激光器的发展与未来前景构想

激光器的原理以及在未来的前景展望

摘要：激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过

程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至

X射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识

和利用达到了一个崭新的水平。

关键词：激光器；历史背景；工作原理；应用；分类；重要定义

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一、激光器的历史背景、工作原理、分类以及应用

激光器（Laser）是能发射激光的装臵。激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。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。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器等等。

1960年 T.H.梅曼第一台红宝石激光器

以后，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。下面依次介绍几种常见的激光器；

（1）、气体激光器（gas laser）：这是一类以气体为工作物质的激光器。此处所说的气体可以是纯气体，也可以是混合气体；可以是原气体激光器子气体，也可以是分子气体；还可以是离子气体、金属蒸气等。多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。

（2）、固体激光器（solid-state laser）：用固体激光材料作为工作物质的激光器（见激光）。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。

（3）、半导体激光器（semiconductor laser）：半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。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。下图为同质结、异质结激光器的能带示意图：

（4）、染料激光器（dye laser）：工作物质是有机染料，其能级由单重态(S)和三重态(T)组成。S和T又分裂成许多振动－转动能态，在溶液中这些能态还要明显加宽，因此能发出很宽的荧光。一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂，但性能优越，可以输出稳定的单纵模激光。染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米，是应用最多的一种可调谐激光器。

按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。

二、与激光器相关的几种重要定义及介绍

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。

除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装臵的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3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。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定向性和相干性。

激励(泵浦)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臵。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臵，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，整个激励装臵，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。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，整个激励装臵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。

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。

三、几种常见激光器及其用途介绍

Nd：YAG激光器，1064nm，固体激光器，连续激光器的最大输出功率1000W，可用于激光切割金属。

Ho：YAG，固体激光器，可产生对人眼安全的2097nm和2091nm激光，适用于雷达和医学应用。

He-Ne激光器，632.8nm，气体激光器，功率为几mW，用于准直，定位，全息照相等。

CO2激光器，气体激光器，输出波长10.6um，广泛用于激光加工，医疗，大气通信及其他军事应用。

N2分子激光器，气体激光器，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。

四、激光器的前景展望

由于IPG和通快努力地扩大了技术产品线，包括气体、固态和光纤激光器。广泛的产品线让他们的客户可以轻松选择“一站式购物”模式。

CO2激光器仍然会称霸不锈钢切割市场，但是光纤激光器的进步，使得她能够蚕食原来气体、YAG、蓝宝石激光器的领地，并产生了一些新的应用，如纺织产业的激光接缝。对于超快激光、微加工设备、半导体与光伏的切割和光刻、组织成像（tissue imaging），Edmund Optics的产品经理Amr Khalil表示：“随着价格的降低，固体激光器将普遍取代笨重和效率低的气体激光器，特别是在某些特殊的领域，如生物医疗和材料加工。氦氖和氩离子激光器每年下降大约5%-10%，但在一些干涉长度要求较长的应用领域将会继续使用，如照排和图像处理。”

半导体激光器具有体积小、重量轻、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定、电源驱动系统简单等优点。特别适用于医疗设备的制造，其临床应用几乎覆盖了所有其他类型激光的应用范围。因此，在市场上所占的份额也越来越大，具有十分广阔的发展前景。

半导体激光在临床上的应用随着半导体激光技术的发展成熟。它在临床上的应用将会越来越广泛。如眼科、外科、美容科（激光脱毛、激光祛皱等）、牙科、口腔科、耳鼻喉科、肿瘤科等方面均会有很大的发展。有学者提出，激光医学作为一门交叉学科，它的发展必须依赖各个学科的协作，尤其是临床医学与光学、电子、计算机科学的有机结合。虽然我国激光医疗的整体水平与国外相比还有一定的差距。但随着半导体激光器的发展，以及医用光学仪器工作者的共同努力!半导体激光器在医疗方面的应用前景将会更加广阔美好，我国的激光医疗水平必然会得到更大的提高。