激光產(chan) 生原理：原子受激輻射的光，故名“激光”。激光：原子中的電子吸收能量後從(cong) 低能級躍遷到高能級，再從(cong) 高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發）出來的光子束（激光），其中的光子光學特性高度一致。因此激光相比普通光源單色性、方向性好，亮度更高。

激光的原理必須要從(cong) 物質中的粒子能量說起，還必須是一些特定物質中的特定粒子，有兩(liang) 個(ge) 或者兩(liang) 個(ge) 以上的能量狀態，有時候處在高能狀態，激昂亢奮，有時候處在低能狀態，像早晨兩(liang) 三點鍾的太陽。

當粒子從(cong) 高能狀態鬆懈下來變成低能狀態時，損失的能量就會(hui) 以光子的形式輻射出來。
 

根據激光產(chan) 生原理的分析知道，激光是在“激勵源”的作用下，原子的高能級電子數增多，在停留極短時間後又躍遷到低能級，同時發出激光。不難知道，一定有很多很多物質的原子在“激勵源”的作用下能夠發出激光。

粗略地說，想製造出激光發生器，要有4個(ge) 要素：

1.選擇產(chan) 生激光的工作介質。可以是氣體(ti) 、液體(ti) 、固體(ti) 或半導體(ti) ，隻要介質中可以實現粒子數反轉，就可以獲得激光。

2.選擇“激勵源”很重要。“激勵源”要讓介質的低能級電子有效地躍遷到高能級，實現所謂的電子數反轉。可以用氣體(ti) 放電的辦法，利用具有動能的電子去激發介質原子，稱為(wei) 電激勵；也可用脈衝(chong) 光源來照射工作介質，稱為(wei) 光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式都被形象化地稱為(wei) 泵浦或抽運。“泵浦”的目的就是要讓高能級的粒子數比低能級的多。

3.構造諧振腔也很重要。因為(wei) “泵浦”所產(chan) 生的激光強度很弱，無法實際應用，需要讓弱激光與(yu) 激光諧振起來，讓輸出的激光增強，以達到實際應用的程度。

4.高能激光器需要冷卻係統。因為(wei) 諧振腔內(nei) 是強光，所以諧振腔需要冷卻。

按激光的工作介質分類有：固體(ti) 激光器、氣體(ti) 激光器、半導體(ti) 激光器、化學激光器，現在還有一種“透明陶瓷激光器”。

按激光的輸出方式分類有：連續激光器、脈衝(chong) 激光器。

激光器的性能指標主要集中在以下幾個(ge) 方麵：一是所發激光束的頻率範圍，因為(wei) 激光可以做“激勵源”，也可以做頻譜分析光源，所以必須要知道所發激光的頻譜；二是所發激光束的功率大小，特別是最大功率，因為(wei) 功率大小劃定了激光器的應用範圍；三是激光束能量集中的照射麵積，因為(wei) 照射麵積大小不同的應用場合也不同。

一．固體(ti) 激光器

 

很多固體(ti) 物質都能製作激光器。特別地，用人工合成的辦法，用製造陶瓷的工藝，可以製造出含有不同成分的晶體(ti) ，稱為(wei) “透明陶瓷激光介質”，現在，用人工晶體(ti) 做出的激光器非常方便實用。下麵介紹常見的3種固體(ti) 激光器。

 

1.紅寶石激光器

最早的激光器是紅寶石激光器。1960年7月，梅曼成功製成了世界上第一台紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進紅寶石晶體(ti) ，創造出了相幹脈衝(chong) 激光光束，這一成果震驚全世界，並引發研製激光器的熱潮。

分析可知，紅寶石是晶體(ti) ，其基質是Al2O3，其中含有0.03-0.4%（重量比)的 Cr2O3（三氧化二鉻），於(yu) 是可以把這些材料粉末壓製成型，真空燒結，就可以生產(chan) 出人造的紅寶石晶體(ti) ，用人造紅寶石棒製作激光器的性能優(you) 越，應用普遍，人們(men) 也對這種激光介質做了充分的研究；特別是“泵浦源”采用較強的脈衝(chong) 氙燈；諧振腔還是采用老辦法，在激光器兩(liang) 端，麵對麵裝上兩(liang) 塊反射率很高的反射鏡，一塊將激光幾乎全反射到工作介質處參與(yu) 諧振，另一塊將大部分光反射回去諧振，且讓少量的激光透過這塊鏡子射出，射出的是強烈的激光，是用於(yu) 實用的激光。

現在，紅寶石激光器的輸出能量可以做出不同等級的，最大可達數千焦耳級。

2.摻釹釔鋁石榴石晶體(ti) 激光器

摻釹釔鋁石榴石晶體(ti) ，是由釔（Y2O3）和鋁（Al2O3）按比例3：5化合並摻入釔（Nd2O3），壓製成型，在真空中1700℃燒結成晶體(ti) ，常被應用於(yu) 近遠紅外固態激光器，性能優(you) 越。多采用連續氪燈或碘鎢燈作為(wei) 泵浦光源，這正好與(yu) 3價(jia) 的Nd離子的吸收帶相匹配。 摻釹釔鋁石榴石激光器可以是幾十到幾百瓦的，也可以做出大功率的。

3.釹玻璃激光器

以高純度的矽酸鹽玻璃為(wei) 基質摻入釹酸鹽，用這種釹玻璃製作激光器，也有用磷酸鹽等做基質摻入釹酸鹽的。

釹玻璃激光器與(yu) 上述晶體(ti) 激光器的工作過程類似。

小功率的釹玻璃激光器被有效地用於(yu) 光纖通信，光纖通信得以發展的最關(guan) 鍵的2項技術，一是用半導體(ti) 激光器調製光信號，二是用釹玻璃激光器做中繼器（參見科普文章係列，編號61），信號光被中繼器所放大，光信號得以遠距離傳(chuan) 輸。

大功率的釹玻璃激光器也容易製作。因為(wei) 釹玻璃的光學均勻性好，容易製備成大體(ti) 積材料，比晶體(ti) 容易加工成型，釹玻璃製作成本很低；釹玻璃棒的體(ti) 積越大，輸出的激光能量越高；所以釹玻璃激光器在實用中是被首選的固體(ti) 激光器，它可以是低功率的，也可以是大功率的。

大功率釹玻璃激光器已經被用於(yu) 核聚變實驗中。1974年，上海光機所研製成功毫微秒10萬(wan) 兆瓦級6路高功率釹玻璃激光係統，成功地實現了用激光去產(chan) 生高溫高密度的等離子體(ti) ，為(wei) 核聚變“點火”裝置做出了巨大的貢獻。

二．氣體(ti) 激光器

 

氣體(ti) 激光器有很多種，其中最常用的是二氧化碳激光器和氦-氖激光器。

1.二氧化碳激光發生器

CO₂激光器，主要使用CO₂氣體(ti) ，還少量添加氮氣和氦氣，同樣使用“泵浦源”激發，使得氣體(ti) 分子產(chan) 生能級躍遷，從(cong) 而激發出激光。 

CO₂激光器是激發分子能級去獲得激光的，其工作原理比較複雜，因為(wei) 分子有三種不同的運動，一是分子裏電子的運動決(jue) 定了分子的電子能態；二是分子裏的原子振動決(jue) 定了分子的振動能態；三是分子的整體(ti) 轉動決(jue) 定了分子的轉動能態。分子運動狀態複雜，能級複雜，所以激發分子的能級躍遷過程也複雜。

氣體(ti) CO₂、少量氮氣和氦氣被封裝在玻璃做成的“放電管”中；連續施加某種“泵浦源”，它發射的電子在管中撞擊氮分子並讓氮分子被激發起來；氮分子和CO₂分子發生碰撞，氮分子把能量傳(chuan) 遞給CO₂分子，CO₂分子從(cong) 低能級躍遷到高能級上；發出激光。也就是說，CO₂氣體(ti) 分子發出激光的 “泵浦源”是二級激發，先是電子激發氮分子振動，再是氮分子撞擊CO₂分子。

CO₂分子被激發出來的是紅外光，還需要諧振加強，加強後的激光還要傳(chuan) 送出去。為(wei) 了讓紅外光諧振加強，密封玻璃管外測可鍍金構成反射鏡；由於(yu) 一般玻璃是不能透過紅外光的，於(yu) 是在反射鏡中間開出小孔並用能夠透過紅外光的材料密封，這樣，諧振後的紅外激光就可以通過小孔傳(chuan) 送出來。

幾種激光發生器

CO₂激光器的激發源有多種，高壓直流電、高頻交流電、射頻、微波都可以。

常用的CO₂激光器的功率從(cong) 幾十瓦到近千瓦不等，CO₂激光器在市場上都有售，這些激光器被成功地用於(yu) 各行各業(ye) 中。這些特性使二氧化碳激光器在眾(zhong) 多領域得到廣泛應用。工業(ye) 上用於(yu) 多種材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、表麵改性、塗覆等; 醫學上用於(yu) 各種外科手術; 軍(jun) 事上用於(yu) 激光測距、激光雷達，乃至定向能武器。

2. 氦-氖激光器

氦-氖激光器是當前應用最為(wei) 廣泛的激光器之一，輸出功率在0.5~100毫瓦之間，具有非常好的光束質量，可用於(yu) 外科醫療、激光美容、建築測量、準直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中學的實驗室也在用它做演示實驗。

氣體(ti) 激光器與(yu) 固體(ti) 激光器比較，一般的，氣體(ti) 激光器輸出的能量密度比固體(ti) 激光器小。

三．半導體(ti) 激光器

目前在半導體(ti) 激光器件中，性能較好、應用較廣的是GaAs（砷化镓）二極管半導體(ti) 激光器。

對於(yu) GaAS（砷化镓）激光器，用電流激勵方式，在半導體(ti) 物質的能帶之間，實現非平衡載流子的粒子數反轉，當反轉狀態的電子與(yu) 空穴複合時便產(chan) 生激光。

半導體(ti) 二極管激光器可以發出可見的激光，也可發出近紅外光或紫外光。值得說明的是，普通的發光二極管（LED）發出的光不是激光，激光二極管（LD）是在發光二極管的基礎上再增設諧振腔製成的。

半導體(ti) 二極管激光器是最實用最重要的一類激光器。它體(ti) 積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高、壽命長。因為(wei) 可以采用電壓和電流激勵，所以它可以與(yu) 集成電路兼容。它還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調製以獲得高速調製的激光輸出。由於(yu) 這些優(you) 點，半導體(ti) 二極管激光器在激光通信、光存儲(chu) 、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方麵以及獲得了廣泛的應用。

光纖通信是半導體(ti) 激光器最重要的應用領域，通信網絡離不開半導體(ti) 激光器。

可見光半導體(ti) 激光器的應用到處可見，例如條碼讀出器、光存貯的讀出和寫(xie) 入、激光打印、激光印刷、屏幕彩色顯示、高清晰度彩色電視等。

半導體(ti) 激光器也常用於(yu) 激光遙感、自由空間通信、大氣窗口、大氣監視和化學光譜分析等方麵。

半導體(ti) 激光器的軍(jun) 事用途也十分精彩，例如紅外對抗、激光瞄準、激光測距、激光雷達、激光製導、激光引信等。

四．化學激光器

 

化學激光器是用化學反應來產(chan) 生激光的。如，氟原子和氫原子發生化學反應時，能生成處於(yu) 激發狀態的氟化氫分子。這樣，當兩(liang) 種離子態氣體(ti) 迅速混合後，便能產(chan) 生激光，因此不需要別的能量，就能直接從(cong) 化學反應中獲得很強大的光能。

目前，最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩(liang) 種裝置，前者的激光波長在2.6～3.3微米之間；後者的在3.5～4.2微米之間。還有，溴化氫（HBr）激光器，波長為(wei) 4.0～4.7微米；一氧化碳（CO）激光器，波長4.9～5.8微米；氧碘激光器，1.3微米。這些純化學激光器目前均可實現數兆瓦的輸出，其激光波長範圍在近紅外到中紅外譜區，這類激光很容易在大氣中或光纖中傳(chuan) 輸。

由於(yu) 化學激光器是用化學反應來產(chan) 生激光的，所以這類激光器的體(ti) 積比較小，也比較適合於(yu) 野外工作；特別地，可以產(chan) 生高功率的激光，可用於(yu) 軍(jun) 事目的，也可用於(yu) 核聚變。

微觀化學的研究直接推動了化學激光器的研究，化學激光器的發展方向主要集中於(yu) ：

1）要求實際操作化學反應激光的產(chan) 生，要求功率可控製，間斷時間可控製；

2）要求整個(ge) 發生器的體(ti) 積小；

3）要求能夠產(chan) 生超大功率的激光。