激光器原理

　　导读：激光器相信大家都认识过不少，有气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器等四大类。但万变不离其宗它们的工作原理几近相同，本文将讲述激光器是如何产生激光，如何进行工作的，快来学习吧。

　　激光器顾名思义就是能发射激光的装置。从1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。一直到现在，激光器的种类就越来越多。

　　按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类，近来还发展了自由电子激光器。

　　其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。

　　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。

　　激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。

　　为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励;也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

　　有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。

　　固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。

　　半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。常用材料有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。

　　半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。这种激光器的特点是体积小，能耗低，功率低(因此对人眼相对安全一些)，能在常温下运行。

　　气体激光器具有结构简单、造价低;操作方便;工作介质均匀，光束质量好;以及能长时间较稳定地连续工作的有点。

　　工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞)，及固体(如金属离子结构的铜，镉等粒子)，经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。

　　气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子(气体的原子或分子)碰撞时将自身的能量转移给对方，使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性(惰性)原子、离子气体、分子气体三种激光器。

　　常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中(乙醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光(在可见光范围)。

　　染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。