显然没办法完成任务，于是他决定尝试利用爱因斯坦的受激发射原理制造这种微波振荡器，1954 年 4 月他终于研制成功以受激发射过程为主的新型微波辐射源，并命名为“微波激射器”，它发射单一频率的、相干性非常好的微波。微波激射器的成功给人们研制高亮度、高相干性和单色性光源指出了方向。1958 年汤斯与同在贝尔实验室的研究员肖洛（A. Schawlow）合作，对光学激射器进行了细致研究分析，研究结果发表在 1958 年12 月美国《物理评论》（Phys. Rev.）杂志上。该论文论证了制造光学激射器的可行性、光学激射器的设计原理，并给出了光学振荡条件以及理论计算结果。肖洛和汤斯的《红外与光学量子放大器》论文发表后，世界上几个实验室的科学家便着手研制激光器，经过两年时间的努力，终于在 1960 年 5 月，美国休斯（Hughes）公司实验室的梅曼（T. Maiman）采用红宝石晶体做发射激光的材料，用氙闪光灯做泵浦光源，观察到了激光辐射 ；在同年 7 月，休斯公司在美国纽约举行新闻发布会，向社会公布梅曼的实验结果，宣布研制成功世界第一台激光器。随后 1961 年 9 月，我国也研制成功国内第一台激光器。
梅曼研制成功的激光器给人类展示出一种光子简并度大于 1 的相干光源，它必将引起光学技术革命，意义非同凡响，各国科学家们纷纷积极开展激光器的研究工作，经过 60 年的发展，现在制成的激光器估计有 4 万多种，这中间还包括使用不相同物质形态（如固态的、气态的、液态以及自由电子的）材料做激光工作物质的 ；输出激光形式为连续的或者脉冲的 ；输出激光波长在不同波段的（X 射线波段、紫外波段、可见光波段、红外波段以及远红外波段）；激光器尺寸和输出功率为大型的或微型的等。
常用的激光器主要有：1961 年研制成功氦— 氖气体激光器，1973 年研制成功 CO2 分子激光器，1970 年代和 1980 年代分别研制成功连续高功率横向快速流动和轴向快速流动激光器，连续输出激光功率高达几万瓦，大多数都用在工业生产 ；1960 年代研制成功 Nd:YAG 激光器，1970 年代研制成功半导体激光泵浦的高功率激光器，能量转换效率获得大幅度提升，1980 年代激光功率达到几千瓦，现在达到几万瓦 ；1970 年代研制成功光纤激光器，1980 年代研制成功高功率输出的双包层高功率光纤激光器，连续输出激光功率达万瓦 ；1960 年代研制成功半导体激光器 ；1970 年代研制成功异质结半导体激光器，1980 年代研制成功量子阱半导体激光器，1990 年代研制成功 GaN 基多量子蓝光半导体激光器，现在制造出用于工业应用的高功率半导体激光器，输出激光功率可达几万瓦。大型激光器输出激光功率巨大，占地面积也大，可达足球场那么大，其典型代表是拍瓦激光器，1996 年建在美国利弗莫尔国家实验室的诺瓦（Nova）激光装置是世界上第一台大能量拍瓦激光装置，输出激光峰值功率 1.3 拍瓦，聚焦后产生的功率密度接近 10^21 瓦 / 厘米^2。
在激光器“家族”中，半导体激光器体积最小，重量也最轻，1977 年科学家研制成功的垂直腔面发射半导体激光器（又称微型半导体激光器），整个激光器尺寸是几微米，在一平方厘米面积上可以排布 100 万只激光器。这些激光器是采用分子外延技术，把半导体材料一层一层地叠加起来制成的。
由于激光器的出现，大大扩展了物理学、化学、生物学等学科的内涵，并诞生了多种新学科，如非线性光学、瞬态光学、强激光物理学、激光化学、激光生物学等，对高新技术与交叉学科领域的发展起着重要的推动作用。
激光与物质相互作用出现了先前曾经设想过、但始终未实现的光学现象，也出现了先前没想到的光学现象。1961 年美国的弗兰肯（P. A. Franken）和他的同事们把红宝石激光器发出的波长 694.3 纳米、能量 3 焦耳、脉冲宽度 3 毫秒的激光脉冲通过石英晶片时，观察到一种新现象，在透射光束中除了出现原先红色的激光外，还观察到了一束新光束，它的波长为 347.15 纳米的紫外光，其波长刚好是入射波长 694.3 纳米的一半（即频率加倍），他们把这个现象称为“光倍频”。
此后的一些实验还发现除了发生频率加倍的光波外，还会发生频率三倍、四倍和五倍甚至几十倍的光波。这样一来，利用这个频率变化现象，我们便能借助能量转换效率比较高的红外激光器，获得紫外波段，甚至是 X射线波段的相干光。此后，科学家在利用激光器做光源进行的光学实验中又先后观察到另外一些新型光学现象，如光学混频（两束光频率不同的激光束或者其中一束为普通光源的光束，它们通过介质时出现频率相加或者相减的新光束）、光学自聚焦和自散焦（一定强度的激光束通过介质时发生会聚或者发散）、光学饱和吸收（激光束通过介质时其光学吸收系数随着激光强度增大而减小）、受激光散射（物质在强激光作用下产生具有激光特性的光散射）、瞬态相干效应（物质在短脉冲强激光作用下，在小于物质内部纵向及横向弛豫时间的时域范围内所发生的光学现象，诸如光子回波、光学自由感应衰减、光学章动、自感应透明等）、光束自陷（短脉冲强激光束进入介质自聚焦到最小尺寸后，保持细长丝状在介质中继续传播）等，上述这些光学新现象绝大多数都是在 1960年代发现的，它们在使用普通光源时均未出现过。美国科学家布隆伯根（N. Bloembergen）对这些新型光学现象作了严格的理论分析，并奠定了一门新型光学学科，即非线性光学的理论基础，他的杰出贡献赢得了 1981 年诺贝尔物理学奖。
一些物理变化过程、化学变化过程和生物变化过程经历的时间都非常短暂，时间尺度是皮秒量级，甚至飞秒量级的。比如，视觉系统中的分子异构化、DNA 中碱基对的光修复及质子传递、化学反应中的光解离、光合作用功能体中的光物理过程等，其间经历的时间尺度就非常短，因此我们往往只知道其变化开始时刻和结束时刻的物质状态、物质成分和物质结构，对于其间产生过什么中间状态和物质成分，又是怎样一步步到达最终稳定状态的并不十分了解，若能够准确地测量、了解这些超快过程，将能得到有关这些过程机制极其丰富的信息，这一些信息对物理学、化学和生命科学的发展十分重要，比如农作物是靠光合作用过程把太阳光能量转换成自己生长发育的养分，它被誉为“世界上最重要的化学反应”，但整个反应过程经历的时间大约只有百亿分之一秒。因为其经历的时间实在太短，即使利用研究瞬态现象的高速摄影技术也无能为力，于是长期以来都不完全清楚光合作用的具体过程。科学家说，假如对光合作用过程每一步都了解，就能够找到一些办法控制其中某一步的行进方向，来提高光合作用的效率，调节农作物生长发育的生理过程，改善其对环境条件的适应能力，这是一件很重要的事情。有了激光技术，现在可以探测记录各种瞬态过程了。
激光技术探测瞬态过程的手段主要有 ：用短脉冲激光光束探测瞬态变化 过程，用时间高分辨率激光光谱探测瞬态变化。美国加州理工学院科学家泽维尔（A. H. Zewail）在 1980 年代末用飞秒激光做高速摄影的光源，拍下快速化学反应过程的“慢镜头”照片，显示了化学反应的瞬变过程，实现了减慢时间步伐的梦想，为此他获得了 1999 年诺贝尔化学奖。用一个超短激光脉冲入射到做测量的物质，将它们的原子、分子体激发到指定的能态 , 或将它们特定的某种运动变化微观步骤有选择地进行引发，随后用另一超短脉冲激光在不同延迟时间以后通过这一些物质，“跟踪”探测物质在各瞬间的吸收光谱信号或者散射光谱信号，或者发射的荧光光谱信号，便可知道物质在此瞬间所呈现的状态，综合不同瞬间的光谱资料，便可揭示物质有关微观过程的动态学规律，大大丰富了人类对自然世界的认知。
所谓极端条件是指在地球上用通常手段难以实现的某些物理条件，如极端低温、极端高压、极端高温等，在这些极端条件下的物质，其形态、物态会出现异常的变化。
能够获得绝对温标温度 1 开以下超低温方法主要有 3 种 ：磁制冷、稀释制冷和激光制冷。目前磁制冷技术获得的最低温度是 (1~5)×10^－3 开，稀释制冷技术能获得 1.8×10^－3 开，激光制冷技术能达到 5×10^－6 开的极端低温，科学家正是借助于激光制冷技术造出了新物态物质。根据形态可将物质简单地划分为 6 大类，它们依次是固态、液态、气态、等离子态、玻色— 爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态，其中前面 4 类物态物质已经很常见，而后面两种需要在接近绝对零度、同时又避免发生冻结的低温条件下才会产生，因此直到激光制冷技术成功产生极端低温才能办到。1999 年，美国科罗拉多州美国标准技术研究所的康奈尔（E. A. Cornell）和科罗拉尔大学实验天体物理联合实验室的维曼（C. E. Wieman）使用激光制冷技术成功获得铷原子玻色— 爱因斯坦凝聚态物质，美国麻省理工大学凯特勒（W. Ketterle）成功获得钠原子玻色— 爱因斯坦凝聚态物质。这三位科学家在制造新物态物质领域做出了杰出贡献，共同获得了 2001 年诺贝尔物理学奖。2004 年 1 月 29 日，他们又宣布，借助激光制冷技术成功获得了钾原子费米子凝聚态物质，即创造出第六态物质。
物质在高压下会发生许多有趣的物理现象。在外来压力作用下物质的体积收缩，同时其自由能发生改变 ；物质也会发生结构形态改变，本来是液态的物质会凝固结晶 ；非晶态物质的晶化规律可能改变 ；原为晶体的物质，有几率发生晶体结构或电子结构的变化。在很高的压力作用下，半导体、绝缘体乃至分子固体氢有几率会成为金属态等。利用爆炸、强放电和高速运动物体冲击等产生冲击波，在瞬间可产生超高压力。利用聚能爆炸产生的冲击波目前可产生 5×10^6 个大气压的压强，但是它不容易控制，而且维持的时间短 ；用机械加压方式挤压物体，使其因被压缩而产生超高压，然而实际上获得超高压并非易事。利用激光能够产生很高压强，2000 年中国科学院上海光学精密机械研究所的神光装置Ⅱ输出的激光在靶面产生的压强就高达 3.7×10^12 帕斯卡，是地球中心压强的 1 万多倍，在如此极端高压作用下，原子核之间的距离可能小到 10^－13 厘米，此时原子核不是按通常的同性电荷相排斥性质，而是转为相互吸引，将会发生核聚合反应，释放核聚变能。科学家认为，核聚变能将是人类用之不竭的能源，而且是清洁、环保、安全的能源。
同样的，物质在超高温条件下也会产生种种物理新现象。大部分分子在温度 10^4 开时都会离解成原子，在温度 10^5 开时大部分原子都可能会发生电离，而原子核在温度 10^10 开时大部分会离解成质子和中子。在地球上的实验室里，高温通常是用电学加热，或者用化学燃烧 ( 如火焰 ) 产生的热量而获得。要获得高的温度，需要用加热能力很强的电学或化学手段，而这种能力受物质本身和加热技术的限制。还有一个基本困难是，热物质会产生热辐射，而且辐射量随着它的温度呈 4 次方增长。如温度上升 1 倍，热辐射损失能量增加 16 倍，所以要提供给物体的热能将是巨大的，这必然制约了能轻松的获得的温度最高值。现在，科学家采取了激光技术能够把原子加热到很高温度，1985 年中国科学院上海光学精密机械研究所的激光 12 号装置输出的激光束就能够把物质加热到上千万摄氏度，比地球中心温度还高万倍，与太阳中心的温度相当。
为适应科学技术和生产技术的需要，科学家们利用激光的特点开发了许多新技术，诸如激光光镊技术、激光精密计量测量技术、激光照排技术、激光全息照相技术、激光信息存贮技术、激光推进技术等。
镊子靠物体之间的摩擦力将物体夹住，以实施各种操纵。利用激光能制造出另类镊子——光镊，它是一把无形的镊子，它操纵微粒不是靠机械力或者物体之间的摩擦力，而是靠激光束形成的“光阱”。
会聚的激光束会在光束传播方向上和与之垂直的平面上将形成三维梯度力——光阱 , 落在其中的原子、微粒将被它捕获，并被囚禁在光阱中心。移动光阱中心，便能移动被捕获的原子、微粒 ；或者说，利用光阱力可以操纵原子、微粒。基于这个原理，1986 年美国 AT&T 贝尔实验室科学家阿斯金（A. Ashkin）发明了一种利用一束激光就能够在空间三维控制微粒运动的装置——光镊。因为光束对原子以及微粒不会构成机械损伤，所以光镊操纵是无损伤操作，这是一种十分珍贵的特性，特别是在生物学研究领域中，能够适用于研究单个细胞和生物大分子的行为。比如利用光镊可以分选生物粒子或细胞，使两个或多个生物粒子相互密切接触，便于研究观察它们之间的相互作用等 ；也可以捕获单个活细胞并在细胞内操纵细胞器。利用光镊还能进行染色体切割与分选、细胞转基因操纵、微型手术等精细操作，在动植物基因工程、农产品改良育种等领域有着重要的应用价值。阿斯金因为发明激光光镊及其在生物系统中的应用，获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。
在微观世界中有许多非常微小的粒子、微生物（诸如细胞、细菌、病毒等），我们借助各种电子仪器、光学仪器（如光学显微镜、电子显微镜等）观测它们，了解它们的运动状态和结构，并测量它们的细节尺寸。科学家用一个称为分辨率的物理量衡量这些仪器的观测能力，分辨率比较高意味着仪器的观测本领高。随着科学的发展，研究诸如细胞内分子尺度的动态和结构特征、病毒如何侵犯细胞、药物怎样发挥作用、传递物质怎样从一个神经细胞到达另一个神经细胞等问题，要求显微镜分辨率至少达到 100 纳米级别。然而，显微镜的分辨率是存在极限值的，以光学显微镜来说，其分辨率大约是照明光波长的一半，这是 1873 年德国阿贝（E. Abbe）根据光的衍射效应得到的阿贝分辨率极限，以波长在可见光波段、波长为 400~700 纳米的光照明时，其分辨率大约为 300 纳米，显然达不到 100 纳米要求。现在利用激光技术就能够突破阿贝分辨率极限了。
美国科学家白兹格（E. Betzig）基于激光技术，提出了光激活定位显微镜技术（PALM）概念，找到了超越阿贝分辨率极限、提高光学显微镜分辨率的办法，并发明了一种超越阿贝分辨率极限的光学显微镜。他用低强度、波长 405 纳米的激光照射带有荧光蛋白的生物样品，通过调节 405 纳米激光能量，使一次仅激活出在视野下稀疏分布的几个荧光分子，通过高斯拟合来精确定位这些荧光单分子。在确定这些分子的位置后，再使用波长 488 纳米激光照射它们，漂白这些已经定位的荧光分子，使它们不会被下一轮的激光照射再激活发射荧光。之后再分别用波长 405 纳米和 488 纳米激光激活和漂白其他荧光分子，如此循环这样的激活— 漂白操作多次后，生物样品中所有荧光分子都被作了精确定位，然后将这些荧光分子的图像合成到一张图片上，就得到一张整个生物样品的纳米量级分辨率图像，突破了阿贝分辨率极限。白兹格因为在超越阿贝分辨率极限的显微镜方面做出了杰出贡献，获得了 2014 年度诺贝尔化学奖。
人类从幼儿时就开始接触书和报纸，从中获得科学技术和文化知识。因此，印刷出版物的品种和数量，在一定意义上是一个国家或者一个时代科学文化繁荣的重要标志之一。传统的图书报纸是用铅字印刷 , 工人需先用火熔化金属铅 , 然后再铸成一个个铅字按文稿顺序排版，因此这种印刷技术离不开“铅”与“火”，它不仅能源消耗大、劳动强度高，还存在环境污染，影响身体健康，而且工作效率低，一本书的出版周期长。1978 年 8 月，北京大学王选教授利用激光技术和电子技术成功地研制出“华光型计算机激光汉字编辑排版系统”，它把每一个汉字编成特定的编码存储到计算机，输出时用激光束直接扫描成字，革新了传统印刷工艺。从此汉字告别铅字印刷，进入汉字印刷技术新历史时期。让汉字文明、印刷技术跟上了世界信息化、网络化的步伐。
汉字激光照排的工作效率高、版面灵活、字库齐全 , 成为出版印刷行业技术中的主力军。使用汉字激光照排系统不但消除了铅毒污染、降低了能耗 , 而且图书出版周期大幅缩短。
地球正面临生态环境恶化，各种资源包括粮食、饮用水、矿产、能源等短缺的挑战，同时还会遭遇小行星碰撞地球的威胁。科学家认为，借助激光技术，能帮助人类更好地监测和治理环境污染，探测和开发利用太空资源、海洋资源、信息资源和食物资源等以更精准利用地球资源，激光技术也是防御小行星碰撞地球的重要手段之一。科学家已经在研究借助现有的航天技术和海洋技术，利用激光高分辨率、高灵敏度分析技术探测太空和海洋资源的种类、品质和分布，并研究以激光推进动力的激光飞船，有望将人类快速、安全地送达各个星球，就像在地球上往来于各个城市那样便利，实现广泛开采利用太空矿产资源的愿景。
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