原理
自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，産生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩态能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量後激發到激發态，為實現并維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見光學諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔内的光子有一緻的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相幹性。而且，它可以很好地縮短工作物質的長度，還能通過改變諧振腔長度來調節所産生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。
組成
除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，裝置的必不可少的組成部分包括激勵（或抽運）、具有亞穩态能級的工作介質和諧振腔（見光學諧振腔）3部分。激勵是工作介質吸收外來能量後激發到激發态，為實現并維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。諧振腔可使腔内的光子有一緻的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的定向性和相幹性。
波長
術語解釋
激光工作物質：指用來實現粒子數反轉并産生光的受激輻射放大作用的物質體系，有時也稱為激光增益媒質，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質。對激光工作物質的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現較大程度的粒子數反轉，并使這種反轉在整個激光發射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質具有合适的能級結構和躍遷特性。
激勵(泵浦)系統：是指為使激光工作物質實現并維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。根據工作物質和激光器運轉條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。①光學激勵(光泵)。是利用外界光源發出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質内發生的氣體放電過程來實現粒子數反轉的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學激勵。是利用在工作物質内部發生的化學反應過程來實現粒子數反轉的，通常要求有适當的化學反應物和相應的引發措施。④核能激勵。是利用小型核裂變反應所産生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質并實現粒子數反轉的。
光學共振腔：通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔内多次往返以形成相幹的持續振蕩。②對腔内往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對腔内不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
基本分類
激光器的種類是很多的。下面，将分别從激光工作物質、激勵方式、運轉方式、輸出波長範圍等幾個方面進行分類介紹。
按工作物質分類 根據工作物質物态的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：
①固體（晶體和玻璃）激光器，這類激光器所采用的工作物質，是通過把能夠産生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質中構成發光中心而制成的；
②氣體激光器，它們所采用的工作物質是氣體，并且根據氣體中真正産生受激發射作用之工作粒子性質的不同，而進一步區分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；
③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液，其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機化合物液體（如SeOCl）則起基質的作用；
④半導體激光器，這類激光器是以一定的半導體材料作工作物質而産生受激發射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間，通過激發非平衡載流子而實現粒子數反轉，從而産生光的受激發射作用；
⑤自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，隻要改變自由電子束的速度就可産生可調諧的相幹電磁輻射，原則上其相幹輻射譜可從X射線波段過渡到微波區域，因此具有很誘人的前景。
按激勵方式分類
①光泵式激光器。指以光泵方式激勵的激光器，包括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器，以及少數氣體激光器和半導體激光器。
②電激勵式激光器。大部分氣體激光器均是采用氣體放電（直流放電、交流放電、脈沖放電、電子束注入）方式進行激勵，而一般常見的半導體激光器多是采用結電流注入方式進行激勵，某些半導體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵。
③化學激光器。這是專門指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的激光器，反希望産生的化學反應可分别采用光照引發、放電引發、化學引發。
④核泵浦激光器。指專門利用小型核裂變反應所釋放出的能量來激勵工作物質的一類特種激光器，如核泵浦氦氩激光器等。
按運轉方式分類 由于激光器所采用的工作物質、激勵方式以及應用目的的不同，其運轉方式和工作狀态亦相應有所不同，從而可區分為以下幾種主要的類型。
①連續激光器，其工作特點是工作物質的激勵和相應的激光輸出，可以在一段較長的時間範圍内以連續方式持續進行，以連續光源激勵的固體激光器和以連續電激勵方式工作的氣體激光器及半導體激光器，均屬此類。由于連續運轉過程中往往不可避免地産生器件的過熱效應，因此多數需采取适當的冷卻措施。
②單次脈沖激光器，對這類激光器而言，工作物質的激勵和相應的激光發射，從時間上來說均是一個單次脈沖過程，一般的固體激光器、液體激光器以及某些特殊的氣體激光器，均采用此方式運轉，此時器件的熱效應可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。
③重複脈沖激光器，這類器件的特點是其輸出為一系列的重複激光脈沖，為此，器件可相應以重複脈沖的方式激勵，或以連續方式進行激勵但以一定方式調制激光振蕩過程，以獲得重複脈沖激光輸出，通常亦要求對器件采取有效的冷卻措施。
④調激光器，這是專門指采用一定的開關技術以獲得較高輸出功率的脈沖激光器，其工作原理是在工作物質的粒子數反轉狀态形成後并不使其産生激光振蕩(開關處于關閉狀态)，待粒子數積累到足夠高的程度後，突然瞬時打開開關，從而可在較短的時間内（例如10～10秒）形成十分強的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出。
⑤鎖模激光器，這是一類采用鎖模技術的特殊類型激光器，其工作特點是由共振腔内不同縱向模式之間有确定的相位關系，因此可獲得一系列在時間上來看是等間隔的激光超短脈沖（脈寬10～10秒）序列，若進一步采用特殊的快速光開關技術，還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖。
⑥單模和穩頻激光器，單模激光器是指在采用一定的限模技術後處于單橫模或單縱模狀态運轉的激光器，穩頻激光器是指采用一定的自動控制措施使激光器輸出波長或頻率穩定在一定精度範圍内的特殊激光器件，在某些情況下，還可以制成既是單模運轉又具有頻率自動穩定控制能力的特種激光器件。
⑦可調諧激光器，在一般情況下，激光器的輸出波長是固定不變的，但采用特殊的調諧技術後，使得某些激光器的輸出激光波長，可在一定的範圍内連續可控地發生變化，這一類激光器稱為可調諧激光器。
按輸出波段範圍分類 根據輸出激光波長範圍之不同，可将各類激光器區分為以下幾種。
①遠紅外激光器，輸出波長範圍處于25～1000微米之間，某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區域。
②中紅外激光器，指輸出激光波長處于中紅外區(2.5～25微米)的激光器件，代表者為CO分子氣體激光器(10.6微米)、CO分子氣體激光器（5～6微米）。
③近紅外激光器，指輸出激光波長處于近紅外區（0.75～2.5微米）的激光器件，代表者為摻钕固體激光器（1.06微米）、CaAs半導體二極管激光器(約0.8微米)和某些氣體激光器等。
④可見激光器，指輸出激光波長處于可見光譜區（4000～7000埃或0.4～0.7微米）的一類激光器件，代表者為紅寶石激光器（6943埃）、氦氖激光器（6328埃）、氩離子激光器（4880埃、5145埃）、氪離子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可調諧染料激光器等。
⑤近紫外激光器，其輸出激光波長範圍處于近紫外光譜區（2000～4000埃），代表者為氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)準分子激光器（3511埃、3531埃）、氟化氪(KrF)準分子激光器(2490埃)以及某些可調諧染料激光器。
⑥真空紫外激光器，其輸出激光波長範圍處于真空紫外光譜區(50～2000埃）代表者為（H）分子激光器(1644～1098埃)、氙(Xe)準分子激光器（1730埃）等。
⑦X射線激光器，指輸出波長處于X射線譜區（0.01～50埃）的激光器系統，目前軟X射線已研制成功，但仍處于探索階段。
安全分類
I級：這種激光器不會構成任何已知程度的傷害。
I.A.級：這是一個特殊的級别，指“不适宜用眼睛直接觀看”的激光器，比如超市使用的激光掃描器。此級别激光器的最高限定功率為4.0毫瓦。
II級：指低功率可見光激光器，其發射功率比I級高，但是輻射功率不高于1毫瓦。人類對強光的自動防禦反應可以保護人類不受傷害。
IIIA級：指中低功率激光器（連續波：1-5mW），隻有光束内視的情況下才會構成危險。多數的筆狀激光指示器都屬于該級别。
IIIB級：指普通功率的激光器。
IV級：指高功率激光器（連續波：500毫瓦，脈沖波：10J/cm2或漫反射極限值），任何情況下，無論直接還是間接觀測都有危險，而且可能引發火災或灼傷皮膚。IV級激光設備必須接受嚴格的控制。
發明溯源
激光器的發明是20世紀科學技術的一項重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數量極大、運動極混亂的分子和原子的發光過程，從而獲得産生、放大相幹的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。激光科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。
激光器的誕生史大緻可以分為幾個階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處于高能态的物質粒子受到一個能量等于兩個能級之間能量差的光子的作用，将轉變到低能态，并産生第二個光子，同第一個光子同時發射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相幹光，即如多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
此後，量子力學的建立和發展使人們對物質的微觀結構及運動規律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的産生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生後，被很快應用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統的相互作用，并研制出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發展都為激光器的發明創造了條件。
如果一個系統中處于高能态的粒子數多于低能态的粒子數，就出現了粒子數的反轉狀态。那麼隻要有一個光子引發，就會迫使一個處于高能态的原子受激輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發其他原子受激輻射，這樣就實現了光的放大；如果加上适當的諧振腔的反饋作用便形成光振蕩，從而發射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數反轉，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍後，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先後提出了利用原子和分子的受激輻射原理來産生和放大微波的設計。
然而上述的微波波譜學理論和實驗研究大都屬于“純科學”，對于激光器到底能否研制成功，在當時還是很渺茫的。但科學家的努力終究有了結果。1954年，前面提到的美國物理學家湯斯終于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地開創了利用分子和原子體系作為微波輻射相幹放大器或振蕩器的先例。
湯斯等人研制的微波激射器隻産生了1.25厘米波長的微波，功率很小。生産和科技不斷發展的需要推動科學家們去探索新的發光機理，以産生新的性能優異的光源。1958年，湯斯與姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器與光學、光譜學的理論知識結合起來，提出了采用開式諧振腔的關鍵性建議，并預防了激光的相幹性、方向性、線寬和噪音等性質。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現受激輻射光放大的原理性方案。此後，世界上許多實驗室都被卷入了一場激烈的研制競賽，看誰能成功制造并運轉世界上第一台激光器。
1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅裡達州邁阿密的研究實驗室裡，勉強赢得了這場世界範圍内的研制競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶裡的鉻原子，從而産生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。“梅曼設計”引起了科學界的震驚和懷疑，因為科學家們一直在注視和期待着的是氦氖激光器。盡管梅曼是第一個将激光引入實用領域的科學家，但在法庭上，關于到底是誰發明了這項技術的争論，曾一度引起很大争議。競争者之一就是“激光”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發明者湯斯與肖洛也發展了有關激光的概念。經法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個月而成為勝者。不過梅曼的激光器的發明權卻未受到動搖。
1960年12月，出生于伊朗的美國科學家賈萬率人終于成功地制造并運轉了全世界第一台氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學家幾乎同時發明了半導體激光器。1966年，科學家們又研制成了波長可在一段範圍内連續調節的有機染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網的化學激光器等紛紛問世。
由于激光器具備的種種突出特點，因而被很快運用于工業、農業、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各方面，并在許多領域引起了革命性的突破。比如，人們利用激光集中而極高的能量，可以對各種材料進行加工，能夠做到在一個針頭上鑽200個孔；激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段，已在醫療、農業的實際應用上取得了良好效果；在通信領域，一條用激光柱傳送信号的光導電纜，可以攜帶相當于2萬根電話銅線所攜帶的信息量；激光在軍事上除用于通信、夜視、預警、測距等方面外，多種激光武器和激光制導武器也已經投入實用。
随着人類對激光技術的進一步研究和發展，激光器的性能将進一步提升，成本将進一步降低，但是它的應用範圍卻還将繼續擴大，并将發揮出越來越巨大的作用。
研究發展
1、氣體激光器
在氣體激光器中，最常見的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是繼第一台紅寶石激光器之後不久，于1960年在美國貝爾實驗室裡由伊朗物理學家賈萬制成的。由于氦氖激光器發出的光束方向性和單色性好，可以連續工作，所以這種激光器是當今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密測量、準直定位上。
氣體激光器中另一種典型代表是氩離子激光器。它可以發出鮮豔的藍綠色光，可連續工作，輸出功率達100多瓦。這種激光器是在可見光區域内輸出功率最高的一種激光器。由于它發出的激光是藍綠色的，所以在眼科上用得最多，因為人眼對藍綠色的反應很靈敏，眼底視網膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光。因此，用氩離子激光器進行眼科手術時，能迅速形成局部加熱，将視網膜上蛋白質變成凝膠狀态，它是焊接視網膜的理想光源。氩離子激光器發出的藍綠色激光還能深入海水層，而不被海水吸收，因而可廣泛用于水下勘測作業。
2、液體、化學和半導體激光器
液體激光器也稱染料激光器，因為這類激光器的激活物質是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發它們發射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發出很短的光脈沖。液體激光器發出的激光對于光譜分析、激光化學和其他科學研究，具有重要的意義。
化學激光器是用化學反應來産生激光的。如氟原子和氫原子發生化學反應時，能生成處于激發狀态的氟化氫分子。這樣，當兩種氣體迅速混合後，便能産生激光，因此不需要别的能量，就能直接從化學反應中獲得很強大的光能。這類激光器比較适合于野外工作，或用于軍事目的，令人畏懼的死光武器就是應用化學激光器的一項成果。
在當今的激光器中，還有一些是用半導體制成的。它們叫砷化镓半導體激光器，體積隻有火柴盒大小，這是一種微型激光器，輸出波長為人眼看不見的紅外線，在0、8～0、9微米之間。由于這種激光器體積小，結構簡單，隻要通以适當強度的電流就有激光射出，再加上輸出波長在紅外線光範圍内，所以保密性特别強，很适合用在飛機、軍艦和坦克上。
3、固體激光器
前面所提到的紅寶石激光器就是固體激光器的一種。早期的紅寶石激光器是采用普通光源作為激發源。現在生産的紅寶石激光器已經開發出許多新産品，種類也增多。此外，激勵的方式也分為好幾種，除了光激勵外，還有放電激勵、熱激勵和化學激勵等。
固體激光器中常用的還有钇鋁石榴石激光器，它的工作物質是氧化鋁和氧化钇合成的晶體，并摻有氧化钕。激光是由晶體中的钕離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業上。此外，钇鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白内障和青光眼十分有效。
4、“隐身”和“變色”激光器
另外還有兩種較為特殊的激光器。一種是二氧化碳激光器，可稱“隐身人”，因為它發出的激光波長為10、6微米，“身”處紅外區，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續、脈沖兩種。連接方式産生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式産生的波長10、6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現是激光發展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它的一端貼上鍍金反射鏡片，另一端貼一塊能讓10、6微米紅外光通過的鍺平面鏡片作為紅外激光輸出鏡。一般的玻璃鏡片不讓這種紅外光通過，所以個能做輸出鏡。放電管放電時發出粉紅色的自發輻射光，它産生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發出耀眼的白光。做實驗時，一不小心就會把自己的衣服燒壞，裸露的皮膚碰到了也要燒傷，所以這種激光器上都貼着“危險”的标記，操作時要特别留神。
二氧化碳激光器形式很多。放電管最長的達200多米，要占據很大的場地。科學家想出辦法，将筆直的放電管彎成來回轉折的形狀，或是把放電管疊起來安裝，将它們的實際長度壓縮到20米左右；為了使激光器的光路不受振動的影響，整個器件安放在地下室粗大的管道内。後來發明的一種稱為橫向流動的二氧化碳激光器，長度縮到隻有一張大辦公桌那樣長短，能射出幾千瓦功率的激光。這樣的激光器已被許多汽車拖拉機廠用來加工大型零件。輸出功率更大的一種二氧化碳激光器結構像大型噴氣發動機，開動起來聲音響得吓人，它能産生上百萬瓦的連續激光，是連續方式發射激光中的最強者。最初的激光打坦克靶實驗，用的就是這種激光器。它是科學家把空氣動力學和激光科學相結合而制造出來的。
以脈沖方式發射的二氧化碳激光器也有很多種，在科研和工業中用途極廣。如果按每一脈沖發出的能量大小作比較，那麼，脈沖二氧化碳激光器又是脈沖激光器中的最強者。回到激光先驅者湯斯曾經研究過的問題上來，談一談毫米波的産生。随着激光技術的發展，許多科學家對這一難題又發起了進攻：采用放電或利用強大的二氧化碳激光作為激勵源去激發氟甲烷、氨等氣體分子，一步步地把發射出來的激光波長延長，擴展。開始達幾十微米，後來達幾百微米，也就是亞毫米波了。本世紀60年代中期到70年代中期，随着微波技術的發展，科學家根據激光的原理和方法産生了毫米波。這樣，從光波到微波之間的空白地帶便被不斷發現的新紅外激光填補了。
從研究中，科學家發現毫米波很有實用價值：大氣對它的吸收率很小、阻礙它傳播的影響也小，可以用它來作為新的大氣通訊工具。另一種比較特殊、新穎的激光器，可以形象地稱它為“變色龍”。它不是龍，但确實能變色；隻要轉動一個激光器上的旋鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顔色的激光。這種激光器的工作物質确實就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。科學家至今還沒有弄清楚這些染料的分子能級和原子結構，隻知道它們與氣體工作物質的氣體原子、離子結構不一樣；氣體産生的激光有明确的波長，而染料産生的激光，波長範圍較廣，或者說有多種色彩。染料激光器的光學諧振腔中裝有一個稱為光栅的光學元件。通過它可以根據需要選擇激光的色彩，就像從收音機裡選聽不同頻率的無線電台廣播一樣。
染料激光器的激勵源是光泵，可以用脈沖氙燈，也可以用氮分子激光器發出的激光。用一種顔色的激光作光泵，結果能産生其他顔色的激光可以說是染料激光器的特點之一。這種根據需要可以随時改變産生激光的波長的激光器，主要用于光譜學研究；許多物質會有選擇地吸收某些波長的光，産生共振現象。科學家用這些現象分析物質，了解材料結構；還用這些激光器來産生新的激光，研究一些奇異的光學和光譜學現象。
美國展出世界最大激光器
世界最大的激光器是“國家點火裝置”，國家點火裝置激光器位于一座十層樓的建築内，由一百九十二束激光組成，每個光束能在千分之一秒内行進一千英尺，激光器将所有光束集中在一個直徑隻有零點五毫米的目标上，并在十億分之一秒内産生巨大能量，這種能量與一顆恒星誕生時産生的能量相當，是座落在美國羅切斯特大學内的世界第二大激光器的六十倍。
國家點火裝置有三大任務：測試美國核武儲備的可靠性，探索宇宙起源以及為以後使用核聚能源鋪平道路。能源部表示，國家點火裝置的完成，将确保美國更安全，能源更獨立，同時為科學發展和探索開啟新途徑。
