激光器

激光基础知识2——激光器

中文名称：激光器

英文名称：laser

定义：产生激光的装置。

应用学科：机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科）

一、原理

除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。

激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。

工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。

激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。

二、激光工作物质

是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

三、激励抽运系统

是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。

①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成，这种激励方式也称作灯泵浦。

②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。

③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。

④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。

四、光学共振腔

通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：

①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。

②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。

共振腔作用①，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用②，则是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。

五、激光器分类

分别从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类。

5.1按工作物质分类

根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：

①固体激光器（晶体和玻璃），这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；

②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；

③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；

④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；

⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。

A.气体激光器

介质是气体的激光器，此种激光器通过放电得到激发。

氦氖激光器：最重要的红光放射源（632.8 nm）。

二氧化碳激光器：波长约10.6 μm（红外线），重要的工业激光。

一氧化碳激光器：波长约6-8 μm（红外线），只在冷却的条件下工作。

氮气激光器：337.1 nm (紫外线)。

氩离子激光器：具有多个波长，457.9 nm (8%)丶476.5 nm (12%)丶488.0 nm (20%)丶496.5 nm (12%)丶501.7 nm (5%)丶514.5 nm (43%)（由蓝光到绿光）。

氦镉激光器：最重要的蓝光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。

氪离子激光器：具有多个波长，350.7nm丶356.4nm丶476.2nm丶482.5nm 丶520.6nm丶530.9nm丶586.2nm丶647.1nm (最强)丶676.4nm丶752.5nm丶799.3nm (从蓝光到深红光)。

氧离子激光器

氙离子激光器

混合气体激光器：不含纯气体，而是几种气体的混合物（一般为氩丶氪等）。

准分子激光器：比如KrF (248 nm)丶XeF (351-353 nm)丶ArF (193 nm)丶XeCl (308 nm)丶F2 (157 nm) (均为紫外线)。

金属蒸汽激光器：比如铜蒸汽激光器，波长介於510.6-578.2 nm之间。由於很好的加强性，可以不用谐振镜。

金属卤化物激光器：比如溴化铜激光器，波长介於510.6-578.2 nm之间。由於很好的加强性，可以不用谐振镜。

化学激发激光器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来进行。媒介是一次性的，使用後就被消耗掉了。对於高功率的条件及军事领域是非常理想的。

盐酸激光器

碘激光器

B.固体激光器

介质是固体的激光器，此种工作物质通过灯丶半导体激光器阵列丶其他激光器光照泵浦得到激发。热透镜效应是大多数固体激光器的一项缺陷。

红宝石激光器：世界上第一台激光器就是红宝石激光器。

Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）：最常用的固体激光器，工作波长一般为1064nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。

Nd:YVO4（掺钕钒酸钇）：低功率应用最广泛的固体激光器，工作波长一般为1064nm，可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频後产生532nm绿光的激光器。

Yb:YAG（掺镱钇铝石榴石）：适用於高功率输出，这种材料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。

钛蓝宝石激光器：具有较宽的波长调节范围（670nm～1200nm）。

5.2按激励方式分类

①光泵式激光器。指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。

②电激励式激光器。大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是