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ee 的距离大于聚焦装置的尺寸。激光则是另一回事。在量子电子出现和激光器*)诞生之后，以束线的形式聚集强大的光通量成为可能。
激光一词是英文短语Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写，翻译过来就是：通过受激辐射放大光。让我们试着弄清楚这句话的意思。我们知道光是以波的形式传播并携带能量的电磁辐射。光波是一种在真空中传播的快速电磁波，速度为。波过程的主要特征是： 波长 - 行波的两个波峰之间的距离和频率 - 表示波峰每秒出现在空间中某个固定点的次数的值。光的波长及其频率与光速通过简单的关系相关。
可见光对应于从到（）的波长和从到的频率（频率 - 每秒一次振动）。
在光波中，电场和磁场会经历空间和时间的周期性变化，类似于无线电波中发生的情况。然而，与无线电波不同，普通光波不是单色的。当从不同源发出的辐射的电波和磁波的周期性变化通常可以重合时，波被认为是单色的。如果频率完全一致，一个波的波峰始终与另一个波的波峰重合，则所得波的振幅加倍。在这种情况下，波被称为同相累加。光之间的相位关系表征了分布
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一个波峰相对于另一波波峰的位置。如果这种相对位置始终保持不变，则这些波称为相干波。 “连贯性”一词的字面意思是连贯性、关联性。相干性的概念在物理学中起着重要作用并被广泛应用。
整体光波不是单色的。事实上，我们看到的光——阳光、荧光灯或白炽灯的光——是由大量单独的独立发射体（原子）发射的，每个发射体都发射光，与其相邻的发射体是否发射光没有任何关系。由于这种混沌发射，构成我们观察到的辐射的光波彼此不相干，并且产生的光波不是单色的。光的非单色性和不相干性转化为光束中光能的集中（因此不可能构建“工程师加林的双曲线”）。
我们知道光是由原子发出的。我们刚才谈到的那些独立的发射体就是原子。在原子水平上，将光辐射表示为连续的光波是不公平的。原子只能以光能的某些部分（光量子）的形式吸收或发射光。量子能量值为，其中是普朗克常数，是光的频率。
可见光量子的能量范围为到。虽然这种能量很小，但光的量子性质却显着地体现在光与物质的相互作用中。与此同时，光并没有失去其发光波的性质，这一性质在所有那些物理关系很重要的现象中表现出来（波的相加、光束的形成等）。因此，光具有其稳定的波动性和微粒性，即粒子固有的性质。
因此，光的微型接收器是原子，在正常条件下会产生非相干辐射量子流。很明显，辐射是由具有一些多余能量的原子（即所谓的受激原子）发射的。但受激发的原子是不稳定的；它可以在没有任何外部原因的情况下自发地发射辐射量子。自发辐射活性是偶然发生的。这种自发发射本质上是不规则且混乱的。这是不连贯的。但发射光能的可能性并不限于自发过程。必须记住，原子的内能只能呈现某些特定值。正如他们所说，原子只能具有一种能量或另一种能量。原子从一个能级到另一能级的跃迁伴随着其内能的变化。当从较低能级跃迁到较高能级时，原子会吸收能量；当原子从较高能级跃迁到较低能级时，会释放能量。因此，从能级 到能级 的跃迁期间，这些跃迁伴随着吸收或发射，由下式给出
除了原子从较高能级到较低能级的自发跃迁之外，还有爱因斯坦描述的一种令人惊奇的受激辐射现象。感应辐射过程与自发辐射的主要不同之处在于它不是单独发生的，而是在外部因素的影响下发生的。
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与原子辐射有关。在这种情况下，次级量子与初级量子无法区分。它们精确地重复了初级量子传播的频率和方向。诱导辐射之所以称为诱导辐射，是因为其发射行为是由原子外部的辐射诱导（引起）的。因此，与许多原子的自发发射不同，受激发射是相干的。
因此，在光学中存在一种适合于获得核心辐射的现象。这是受激辐射。但对于一个原子来说，从高能级跃迁到低能级时受激发射的概率等于从低能级跃迁到高能级时吸收的概率。为了使感应发射战胜吸收，上能级的原子必须多于下能级的原子。但在热平衡条件下，情况恰恰相反：较低能级的原子比高能级的原子多（图1）。当辐射与这样的原子系统相互作用时，将会发生以下情况。部分辐射被吸收，部分原子将移动到较高能级（图2）。如果原子系统经过预先准备，使得上层原子的能量大于下层原子的能量，那么在辐射相互作用期间
图 1
图 2
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在这样的原子系统中，由于有效的感应发射，初始辐射将被放大，如图3所示。由于感应辐射的特性，二次辐射放大了一次辐射，并且是其精确的副本。它们一起构成一个波，其幅度与感应发射行为的数量成比例增加（图4）。至少有两个能级存在高能级被低能级占据的原子系统称为粒子数反转系统。颠倒这个词的意思是颠倒，颠倒事物的正常顺序。
因此，量子电峰值作为一门科学的基础一般是感生辐射的放大，而激光器的主要内容是在具有粒子数反转的系统中使用感生辐射来正确放大和生成光波。
这里的差异应该由放大和生成来支持。光放大器用于增加到达其输入的光波的电场电压。放大器的输出必须产生更强烈但更准确的输入辐射。从这个意义上说，光放大器与其前身无线电放大器完全相似。光发生器必须是光辐射源，直接源自发生器并从发生器射入外部空间。
为了使光发生器运行，需要反馈。其执行如下。具有粒子数反转的原子系统位于两个严格平行的镜子之间。
图 4
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在镜子之间的某个点，辐射自发地产生。它向镜子传播，并随着传播而增强。当光波到达镜子时，会被反射并折回。如果反射波的波峰与入射波的波峰重合，则波相互增强。为此，镜子之间的距离必须是整数半长的倍数。一般来说，镜子之间铺设有数十万个半身。发射的能量积聚在镜子之间的空间中并影响原子系统，引起受激发射。如果感应辐射的功率超过了加热镜子、散射以及进入外部空间的有用辐射所不可避免的损失的功率，那么就会产生微不足道的光波。由于受激辐射的特性，该波是高度单色的。所有原子同步工作。这就是它们通过反馈被迫工作的方式，反馈是通过镜子之间积累的辐射进行的。
对于激光的使用来说，非常重要的是，在受激发射过程中，二次量子不仅重复一次量子的频率，而且重复一次量子的传播方向。因此，激光辐射不仅具有高度的单色性，而且具有理想的方向性。因此，灯线的形成是自动的。
在继续描述激光器本身之前，让我们通过以下一组类比来完成对量子电子学基础知识的介绍。让我们想象一下一个大型体育场的看台上充满了数千个大量子的激情。比赛开始前，大佬们谈论什么，抛出什么，但各自独立。产生强烈、平滑的噪音。比赛开始了，所有人都愣住了。安静的。然后突然间，从某个地方开始，它增长并达到震耳欲聋的力量，发出一声“谢-嘘，谢-嘘”。大家齐声尖叫，同步尖叫，达到了激光般的效果。
第一个激光器使用红宝石——一种氧化铝（Al2O₃）单晶。在红宝石晶体中，一些铝原子被铬原子取代。浓度约为 0.05% 时，铬杂质赋予红宝石特有的粉红色。
红宝石中的粒子数反转是利用三个能级和辅助泵浦辐射来实现的。在三能级方法中，为了增加较高能级的原子数量或（等效地）减少较低能级的原子数量，使用强大的辅助辐射，它将工作能级之一与第三辅助能级连接并将原子向上泵送。
目前，创纪录的能量和脉冲功率是由红宝石激光器和掺钕玻璃激光器产生的。因此，它们是最受关注的。
红宝石激光器的主要元件是高度均匀的合成红宝石晶体。晶体通常呈圆柱体形状，直径为0.4÷2厘米，长度为3÷20厘米。激发源是闪光灯。按如下方式提高产量。由于吸收了闪光灯辐射中包含的绿光或蓝光，铬原子在闪光之前处于较低的未激发态，从而进入激发态（图5）。处于上激发能级的原子的寿命很短（小于 10⁻⁷ 秒）。它们迅速移动到较低的激发能级，向晶格释放多余的能量，即加热晶体。在新的兴奋水平下，时间为 10⁻3 秒。因此，这个能级被称为亚稳态。
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它的原子进入基态非激发态，并发射光谱红色区域的光量子。
当足够强大时，将足够数量的粒子转移到亚稳态以产生强反转。
使用大功率气体放电灯作为泵浦灯。最初，它们被制成包围晶体的螺旋形式。如今，通常使用与水晶平行安装的更强大的棒状灯。灯以脉冲模式运行。闪光脉冲的持续时间大约为不到一秒 (1 ms)。闪光灯由高达 10,000 微法的电容器电池产生，充电电压高达数千伏。当通过灯放电时，电容器在一个脉冲中分离出数十甚至数十万焦耳的能量。每个脉冲的泵浦功率可以超过一千万瓦。
只有部分闪光灯辐射能量（到达光谱的绿色和蓝色部分）会激发铬离子。其余的都变成热量。
使用脉冲模式有两种情况。首先，高功率泵浦光源难以连续工作。其次，晶体在长时间激发过程中会急剧升温并失去光学均匀性。
当然，在脉冲泵浦过程中，发电本质上也是脉冲的。在这种情况下，晶体中获得的反转可以通过两种方式实现。让我们考虑一下这两种可能性。
让反射镜调谐至共振并牢固固定。然后，一旦足够数量的粒子在亚稳态积累，生成就开始，只要泵浦有效，生成就会持续下去。一般来说，这种所谓的自由生成在闪存启动后 100÷300 ms 开始，持续 1 ms。
在自由发电模式下，具有强大泵浦功能的大晶体每个脉冲可产生高达 1000 焦耳的能量。这对应于高达数百万瓦的脉冲功率。
另一种模式是通过在反转达到最大值时打开共振镜来实现。然后，所有在亚稳态积累的粒子几乎立即发射出去，发生器产生一个非常短的辐射脉冲，长度非常短，为 10⁻⁸÷10⁻⁹ 秒，能量相对较低（大约三焦耳）。但由于这种能量在很短的时间内释放，
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那么叶轮的最大功率达到3亿-30亿瓦。
这里出现了关于激光效率（efficiency）的问题。从上面的估计可以清楚地看出，只有一小部分泵浦能量被转换成激光辐射。在自由产生模式下，红宝石激光器的效率不到1%，在巨脉冲模式下则更低。
那么激光给出的增益是多少呢？
事实是，虽然我们损失了辐射能量的数量，但我们却获得了不可估量的质量。这种新的品质——单色性和方向性——是由于受激发射效应的特性而产生的。
红宝石激光辐射的波长为6943 Å = 6.943·10⁻⁵ cm。而在该波长附近，宽度为 0.1 Å 量级的非常窄的区间内，包含了所有的激光功率。可见光热源的辐射光谱宽度约为 3000 Å，即 30,000 倍。
最强大的热光源之一 - 我们的太阳 - 在可见光中从一平方厘米的表面发出 8·10³ W/cm² 的功率。在这种情况下，0.2 W/cm² 相当于 0.1 Å 的波长间隔。卢布激光器在此范围内产生 10⁶ ÷ 10⁹ W/cm²！
电子场对应值为3·10⁴÷10⁶ W/cm²。相同波长范围内的太阳会产生 12 W/cm² 的场。
激光辐射的新质量可以如下说明。原则上，太阳辐射不能将任何物体加热到6000°C以上的温度。比太阳更亮的气体放电灯发出的光辐射无法将人体加热到 10,000°C 以上的温度。但是，当来自气体放电灯的相同辐射，即使能量损失很大，转换成光谱能量密度比原来大数十亿倍的激光单色辐射时，也可以将身体加热到几百万度。
晶体激光器也可以在连续模式下运行。但是，当然，脉冲激光可以提供更大的功率。
气体激光器有些与众不同。目前，使用电子放电产生的气体的激光器的工作频率范围很广——从紫外线辐射到远红外线。气体激光器的主要结构元件是气体放电管，即在气体中维持电子放电的管子。一般气体被稀薄至低于大气压100÷1000倍的压力。管材为玻璃或石英。根据用途，管的长度范围为 5 cm 至 50 m。气体激光器的气体放电管与霓虹灯广告灯管非常相似。激光镜要么直接安装在气体放电管的末端，要么安装在外部，但在任何情况下都严格垂直于管轴。
目前最常见的现象是氖氦激光连续作用于