激光產生原理：原子受激輻射的光，故名“激光”。激光：原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從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(fā)）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，有兩個或者兩個以上的能量狀態(tài)，有時候處在高能狀態(tài)，激昂亢奮，有時候處在低能狀態(tài)，像早晨兩三點鐘的太陽。

當粒子從高能狀態(tài)松懈下來變成低能狀態(tài)時，損失的能量就會以光子的形式輻射出來。
 

根據激光產生原理的分析知道，激光是在“激勵源”的作用下，原子的高能級電子數增多，在停留極短時間后又躍遷到低能級，同時發(fā)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(fā)出激光。

粗略地說，想制造出激光發(fā)生器，要有4個要素：

1.選擇產生激光的工作介質。可以是氣體、液體、固體或半導體，只要介質中可以實現(xiàn)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(xiàn)所謂的電子數反轉。可以用氣體放電的辦法，利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；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“泵浦”所產生的激光強度很弱，無法實際應用，需要讓弱激光與激光諧振起來，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系統(tǒng)。因為諧振腔內是強光，所以諧振腔需要冷卻。

按激光的工作介質分類有：固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、化學激光器，現(xiàn)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(xù)激光器、脈沖激光器。

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

一．固體激光器

 

很多固體物質都能制作激光器。特別地，用人工合成的辦法，用制造陶瓷的工藝，可以制造出含有不同成分的晶體，稱為“透明陶瓷激光介質”，現(xiàn)在，用人工晶體做出的激光器非常方便實用。下面介紹常見的3種固體激光器。

 

1.紅寶石激光器

最早的激光器是紅寶石激光器。1960年7月，梅曼成功制成了世界上第一臺紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進紅寶石晶體，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束，這一成果震驚全世界，并引發(fā)研制激光器的熱潮。

分析可知，紅寶石是晶體，其基質是Al2O3，其中含有0.03-0.4%（重量比)的 Cr2O3（三氧化二鉻），于是可以把這些材料粉末壓制成型，真空燒結，就可以生產出人造的紅寶石晶體，用人造紅寶石棒制作激光器的性能優(yōu)越，應用普遍，人們也對這種激光介質做了充分的研究；特別是“泵浦源”采用較強的脈沖氙燈；諧振腔還是采用老辦法，在激光器兩端，面對面裝上兩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，是用于實用的激光。

現(xiàn)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激光器

摻釹釔鋁石榴石晶體，是由釔（Y2O3）和鋁（Al2O3）按比例3：5化合并摻入釔（Nd2O3），壓制成型，在真空中1700℃燒結成晶體，常被應用于近遠紅外固態(tài)激光器，性能優(yōu)越。多采用連續(xù)氪燈或碘鎢燈作為泵浦光源，這正好與3價的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

以高純度的硅酸鹽玻璃為基質摻入釹酸鹽，用這種釹玻璃制作激光器，也有用磷酸鹽等做基質摻入釹酸鹽的。

釹玻璃激光器與上述晶體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于光纖通信，光纖通信得以發(fā)展的最關鍵的2項技術，一是用半導體激光器調制光信號，二是用釹玻璃激光器做中繼器（參見科普文章系列，編號61），信號光被中繼器所放大，光信號得以遠距離傳輸。

大功率的釹玻璃激光器也容易制作。因為釹玻璃的光學均勻性好，容易制備成大體積材料，比晶體容易加工成型，釹玻璃制作成本很低；釹玻璃棒的體積越大，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于核聚變實驗中。1974年，上海光機所研制成功毫微秒10萬兆瓦級6路高功率釹玻璃激光系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了用激光去產生高溫高密度的等離子體，為核聚變“點火”裝置做出了巨大的貢獻。

二．氣體激光器

 

氣體激光器有很多種，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(fā)生器

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

CO₂激光器是激發(fā)分子能級去獲得激光的，其工作原理比較復雜，因為分子有三種不同的運動，一是分子里電子的運動決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動決定了分子的振動能態(tài)；三是分子的整體轉動決定了分子的轉動能態(tài)。分子運動狀態(tài)復雜，能級復雜，所以激發(fā)分子的能級躍遷過程也復雜。

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

CO₂分子被激發(fā)出來的是紅外光，還需要諧振加強，加強后的激光還要傳送出去。為了讓紅外光諧振加強，密封玻璃管外測可鍍金構成反射鏡；由于一般玻璃是不能透過紅外光的，于是在反射鏡中間開出小孔并用能夠透過紅外光的材料密封，這樣，諧振后的紅外激光就可以通過小孔傳送出來。

幾種激光發(fā)生器

CO₂激光器的激發(fā)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于各行各業(yè)中。這些特性使二氧化碳激光器在眾多領域得到廣泛應用。工業(yè)上用于多種材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、表面改性、涂覆等; 醫(yī)學上用于各種外科手術; 軍事上用于激光測距、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，可用于外科醫(yī)療、激光美容、建筑測量、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。

氣體激光器與固體激光器比較，一般的，氣體激光器輸出的能量密度比固體激光器小。

三．半導體激光器

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

對于GaAS（砷化鎵）激光器，用電流激勵方式，在半導體物質的能帶之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數反轉，當反轉狀態(tài)的電子與空穴復合時便產生激光。

半導體二極管激光器可以發(fā)出可見的激光，也可發(fā)出近紅外光或紫外光。值得說明的是，普通的發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光不是激光，激光二極管（LD）是在發(fā)光二極管的基礎上再增設諧振腔制成的。

半導體二極管激光器是最實用最重要的一類激光器。它體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高、壽命長。因為可以采用電壓和電流激勵，所以它可以與集成電路兼容。它還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調制以獲得高速調制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應用。

光纖通信是半導體激光器最重要的應用領域，通信網絡離不開半導體激光器。

可見光半導體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。

半導體激光器也常用于激光遙感、自由空間通信、大氣窗口、大氣監(jiān)視和化學光譜分析等方面。

半導體激光器的軍事用途也十分精彩，例如紅外對抗、激光瞄準、激光測距、激光雷達、激光制導、激光引信等。

四．化學激光器

 

化學激光器是用化學反應來產生激光的。如，氟原子和氫原子發(fā)生化學反應時，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。這樣，當兩種離子態(tài)氣體迅速混合后，便能產生激光，因此不需要別的能量，就能直接從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）兩種裝置，前者的激光波長在2.6～3.3微米之間；后者的在3.5～4.2微米之間。還有，溴化氫（HBr）激光器，波長為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(xiàn)數兆瓦的輸出，其激光波長范圍在近紅外到中紅外譜區(qū)，這類激光很容易在大氣中或光纖中傳輸。

由于化學激光器是用化學反應來產生激光的，所以這類激光器的體積比較小，也比較適合于野外工作；特別地，可以產生高功率的激光，可用于軍事目的，也可用于核聚變。

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(fā)展方向主要集中于：

1）要求實際操作化學反應激光的產生，要求功率可控制，間斷時間可控制；

2）要求整個發(fā)生器的體積小；

3）要求能夠產生超大功率的激光。