激光有什麼神奇之處？

12-25

激光在生活中的應用越來越多，從最開始的激光近視手術，到現在的激光祛痘、激光脫毛、激光去痣。激光好像已經打入了我們生活的很多領域，好像什麼事情一個激光就可以搞定，但是激光為什麼這麼神奇?

剛好這學期選了一個叫Biomedical Optics的課，馬上就要期末考試了。借回答這個問題來梳理一下自己在Laser方面的知識。

這裡提到的激光都是由laser diode(激光二極體)產生的，圖片來自課件。
如果有什麼不對的地方請各位指正！

原理
如 @Simeon 答案里提到的，光的產生是由於電子從Conduction Band到Valance Band的躍遷。

而這樣的躍遷就叫Spontaneous radiation/emission（自發發射）。

spontaneous radiation（自發發射）釋放的光子有2個特點：

1. Spectral width(光譜寬度)非常寬。
因為conduction band和valence band之間的energy level（能級）很多，釋放的光子能量不一致。
2.光子發射方向不確定。
發射出的光子可以往任意方向，而且光子們是互相獨立的。這樣形成的光是incoherent（非相干）的。

而LASER，如 @禹汐所說的，是light amplification by stimulated emission of radiation的首字母縮寫。
它名字里的stimulated emission（受激發射），正是造成激光不同於普通光的原因之一。

與自發發射不同，受激發射中，光子是由一個external photon（外來光子）激發的。

被激發的光子（stimulated photon）的波長和發射方向，和外來光子（external photon）相同。

這樣，被激發光子和外來光子就叫做synchronized（同步），它們形成的光是coherent（相干）的。

只有2個光子，顯然是不夠形成激光的。
現在我們在conduction band和valence band兩邊加上2塊鏡子（mirror）。

這樣，剛剛被外來光子激發出的光子（stimulated photon），經過了右邊鏡面的反射之後，便成為了新的外來光子（new external photon），和之前那個外來光子（external photon）一起，去激發出2個新的光子（new stimulated photons）。
同樣，新的被激發光子，也和這2個外來光子的波長和方向相同。

再之後，這4個光子又可以作為更新的外來光子，去激發另外4個光子…………如此類推，一直到無限個光子被激發。

這樣，這2塊鏡子便提供了一個正反饋（positive feedback）。
我們把這2塊鏡子叫做resonator（諧振器）。

這裡需要提到的一點是，特定諧振器可以支持的光的波長是特定的。

如果諧振器不支持波長的光進入了諧振器內，光波經過鏡面反射之後，會有180° phase shift（相位偏移）。

如果諧振器支持波長的光進入了諧振器內，鏡面反射之後，會是相同的相移（phase shift）。

現在，我們知道了怎樣由一個光子，得到大量光子，從而產生激光。
那麼怎樣得到最初的那一個光子呢？

這就要提到population inversion（居量反轉）了。

在一個二級系統中，一個電子自低能級向高能級躍遷和自高能級向低能級躍遷的概率是一樣的。為了達到光放大的作用，在高能級必須有更多的電子，使得受激輻射發生的概率更高。這個狀態稱為佔據逆轉。出於這個原因，所以以光子激發的二級系統是無法實現激光的。（居量反轉）

而居量反轉的要求便是，conduction band上的電子數目，必須要比valence band上多。

以上提到的3點
1). stimulated emission
2). positive feedback
3). population inversion
就是半導體產生激光的必須條件。

而在激光產生的過程當中，還有2個主要的光子損耗（loss）的途徑。
1). 光子有可能被半導體材料吸收。
2). resonator的反射並不是100%。

因此，只有當輸入的外來電流大於損耗，也就是下圖中的gain大於loss的時候，半導體才會產生激光。

這樣產生的激光有4個特點：
1). Monochromatic（單色）
因為產生的光子的波長都相同。
2). Well directed（同向）
3). Highly intense and power-efficient（高強度和高功率）
4). Coherent（相干）

這四個區別與普通光源的特殊都可以被發揮到實際應用當中。

例如Optical coherence tomography(OCT 光學相干斷層掃描)
從它的名字可以看出是利用coherence這個特性來成像。
它可以對光學散射介質如生物組織等進行掃描，獲得的三維圖像解析度可以達到微米級。

上圖中，左邊的是光源（source），上面是參考鏡面（reference mirror），右邊是樣本組織（sample），下面是接收器（detector），中間斜向右上的是beamspliter（分光板）。

OCT的原理是，當從參考鏡面到分光板的光路和樣本組織到分光板的距離差(Δpath length)小於光源的相干長度(coherence length)時，就會產生干涉效應。
通過調節參考鏡面，就可以利用干涉效應得出樣本組織的大小；再通過改變測量的方向，就可以得到三維圖像。

典型的OCT圖像是這樣的。

因為需要利用到光的反射和散射，所以OCT更廣泛的應用在骨科和牙科等高散射介質掃描領域。

脈衝激光
在生活當中，我們說的激光通常是pulsed laser（脈衝激光）。
它是在極短時間內生成一個能量極高的光束，來供我們使用。

而從continues wave（連續光波）上生成脈衝，一般有2種方法。
1. External modulator（外調製器）
在諧振器（下圖黑色方框）之外增加一個調製器，限制連續波（CW power）的發射，從而形成了脈衝。

這個方法的缺點是
1）效率不高。在調製器關閉時，cw power實際上是被浪費掉的。
2）能產生的脈衝最大功率也不能超過輸入電流的功率。

這種方法常用的是gain switching（gain開關）。

2. internal modulator（內調製器）
在諧振器（下圖黑色方框）之內增加一個調製器，把能量儲存在諧振器里，在需要的時候再釋放出來，從而產生了超過輸入電流功率的脈衝。

這種方法常用到的是Q switching（Q開關），也叫loss switching（loss 開關）。

從圖中可以看到，當開關關閉時，loss大於gain，無法產生激光，能量以population inversion的方式儲存在原子系統里。
而當開關打開時，loss小於gain，產生激光脈衝，儲存的能量也被釋放，激光功率大於輸入電流的功率。

有一種Q switching的變體叫做cavity dumping。
通過直接改變諧振器的通透性（transmittance）來達到調製器操縱CW power的目的。

激光二極體結構

激光二極體(laser diode)的基本結構如上圖所示。
Light（光）是從兩層mirror之間的active region（活動區域）之中釋放出來的。
不同種類的二極體的active region形狀不盡相同。
一般我們常接觸到的有
1. gain-guided

這種二極體的結構特點是active region非常狹窄，以限制電流（以及電子）在此範圍內活動。

2. index-guided

這種二極體的結構是active layer以環的形式圍繞在低折射率材料的周圍。

醫療應用
1. Gas laser（氣體激光器） - 二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是世界上最早的氣態激光器，直到現在仍然是最適合應用在外科手術的激光器之一。二氧化碳激光器支持的波長是10.6um。這是在紅外範圍內的波長，人眼不可見。

在二氧化碳激光器中，作為激光介質（lasing medium）的是二氧化碳（CO2）10-20%，氮氣（N2）10-20%，和氦氣（He）的混合氣體。
氣體通常會被封存在氣管中或者儲存在氣瓶里。
光子會被通過氣體的electric discharge（放電）激發，再經過氣體導管兩端的鏡面強化。
發射出的激光的能量會被身體組織吸收，因而能利用高溫來切割組織。

二氧化碳激光器的優點有
1). 10um左右的波長的光能被組織高度吸收，被認為是最適合進行組織切除的波長。
2). 激光器的體積和造價適宜。
3). 電能利用效率非常高，達到了20%。發射100w的光只需要提供1000w的電能。

2. solid-state laser（固態激光器） - Nd:YAG laser (釔鋁石榴石晶體激光)

釔鋁石榴石晶體是一種人造晶體，在此作為激光介質。Nd:YAG激光支持的波長是1.064um，在近紅外區域，肉眼不可見。
醫療上通常被用在治療腫瘤等需要深層穿透到組織當中去的情況上。

Nd:YAG激光的效率只有1%左右。

與氣態激光器相比的優勢是不需要常常更換氣體瓶。

謝謝 @趙世奇邀請，這是一個大問題，僅從應用在皮膚科治療領域的激光療法方面試答一下。
歡迎拍磚指導～

單詞Laser是以下辭彙的首寫字母縮寫：light
amplification by stimulated emission of radiation。

儀器本身由能源，激光的介質和光學諧振腔組成。介質可以是氣體、液體或是固體，並且會通過介質的類別來對激光加以命名（如紅寶石激光和CO2激光）。

這是《激光與光》中的一張示意圖。

激光具有三個特性：單色性、相干性、平行性。

單色性：激光的特徵性波長周圍是一個正態分布的狹窄帶，是由被激發的原子或分子決定的。激光的波長決定了激光束和皮膚或其他組織間的相互作用。

相干性：激光可以看作正弦波，有時間相干性和空間相干性。是同相、同時、同空間的。

平行性：激光經長距離傳輸，彌散極少，有利於聚焦。

激光能夠被組織反射、散射或者透射，目的是為了讓特定的區域（靶色基）吸收激光。激光與特定區域的相互作用機制被稱作選擇性光熱作用原理。

選擇性光熱作用

光熱作用是指（激光產生的）溫度（熱量）對組織有一系列的影響，超過一定溫度皮膚會受到傷害致細胞死亡。選擇性光熱作用簡單說就是，目標區域對激光的吸收大於周圍組織，反差越大越好，在皮膚科治療中，皮膚里的靶色基主要是黑色素、血紅蛋白和水（為啥有透明的水，因為到一定波長以上水會汽化），它們分別在不同的波長對激光有不同的吸收能力，較高處叫吸收峰，正因為這些不同的吸收峰，方便醫生有選擇地使用不同波長的激光，既打擊了敵人，又不傷害群眾。

（黑色素吸收峰：600nm下黑色素的吸收能力基本相似，600nm以上逐漸下降。

血紅蛋白吸收峰：418nm、542nm和577nm各有一個。

水的吸收峰：980nm有個小吸收峰，1480nm、2940nm、10600nm各有一個較大的吸收峰。）

有了以上的基礎知識，就不難理解為什麼激光可以治療血管性疾病（血管瘤、鮮紅斑痣、靜脈曲張），為什麼可以治療色素類疾病（老年斑、雀斑、咖啡斑、太田痣），為什麼激光可以去文身（但只有特定顏色的染料文身才可以），為什麼激光可以脫毛（因為靶色基是毛囊里的黑色素呀，當然它也是會一定程度的破壞毛囊的）了，這些主要都是選擇性光熱作用＋合適波長的激光的功勞～

至於激光的波長么，當然不是每一個波長都有的，目前常用的波長有532nm、585nm、595nm、694nm、755nm、1064nm、1550nm、2940nm、10600nm等等的激光設備，最好的醫用激光設備製造商在以色列。

除了激光以外，我們還有多種寬光譜的光，比如強脈衝光（即「光子嫩膚」）波長一般在520nm以上（有不同的濾光片，可以濾掉各種波長以下的光），比如DPL（染料脈衝激光）波長在500nm－600nm之間等等。

在此也一併回答一些之前知友私信問我的問題：

激光祛痘：

強脈衝光的寬光譜對消除炎症有非常顯著的作用，因此一些正在進展期的炎性痤瘡可以考慮試試這個。那些痘痘消退後留下的痘印，或者我們說色素沉著，也可以用強脈衝光解決。4-5次一個療程，間隔3周－1個月。

至於痘坑、痘疤等凹陷性或增生性疤痕，可以考慮點陣激光（關於點陣激光的討論：左腿已大面積燙傷十五年，還能不能恢復如初？）。

常見問題1:激光祛痘後會不會留疤？

答：首先，什麼情況會留疤？留不留疤要看損傷的深度、個人膚質癒合能力、消毒護理情況。

創傷僅在表皮不會留疤，真皮淺層有一定幾率留疤，真皮深層或者更深就很可能留疤了，這就像戰爭開啟，小夥伴前赴後繼的趕來幫忙，真皮膠原、彈力纖維等在修復過程中，會因為損傷而加速增殖，當小夥伴的情緒過於激動，不但打了勝仗還反占對方几畝地，就會產生瘢痕，即膠原纖維彈力纖維的過度增殖。

那麼強脈衝光是無創技術，就不存在表皮真皮的創傷修復過程，不會留疤。而CO2點陣激光修復痘坑有一定的刺激瘢痕增生風險，瘢痕體質一定要慎重，什麼樣算瘢痕體質？－－痂痕性皮膚產生的原理與防治方法? 這樣的同學，在某些骨性突出部位或者張力較大，有肌肉拉伸動作的部位，瘢痕風險也會相應增大。

常見問題2:會不會複發？
答：這個嘛，不管是強脈衝光還是激光，都是輔助治療，改善膚質當然很關鍵，就像平時健身對預防感冒也很關鍵一樣，但是健身就能不感冒么？當然不能。痘痘的產生和皮脂腺分布密度分泌狀況、雄激素水平、個人清潔情況、飲食習慣（忌辛辣、甜、酒）、心理狀況（焦慮）、休息睡眠情況甚至胃裡的幽門螺旋桿菌都有關係，所以……如果一邊做著上述治療，一邊熬夜、上火、吃辣、吃甜食、喝酒、生活作息不規律……痘痘肯定要複發的呀，只是在皮脂腺分泌情況得到控制的前提下，不會像之前一樣那麼慘不忍睹罷了(￣▽￣)。
但是！！痘坑的改善是持久的～因為膠原會慢慢長出來補平缺損，除非你在原來痘坑的位置又長出來一顆痘並且炎症後感染並且變成囊腫又留下大坑……這種情況微乎其微。

常見問題3:副作用？

答：強脈衝光副作用較少，少數有局部暫時水腫，色素沉著或色素減退。

CO2點陣激光：（1）疼……算不算？（2）瘢痕上面說完了；（3）術後嚴格防晒，會有一段時間的色素沉著；（4）局部紅腫、水泡、紫癜、痤瘡樣發疹，幾率比較小。

激光脫毛：

目前比較主流的是月光脫毛和冰點脫毛，也有國產設備，這個技術比較成熟，只要沒有對後期暫時性紅腫的不耐受，放心做就行了，一般也是4-5次，可以達到絕毛（治療終點：毳毛）。之後會偶爾有頑固不化的單個毛髮再冒出來，再在毛髮生長位置補打1-2次就差不多了。（你的激光脫毛手術做了幾次？）

常見問題1:費用？

答：按面積算，一般常見脫毛部位：唇毛、腋毛、前臂、小腿、大腿、比基尼區……機器不一樣，物價標準不一樣，具體價格請到當地醫院具體諮詢。

激光去痣：

這個和選擇性光熱作用或許關係不大，主要利用了激光的準直能力和瞬間產生的能量，剝脫、氣化皮膚表面的色素痣，這是我自己的胳膊用激光點完（第3天）的效果，之後它會慢慢癒合的：

術後3天↑

術後10天↑

常見問題1:什麼樣的痣適合用激光打掉：
答：直徑不超過5mm，邊緣顏色與周圍皮膚分界明顯的。大一些或與周圍皮膚分界不明顯的，建議手術切除。

常見問題2:為什麼說激光可能打不幹凈，打完可能複發？
答：激光點痣以肉眼看不到「黑色」為準，這時可能有殘存的黑素細胞，深度也未及真皮，這時不會再向深處打，就是為了防止深度過深，造成瘢痕，因此我們會聽到激光點痣可能會點第二次的說法，就是要等殘存的黑素細胞代謝到皮膚表皮再打的意思。

除了這些比較日常的應用之外，還有可以治療白癜風的308nm準分子激光，還有消炎促癒合的He-Ne激光，還有UVA、UVB、PUVA等利用紫外線的激光，用於治療銀屑病等等。

實際上激光已經廣泛應用在臨床治療中，除了皮膚和眼科，在婦科、泌尿、口腔、腫外也有非常成熟的應用。

歡迎大家提問，我再補充～

－－－－－－－－－2014.4.23 Update－－－－－－－－－

其實我在上面原有答案的基礎上做了一些問題補充。

補上關於改善敏感肌膚的問題。

我們所說的敏感肌膚是對外界刺激抵禦能力稍弱的皮膚，容易面部潮紅、毛細血管擴張，也是平時說的」漲紅了臉「。敏感肌膚本身皮膚較薄，真皮膠原少，皮膚屏障功能較差，毛細血管較多。

有知友問我激光會不會造成皮膚敏感，如果你仔細看過激光治療皮膚疾病的基本知識，就會發現激光可以治療血管性疾病，它可以通過」封鎖「血紅蛋白，從而封閉毛細血管，加之激光有刺激膠原再生的作用，換句話說，會使皮膚變厚，不但不會造成皮膚敏感，反而會改善敏感情況，減輕面部潮紅癥狀。

關於胎記

它的名字很適合小朋友啦，叫」咖啡牛奶斑「，也叫」咖啡斑「。是基因控制的，攤手……

強脈衝光、Q開關1064nm、紅寶石694nm都可以有很高的清除率，皮膚外觀甚至完全和正常一樣，但是1年複發率也高達30-50%。因此術後要嚴格防晒，減少紫外線刺激DNA的機會。

關於雀斑

雀斑是顯性遺傳啦，皮膚白的人雀斑比較多，和咖啡斑一樣，激光可以有很好的效果，但也要嚴格防晒才能延緩複發。

下次更新預告：激光除皺、美白、治療黑眼圈

謝謝大家支持，提問和私信不能一一回復，見諒！

要回答題主的問題，首先得弄清楚：什麼是激光；激光和普通的光相比有什麼不同。
答主這學期正在學激光原理，如果答案有問題煩請大神指出並更正哈！（作業還木有做，居然還來這裡答題！真實沒救了！～）
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激光為什麼比普通的光神奇好多，引用黃德修老先生的描述（大意）是這樣的：
從前的光源發出的光都是散兵游勇，完全沒有戰鬥力；而激光器發出的光，是進退有序、統一行動、有組織有紀律的光子部隊，自然在戰鬥力方面比前者要強太多太多～

------------------------------------------------------------開始扯淡-----------------------------------------------------------------
關於激光的一切，還要從一個的故事講起。
從前有一群男diao絲，他們手上沒錢（身處低能級），每天無所事事。某一天這其中的人（不妨給他取個名字叫「原子0」）突然覺得自己不能一輩子都做一個懶惰的平庸無為的原子，決定發奮圖強，努力提升自己的姿勢水平。
經過了很多年的努力、付出了很多汗水之後，他爸給了他100萬（不妨把這100萬元叫做「一份能量子」）作為啟動資金，他終於出任CEO、當上總經理、走上了人生的巔峰（來到高能級）!
開始時，「原子0」感覺很好，可時間長了，他漸漸感覺很孤獨——畢竟這世上像他這樣處於人生巔峰的人少之又少。他常常對著落日懷想當初那幫無所事事的朋友，懷念年少時夕陽下的奔跑。漸漸的，他累了，他下定決心，想找回曾經的朋友，為了這麼做，他得把手上的100萬花出去。
現在擺在他面前的有兩條路：1.把這錢扔在馬路上（可以理解為「自發輻射」）；2.看見旁邊有人給國家捐了100萬，於是決定自己也把自己的100萬元也捐給國家（可以理解為「受激輻射」）。不管他選擇哪一種方式散財，都會便會從前的低能級的自己。

好，我們現在不再關心「原子0」的個人生活了，我們從由許多人組成的國家（由許多原子組成的東西不妨叫做物質）。國家現在正好有一個軍事計劃：具體而言是這樣的，用每一個100萬買一個茶葉蛋（「光子」）（錢必須是100萬的整數哦，你見過買半個茶葉蛋的么），然後利用武器將茶葉蛋連續不間斷的打在月球上，從而能夠通過連續高壓引起月球爆炸。（這件事是不能通過第一種方式「自發輻射」做到的，雖然100萬元錢扔在地上老百姓撿起來也會去買茶葉蛋，然後扔向月球，但你怎麼做到所有人統一同時扔出去呢？）
這個叫做「物質」的國家通過有關部門篩選來自國內的捐款，保證每一項捐款都是100萬的整數倍（不妨把有關部門叫做「諧振腔」）。通過不懈的努力，國家終於集齊了2048顆茶葉蛋，並利用「超連續高壓茶葉蛋發射器」，把一束茶葉蛋（一束相干性很好的光子，這就是激光啦～）打向了月球！～

（唉媽呀，表達能力有限！～）只是關於激光產生的原理，還是直接上圖和視頻吧～

視頻封面激光器原理視頻第一次這麼認真的回答問題，我還是先睡了吧，明天有時間再來改一下咯！～

每次人能控制某種能量的時候，就會產生生產力的極大提高。
當人們掌控了蒸汽的熱能，人們進如了蒸汽機時代。
當人們掌控了電能，有了電源和電線，人們有了電燈。
當人們掌握了核能，便有了原子彈和和核能。
而如今，激光使人們掌握了光源，光纖使人們掌握了光的傳播，人們距離掌握光這種能量越來越近了。
激光神奇之處：

相干性：從光的電動力學性質來看，相干性使得鎖模技術得以實現，鎖模產生的超短脈衝激光使瞬功率超過原子彈，可以輕易電離空氣，時間解析度達到阿秒級別（超快激光成像快門的曝光時間為阿秒級別( $10^{-18}$ s), 可以對甚至電子運動成像，其應用包括激光加工，激光治療近視，激光點火（美帝的NIH和中國的綿陽國家聚變中心），激光超快成像等等。激光的相干性的逆應用可以實現寬頻激光可以實現解析度微米級別的3D層析（OCT）。激光可以做成各種干涉儀，可以實現精度為nm級別的無接觸測量。
準直性：準直性能保證能量的定向傳輸，這種幾何性質加上相干性，可以製造成激光武器，激光武器是以光速(300,000,000 m/s) 傳播的最快的武器。激光可以被聚焦，利用焦點處性質用激光進行無接觸拖拽細胞，稱為光鑷。激光可以將一束光的能量定向打到月亮上面。
高能性：高能激光可以無接觸切割甚至5 mm厚的鋼板，而對激光器本身損耗很小。

這也還是激光強度上的應用，更精妙的在相位上的應用。
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前幾天隨便一答，現在上來補坑，由於本科階段比較業餘，大神求指導。
首先感謝 @Simeon給大家科普了關於激光產生的原理，我主要來粗略講一下激光的應用。
激光應用主要分為光強，相位角度上的應用。
光強篇
激光之所以能夠得到應用是應為其光強極高。高到什麼程度呢，舉個栗子吧，一般功率的Ar離子激光光強為太陽表面光強的 $6 imes10^{5}$ 倍！且激光這種局域在極小尺度的光強分布不僅光強大，且發散角小，所以激光可以做各種皮膚手術，激光切割，激光準直測距等等工作。
那你說如果激光的光強還是不夠高怎麼辦，那麼這裡主要有兩種手段，要麼增強泵浦功率（相當於輸入功率）以增大輸出光強。要麼就是把時間上平均分布的光強集中到某個時間內宣洩出來（總是感覺宣洩怪怪的··），這就是脈衝激光器，把累積的光在某個極短的時間內釋放出來，可以獲得更高的光強。現在目前來說脈衝寬度最短可以做到亞飛秒級別（ $prec 10^{-15}$ s)那麼可以做到的光強就是提高可15個數量級！這種激光不僅可以作為激光武器，激光轟擊原子等領域，還衍生出了FLIM等對於快過程的探測。這個探測目前可以到達飛秒級別。
相位篇下次再補，要寫作業····

純粹抖個機靈。

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

按照諧振腔原理似乎更應該叫：

Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation = LOSER

人家可以強行不叫loser，是不是很神奇……

我是前段時間看到Hololens, 聯想到激光的一個神奇之處-- 電離空氣

圖片來源:Ionized-air glow

來說說怎麼能想到這麼遠.. Hololens 最開始的PR號稱可以裸眼3D(現在好像還是要戴眼鏡), 我就在想怎麼能裸眼3D呢？真正意義上的裸眼3D, 空間中必須要有一個三維透明的幕布(類似於水霧原理的裸眼3D) 或者 我們直接在人們的視界內，在空中創造一個3D的場景(Volumetric Graphics). 但是空氣中只有空氣，要憑空在空氣中製造一個實際的物體來發光成像，就想到了激光空氣電離。

圖片來源:Holograms are finally here: Plasma lasers used to create images in mid-air

我們物理都學過，能量足夠的話電子就能躍遷到高能級並最後電離產生plasma. 等離子電視機就是類似原理. 使用激光電離的好處是靶向性, 特別是飛秒激光，能很好的控制電離的範圍而不是演變成一個電火花. 所以激光電離可以僅僅電離一個圓球樣的點.下面是原理圖, 注意其發光隨著環境氣體的變化會有所變化. 我們通常看到的顏色會偏藍是因為空氣中的氧氣電離發藍光。

Three Dimensional Images in the Air
Plasma ball colors

這幾張圖分別展示了不同氣體產生的等離子體的顏色:

原理上都說通了，當時我還以為沒人想到呢.. 結果很多人都做了呢.
（╯‵□′）╯︵┴─┴

比如這樣的, 翻牆的自己看下：

https://www.youtube.com/watch?v=AoWi10YVmfE

哦我找到國內視頻了:
視頻封面 Fairy Lights in Femtoseconds Tangible Holographic Plasma (SIGGRAPH)視頻飛秒激光:日本科學家研發出可觸摸全息圖視頻

但是要把這個技術做到成熟還是很多困難的. 激光的功率受限導致產生的亮點數不能很多; 產生點矩陣的調製器的refresh rate有限, 導致圖片的幀率比較低;
看到過一個日本的廠家用高功率飛秒激光把這些等離子體陣列投放到半空中, 說可以在地震等極端惡劣天氣標識出疏散方向.

如果能解決顏色、像素點、解析度、刷新頻率等問題，那麼美國大片裡面的這些場景離我們其實也沒那麼遠....

激光製冷！！！
看了一圈沒看到我心中的這個激光神奇之處，我表示當時聽說的時候頓時覺得什麼激光脫毛，激光手術都太弱了！先佔坑，等我寫完論文，順利畢業了，我來給大家通俗地介紹激光製冷！
-----20140429----------
畢業無憂，安心答題：
激光製冷分為兩個領域：冷卻物體（降溫），冷卻原子（減速至近乎靜止）
這裡只介紹冷卻物體這個，冷卻原子的這個太專了，估計感興趣的不多。
這裡是以前做的一個PPT：激光製冷_百度文庫

要講清楚激光製冷，先要說說什麼是熱和冷：
溫度表徵的是構成物體中粒子運動的劇烈程度。
拿空氣舉例子，為什麼壓縮空氣會升溫呢，可以理解為一大堆空氣分子被壓縮了以後活蹦亂跳的撞來撞去。表徵出來就是溫度升高。

接下來要介紹一下構成物體的基本粒子（原子）和光的關係：
原子可以吸收光，也可以放出光。
原子是由中心的原子核和外層的有固定軌道（形象的說法，其實是電子云）的電子構成。外層的軌道有很多條，當電子從外層軌道（能量高）跑到內層軌道（能量低）時，中間相差的能量會以一個光子的形式飛出來。內層軌道的電子也可以吸收一個光子跑到外層軌道上。當一個外能軌道上的電子很多的時候，電子會大批量掉到內層，它會不停地放出光子（激光器的原理）。

再深入一點：
原子中電子的軌道（能級）其實是有寬度的
也就是說，在同一層軌道，還有能量低的電子和能量高的電子，不過它們之間的差別很小。對於特別大的原子，它們外層的電子軌道的寬度比較寬（這個說法您就聽一聽，別忘外說哈），同一層軌道的電子能量差別會稍大一些。

那麼，上重點：
如果你不停地用能量比較低的激光（剛剛好能把處在內層軌道的電子給打到外層）照射物體，那麼物體會不斷地放射出正常能量水準的激光，這麼一來一去就有一個能量差。也就是出去的光的能量比進來的光的能量多，能量是守恆的，所以物體會慢慢降溫。（如果要問我這個差值怎麼產生的，呃，推薦了解一下聲子模式和光子模式的耦合）。這種效應稱為反斯托克斯熒光效應。

不過真的要實驗，還是有點難度的，通用的手段是在透明材料里摻雜特定的原子或粒子。
2007 年, MIT 研究員使用激光製冷技術將一個硬幣大小的物體冷卻到了0.8K，近乎絕對零度。
參見：Laser-cooling brings large object near absolute zero

看了題目就進來了，因為自己本科和研究生恰恰都在激光所打工，但是仔細一看原來題主關注的是激光在醫學領域的應用。說實在的，這只是激光應用的方面之一，用到了激光的瞬時大功率特性，而這個特性的來源，某種程度上還是歸功於激光的其他特性。
激光一般有三大特性，這個教科書上都會講，具體是啥我也不記得了。但其實在第一台激光器出現了幾十年後的今天，激光的特性遠遠不只這些，下面分開來說。
激光區別於普通單色光源的地方就是其魅力所在，大約有以下幾點：
（1）極短的脈衝寬度或者極好的單色性。這兩點一般是不能同時獲得的。脈衝激光器一般發出的都是脈衝激光，脈衝前沿和後沿的時間間隔大約在皮秒或者飛秒量級，這種很窄的脈衝和材料或者物理化學過程相互作用，便能夠分辨皮秒或飛秒量級的物理化學過程，也就是進行超快動力學研究，它開創了一個新的學科，使得材料的新特性得以被發現，從而極大地影響現在的材料在各行業的應用，很容易帶來革新性的應用。這是激光器在科研中的重要應用之一。
另外一種具有極好單色性的激光器發出的一般是連續的極光，但是其頻率範圍非常小，使得該類型激光器具有良好的相干性，遠遠好於之前的單色光源，可以在科研中或者工程中代替以前的單色光源。至於相干的應用，在光學中就有很多了，和材料有關的領域很多都會用到相干。
（2）激光具有極好的準直特性。激光有很小的發散角，在加上較大的光強，會使得激光在遠距離傳輸中能夠盡量小地耗散，同時其良好的單色性也使得激光很多時候不會被強烈吸收。遠距離傳輸的特性使得激光可以被用在測距、通信等需要長距離傳輸的行業。
（3）激光具有瞬時的大功率。由於上面兩條特性，激光的能量被壓縮在很小的範圍內，導致其在較小的面積上有較大的能量。這種特性使得激光會激發出普通光源下材料中不會出現或者不明顯的現象，如非線性效應的研究以及在光纖通信中應用，可以說沒有激光，光纖通信是很難發展起來的。另外激光具有其它光源難以產生的瞬時大功率和光強，使得它在需要瞬時發熱或者瞬時破壞的領域，如醫學領域，可以獲得很多的應用。又或者應用在誘導核聚變上面。
激光的特性這些話應該就能說清，至於原理什麼的，是一個很大的問題，激光可以說是現代物理學的開端之一，其重要性怎麼說都不為過，比如光纖通信，又如激光印表機，光碟光碟機等光存儲設備，都是激光一些小的和材料相互作用的特性的應用。在科研中，激光更多作為一種強有力的工具來使用。至於產生激光的最關鍵的因素，是受激發射的產生，木有受激發射，很難會出現激光。
在此不得不冒昧反對上面關於激光原理和各種激光器介紹的幾個作答，首先激光原理講的只是原理，主要關注的是如何產生受激輻射，以及調q鎖模等幾大技術。而紅寶石激光器這種東西，在opa和opo廣泛採用的今天，使用範圍也越來越小，更多的還是用來講解原理。真正上一台激光器的產生，從設計到完成，是要花費無數心血的，從晶體的生長，到光路的設計，再到脈寬壓縮技術的應用（如frog和spider），再到光譜的控制和分析，裡面內容繁雜，實在不是一兩門課程就能搞定的，況且針對題主的這個問題，扯到原理未免太過跑偏了。
另外，題主覺得激光這東西神奇，主要還是在生活中人們不會有多少機會見到，再加上媒體對概念的宣傳（如納米概念的炒作），讓人們形成的錯覺。其實激光器並不貴，市面上的半導體激光器或者3.15晚會曝光的激光筆或者老師上課用的激光筆都是很常見的，只是大功率或者超快激光器更多還是在實驗中用到（實驗用的就很貴了），不過對於實驗員來說手動搭一台簡易激光器還是很熟練的。
另外，千萬不要用激光筆指眼睛，建議市面上高於一定功率（如10mv）的激光筆一概管制，那種小攤上買激光筆給孩子玩的父母，是對自己孩子和身邊的人的安全極度不負責的！
手機碼字，改天再用電腦修改。

我是專門做激光學術的，來答一下吧。

題主覺得激光比較高端，可能是因為。。激光本身就比較高端。激光是一項新技術。20世紀初激光理論被提出，而1960年才搭建出激光器的雛形。任何新技術在使用之初被大家接受時候大家都會有「不明覺厲」的感覺的，因為這對大家是一個「新」的事物和概念。法拉第發明電動機的時候，以為貴婦人問電動機有什麼用，法拉第回答說「剛出生的嬰兒又有什麼用呢？」，而現在電動機大家天天見也見怪不怪了，沒有貴婦人式的問題了。

如果題主想聽學術概念，我從學術的角度上稍微講一下。激光相對於傳統光學的獨特性在於其特有的非線性效應。簡單的表述就是，光與物質相互作用的時候（比如反射折射這種最基本的啦）的日常現象我們都很熟悉，但其實有很多效應（比如波長改變等等）因為數量級太小難以觀測到。而激光由於其強度很高，這種微小效應會被很大程度上放大，那麼在我們看來就是一種全新的效應，可以得到全新理念的工具或者研究方法（我的工作就是用激光研究各種物質）。

所以激光和很多誕生不久的學術概念如基因工程啦一樣，由於人類對其使用時間不長，還有很多潛力沒有挖掘出來，所以在不斷探索的科研過程中會有很多新的概念與成果，就是這些正在一點點改變我們生活的新技術讓我們產生了不明覺厲的感覺。

總有一天，這些現在的新技術會變成未來科學家使用的經典技術或者說傳統技術，那時候也是相關產品大量應用在我們生活中，可能你做菜都用激光測試食物熟沒熟，那時候就會習慣激光，也不會覺得激光是個高大上的東西了，就像電動機一樣。

神奇的激光清洗「黑科技」

說到除銹方法，你能想到幾種？

塗漆防鏽、手工除銹、化學方法除銹···這些方法都out了！既不環保也效率低下，下面我要給你介紹一種「綠色」的除銹技術！

當金屬受到空氣中氧和水蒸氣等物質發生氧化作用時即會發生鏽蝕。鏽蝕一旦發生，它會對金屬工件產生極大的損害，鏽蝕程度會隨著時間的推移由輕變重，同時鏽蝕範圍也會由工件表面向工件內部蔓延，直至使整個工件徹底鏽蝕。所以除銹是件重要的事情。

激光除鐵鏽原理就是激光清洗

激光清洗的過程依賴於激光器所產生的光脈衝的特性，基於由高強度的光束、短脈衝激光及污染層之間的相互作用所導致的光物理反應。其物理原理可概括如下：

1)激光器發射的光束被需處理表面上的污染層所吸收。
2)大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩定氣體），產生衝擊波。　
3)衝擊波使污染物變成碎片並被剔除。　
4)光脈衝寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。　5)實驗表明當金屬表面上有氧化物時，等離子體產生於金屬表面。

激光清洗優點：
a):激光清洗是一種」綠色」的清洗方法，清洗效率高，節省時間，資源消耗低，清洗效果優於傳統工藝，性價比高。
b):激光清洗的部位更全、範圍更廣，能夠清除各種材料表面的各種類型的污染物，從大的塊狀污物（如手印、銹斑、油污、油漆）到小的微細顆粒（如金屬超細微粒、灰塵）。
c):激光清洗可以採用固定或移動式的全自動或手動模式，通過光纖傳輸，與機器手和機器人相配合，遠距離遙控操方便，在危險場所（如核反應堆冷凝管的除銹）使用可以確保人員安全。

激光清洗運用案例：

金屬、木材、石材與混凝土和複合材料，均可利用脈衝激光器進行清洗。對於精細的石雕石刻和年代久遠的文物，激光清洗與傳統清洗工藝相比具有很多優勢，一方面可以通過參數調節來控制激光作用的深度和面積,提高精準度;另一方面激光本身不會對石刻本身和周圍的環境帶來破壞。

隨著激光清洗技術日趨成熟，我國也逐漸在國家文物保護單位進行同質清洗試驗，其中最著名的是樂山大佛激光清洗案例。

金屬表面清洗：
大量實驗表明利用脈衝激光器對金屬材質表面清洗，不會損傷基材，清洗後可還原金屬原始的加工痕迹。

除此之外，激光清洗已在汽車製造、半導體晶圓片清洗、精密零件加工製造、軍事裝備清洗、電路板清洗、精密零件加工製造、液晶顯示器清洗、口香糖殘跡去除等領域發揮重要作用。

激光黑科技分享平台

微信號：LP-laser

答案已刪除

可以逗貓………………

題主的問題是：激光為什麼這麼神奇?

那我按照wiki里的「激光」來科普一下，由於學識還很淺薄，如有錯誤，還請指出。

（wiki：激光）

1. 激光的特點

(1) 單色性好。

指的是波長唯一，通俗來講就是對應一種「顏色」。可見光波長在430~790nm，即我們所熟知的紅橙黃綠藍靛紫七色。在這個範圍內的波長我們是可以看得到「顏色」的，在這個波長範圍外就需要通過其他手段鑒別了（紅外、紫外感測器等）。

生活中最常見的就是激光筆。一束筆直的激光，顏色是單一的（紅色、綠色最常見），「射程」較遠，用來教學、演示十分好用。

但遺憾的是，就算是激光，仍然達不到「波長唯一」，上述是理想情況，實際情況是有一定的線寬的譜線，如圖：

就算如此，單色性比一般的光源要好很多了。

(2) 發散度極小

簡單來說就是一束直徑1mm的激光照射在1km遠處直徑變成了5m大的光斑（舉個例子，不太正確），這個發散角約為

當然，由於大氣中各種散射的原因，發散會比較嚴重，但在短程使用還是不錯的。

(3) 亮度（功率）可以達到很高

由於一般激光筆功率都是十分小的（mW以下），你拿它對著皮膚照個十幾分鐘都沒感覺，但是對於脈衝激光器，可以達到kW甚至更高，有興趣的可搜索「美國國家點火裝置」。

2. 激光的特點解析

激光的廣泛使用就是由於激光具備以上三個特點，核心詞為「相干性」（
相干性）。

其實激光起源還是比較早的，1960年由美國休斯公司實驗室的西奧多.哈羅德.梅曼製造出了第一台紅寶石固態激光器。激光的英文LASER就解釋了它的原理：受激輻射光放大。具體的實現過程不講。

為什麼說核心詞是相干性呢？相干性的條件是：「同頻、同（方）向、有恆定相位差」（這個說法不太好）。在早期的光學實驗中，所使用的光源並沒有激光那樣相干性那麼好，激光的出現使得實驗的廣度大大拓寬，而在很多光學設備中，光源（激光）永遠是擺在第一位的，即沒有光，如何做實驗，如何觀察現象？

應用是從實驗中延伸出來的，根據場合的不同，運用方法可以多種多樣。

簡要說明一下，為什麼說波長單一和發散度小是衡量相干性的指標？波長單一描述了單一頻率、在時間和空間上無限延續的波，即空間周期性（空間相干性）和時間周期性（時間相干性）。如下圖

該波列有一定的長度2L。設當兩束同頻，長度2L的波列在某點相遇時發生了干涉，但是，隨著時間過去了，兩個波繼續沿各自的方向走，該點還存在干涉嗎？答案自然是否定的。這就是空間相干性和時間相干性。而理想的單色波作為波列無限長，那這兩束光在該點干涉時還有前後時間的差別嗎？

空間相干性還可以用另外一幅圖來理解：

光源位於b點，在β角內的S1和S2點是可以相干的，而在S1』和S2』是不發生相干的，該角稱為干涉孔徑角。

而發散角θ（跟上面的角還不是一回事）是由菲涅耳-基爾霍夫衍射公式經過簡化計算激光得到的光場分布，如下圖

這跟我們的常識「光沿直線傳播」就不太一樣了，如果說發散角大，相應振幅（強度）就會隨距離下降的更厲害，如果說用於光電檢測系統來採集信號，那麼這是十分有害的，當然對於激光手術和激光切割來說也是致命的。

3. 激光的應用

激光的應用實在太多了，以我的例子的話有時間我會補充一下激光在IC製造方面的應用，可以說是用的十分多的。

（圖片版權說明：以上圖片均來自網路和圖書）

----------2014.4.21-----------

謝邀

外行亂入回答一下。

先進發達的現代醫學外科對我們的幫助特別明顯，外科用刀子比較多。

如果有一種刀子，可大可小，鋒利程度可調，自帶加熱，無反作用力，基本不阻擋視線，醫生喜歡不喜歡？

激光可以做到。

激光和材料的相互作用角度看，激光對材料的處理是目前人類找到最可控的一種處理辦法。

吸收係數和波長有關，人們可以控制激光的波長來控制對不同材料的影響的程度，可以選擇性透視某些材料。人們可以通過光學和機械平台對激光加工的面積和位置進行操控，實現site-selective。人們還可以通過激光的脈衝長短控制對材料的影響時間，做到可控的熱影響區，可控的化學以及生物反應。還可以通過polarization偏振來控制納米結構下光和材料的interaction。

前面有很多大神已經從結構和原理解釋了激光到底是個什麼玩意，我就小小的、通俗的解釋一下吧。

如果普通的強光手電筒是街邊小混混的話，同樣功率的激光器就是琦玉老師。

laser的官方釋意是light is amplified by stimulated emission radiation，其實這個縮寫也可以是有另一套解釋的：
l-light 激光是光，是電磁波，是電場，是磁場，所以我們一般用麥克斯韋方程組結合亥母霍茲方程去描述它
a-non-linear 激光和物質的相互作用，或者說物質對於激光的吸收是一個非線性的過程，即當能量強度達到一定閾值時，能夠對物質造改變
s-small spontaneous 激光的產生不是一個自發的過程，需要有激發介質，也需要有能量的不斷注入，就像一個熵泵一樣
e-emission 激光也是光，尤其是光的衍射效應應用最多
r- resonatorfeedback 不要忘記諧振腔的作用，其光學穩定和機械穩定兩個方面影響了激光的質量

傳播方向準直：簡單測距，激光雷達
能量密度高：機械加工，3D列印，激光武器
單色性：分子光譜，原子分子識別，分子量子態操縱，光學原子鐘（刷新人類記時穩定性極限）
光子動量：激光冷卻（挑戰人類低溫極限，理論物理的溫床）

大家怎麼都往激光的原理上面講額…………其實覺得高端是因為見的少…………自然界中基本不可能產生激光的，而這些應用大多是利用激光的熱效應，單色性方向性之類的，只能說正好有這方面的特性需求而激光正好滿足這些條件而已…………不過量子世界是蠻奇葩的