激光是受激辐射光放大的缩写。当然，激光器*初是由分立元件组成的。*基本的激光器由含有激光介质的圆柱体组成，激光介质是一种当暴露于外部能量源时会发光的材料。增益介质可以是气体、液体、固体或等离子体。**个工作激光器采用掺杂合成红宝石棒作为增益介质。如今，许多激光器都采用气体激光介质。
该圆柱体被称为光学腔，其尺寸被设计成能够在所需的光频率下谐振。圆柱体的两端各有一面镜子。镜子的反射面朝内并且彼此**对准。反射表面允许光子通过增益介质来回反射，它们的能量从外部能量源(称为泵)上升。一面镜子是完全反光的。另一个通常具有
95% 的反射率，允许发射一部分光子以形成相干激光束。
激光发射过程从将能量泵入增益介质开始。激发机制通常是光。泵浦使大部分增益介质分子进入激发态。一些泵入的能量存储在受激分子内的电子中。当电子自发下降到较低状态或基态时，这种能量就会被释放。这种自发发射释放的一些光子通过侧面离开增益介质，而其他光子则充当产生受激发射的触发器，当释放的光子经过仍处于激发态的分子附近时就会产生受激发射。
受激发射释放的光子是相干的并且沿同一方向传播。因此，当光穿过活性介质时，会产生光子雪崩。光子撞击部分反射镜，使一部分光以激光束的形式射出。其余的光反射回增益介质。只要能量被泵入增益介质并且分子保持在激发态，激光发射过程就会持续下去。
然而，也有一些变化。在一些设计中，镜子被省略，因为光子在单次通过中获得足够的能量。
激光器可分为连续模式或脉冲模式，具体取决于输出是否始终开启或是否以固定占空比运行。连续模式激光器可以在脉冲模式下工作，但脉冲模式激光器通常不能在连续模式下以额定功率工作，因为它会很快过热。脉冲模式激光器的一个基本原理是，与连续模式激光器相比，它能够发出更强大的短脉冲。激光器有许多不同类型，主要根据激光介质进行分类。气体激光器很常见，尤其是氦氖
(HeNe) 激光器，它可以在多种频率下工作。大多数设计为在 633 nm 下运行。它们相对便宜并且在光学研究设施中普遍存在。
二氧化碳 (CO 2 ) 激光器可以输出数百瓦的功率，这些功率可以集中在一个小目标上，从而导致巨大的温升。发射的是红外光，波长为 10.6
μm，效率相对较高，通常大于 30%。主要应用是金属切割和焊接。
金属离子气体激光器，例如氦银 (HeAg) 和氖铜 (NeCu)，在紫外线区域运行。增益介质具有窄(0.5
pm)光谱发射，因此它们用于专门的光谱应用。
化学激光器由化学反应提供动力，本质上是爆炸，因此其中许多都是一次性设备。
具有晶体或掺杂玻璃棒的固态激光器是原始铬掺杂红宝石激光器的后继者。粒子数反转发生在掺杂剂中。它们用于切割和焊接以及光谱和泵浦染料激光器。不要将它们与产生红外光束的半导体(二极管)激光器混淆。
染料激光器使用液体溶液中的有机染料作为激光介质。与气体和固态激光介质相比，其优势在于可以实现更广泛的波长范围，通常跨越 100
nm。这一特性在可调谐和脉冲激光器中很有用。脉冲可短至 16 fsec，从而允许巨大的峰值功率。
除了液体激光介质外，染料激光器有时采用固态激光器的形式，并以有机染料作为掺杂剂。需要高能量源将激光介质泵送到其激光阈值以上。该光源可以是快速放电闪光管或其他激光器。谐振腔通常是水冷的。由于光的存在会分解有机染料，因此激光溶液通常通过大型外部罐进行再循环。
然后是二极管激光器。这里，pn 结由两层掺杂砷化镓形成。这pn结的长度与发射光的波长有**的关系。高反射表面位于 pn
结的一端，部分反射表面位于另一端，形成光子谐振腔。
在操作中，激光二极管是正向偏置的。当电子穿过结时，就像普通二极管一样，会发生载流子复合。当电子落入空穴中重新组合时，它们会释放光子。释放的光子可以撞击原子，导致另一个光子释放。随着正向电流的增加，更多的电子进入耗尽区并引起更多的光子发射。*终，一些在耗尽区内随机漂移的光子垂直撞击反射表面。这些反射的光子沿着耗尽区移动，撞击原子并通过雪崩效应释放额外的光子。
随着更多光子的产生，光子的来回运动增加，直到穿过 pn
结部分反射端的光子形成激光。以这种方式产生的光子具有相同的能级、相位关系和频率。激光二极管具有电流阈值水平，高于该阈值水平会发生激光动作，低于该电流水平则二极管的行为基本上与普通
LED 相同。
二极管激光器有多种类型。双异质结构激光二极管具有夹在两种 p 型和 n
型材料之间的不同材料的附加限制层。不同材料之间的每个结称为异质结构。这种结构的优点是将有源区域限制在薄层中，从而提供更好的光学放大。
量子阱激光二极管具有充当量子阱的薄中间层。电子从较高能级下降到较低能级时使用量子能级。此操作提高了效率。
分离约束异质结构激光二极管的动机是量子阱激光二极管中的薄中间层太小以至于损害了有效限制发射光的能力。为了补偿，单独的限制异质结构激光二极管在三个初始层上添加了两个层。这些层具有较低的折射率，有助于限制发射的光。
前面讨论的所有激光二极管都具有垂直于电流的光学腔。在垂直腔表面发射激光二极管 (VCSEL)
中，光学腔沿着电流轴。部分反射镜位于光学腔的末端附近。
激光的主要测量设备是光功率计(或激光功率计)。它测量光束中的光功率(每单位时间传递的能量)。通常，它仅显示接收高脉冲重复率脉冲串时的平均功率。其他仪器称为光能量计，测量脉冲能量。
大多数功率计基于热探测器的原理：它们通过带有黑色涂层的吸收器结构将光功率转换为热功率。他们使用热电堆来测量由此产生的温升(或者实际上是吸收器和安装座之间的温差)。热功率计适用于测量大约
10 mW 到几千瓦之间的平均功率。热功率计精度适中，灵敏度与波长相当无关，并且速度相对较慢。
光功率计也可以用光电二极管制成，通常基于硅、近红外锗和砷化铟镓，尽管后一种类型可能很昂贵。当激光照射光电二极管检测器时，光会产生与光强度成比例且取决于波长的电流。光电二极管光功率计可以测量微瓦级甚至更低的功率，并且可以使用合适的衰减器测量更高的光功率。但它们比热功率计更脆弱，因为它们更容易被高光强度损坏。
激光功率计*常见的规格包括平均功率、功率密度、能量、能量密度、重复率等。仪表制造商通常建议用户在测量其功率之前让感兴趣的激光器达到稳定点，通常在 20 到
30 分钟之间，因为随着激光器达到平衡，光学元件的特性往往会发生变化。其他建议包括确保光束为仪表光学孔径的 40% 至
60%，因为光束太小会增加探测器在测量过程中损坏的可能性。对于基于光电二极管的设备尤其如此;即使在损坏发生之前，也可能存在导致读数**的局部饱和效应。
还需要记住的是，基于热的探测器通常具有仅对一种特定激光波长有效的 NIST
可追踪灵敏度值。探测器光谱范围内其他位置的激光器需要波长校正因子。校正通常是自动的，但也可以是手动过程。
基于光电二极管的仪表还可以处理较宽的波长范围。采用硅基二极管的二极管通常工作在近紫外光到略高于红外光的范围内，但具有不同的响应度。
电噪声设定了*小测量范围，噪声通常来自传感器头。制造商通常将*低范围设置为测量不确定度至少比*大功率低 10 至 20
dB。基于光电二极管的功率传感器比热敏传感器更灵敏——它们的*低测量范围通常在微瓦范围或更小。像这样的敏感测量通常意味着在黑暗的实验室中工作。
对于特定测量范围内接近*大值的功率，典型的测量精度约为 ±3% 或 ±5%。远低于*大值的测量结果可能不太准确。
*后，由于热功率传感器使用加热来测量光功率，因此速度相对较慢，大约为 0.2 秒到几秒。普通的基于光电二极管的功率计速度更快，但速度并不明显。
