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1.儲(chǔ)備知識(shí)1.光子

  光具有能量、動(dòng)量和質(zhì)量、粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）。

  物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。原子中電子的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子將處于一些固定的能量水平，不同的能量水平對(duì)應(yīng)于不同的電子能量，遠(yuǎn)離原子核的軌道能量越高。此外，不同的軌道最多可以容納不同的電子數(shù)量，如**軌道（也是最近的原子核軌道）最多只能容納2個(gè)電子，更高的軌道可以容納8個(gè)電子等。

  通過吸收或釋放能量，電子可以從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能級(jí)。例如，當(dāng)電子吸收光子時(shí)，它可能會(huì)從低能級(jí)轉(zhuǎn)移到高能級(jí)。同樣，高能電子也會(huì)通過發(fā)射光子跳到較低的能級(jí)。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是等于這兩個(gè)能級(jí)的能量差。由于光子能決定了光的波長(zhǎng)，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

  使原子產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生跳躍。光子的能量必須等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。光子的能量大于或小于這個(gè)值，不能使原子產(chǎn)生共振或跳躍。

  h為普朗克常量，V光子頻率。

  使原子電離，如果原子吸收的能量正好等于電離能，原子正好電離；如果吸收的能量大于電離能，原子電離，電離電子有動(dòng)能，等于吸收的能量與電離能的差異；如果吸收的能量小于電離能，就不會(huì)發(fā)生電離。

  實(shí)物粒子碰撞：

    當(dāng)兩個(gè)粒子碰撞時(shí)，如果只交換粒子平移能量，內(nèi)部能量保持不變，則稱為彈性碰撞；原子或分子內(nèi)部能量增減稱為非彈性碰撞

  非彈性碰撞分為兩種：如果部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)部能量，刺激原子跳躍，稱為**種非彈性碰撞；如果原子內(nèi)部能量減少，釋放的部分能量轉(zhuǎn)化為平移能量，則稱為第二種非彈性碰撞

  如果原子與原子之間的碰撞發(fā)生跳躍，必須使原子的動(dòng)能比被激發(fā)跳躍的能級(jí)值大得多。

 電子通過非彈性碰撞使原子躍遷，電子具有的動(dòng)能必須大于或等于原子兩個(gè)能級(jí)之差。 

(5)跳躍時(shí)釋放的光子數(shù)量和類型

4.自發(fā)輻射

  它是指高能電子在沒有外部作用的情況下自發(fā)遷移到低能水平，并產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-E1.即兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。這種輻射的特點(diǎn)是每個(gè)電子的跳躍都是自發(fā)獨(dú)立的，其過程沒有外部影響，也沒有關(guān)系。因此，它們的光子狀態(tài)是不同的。光相干性差，方向分散。

  受激吸收是指低能原子吸收外部輻射，跳到高能態(tài)。從低能級(jí)到高能級(jí)，電子可以吸收光子。普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等）是由于原子中的電子在受到外部能量（如光能、電能、熱能等）的影響時(shí)吸收外部能量，從低能級(jí)轉(zhuǎn)移到高能級(jí)，即原子受到刺激。激發(fā)過程是一個(gè)激發(fā)吸收過程。

受激輻射是指光子中的高能電子 ** 或者在感應(yīng)下，跳到低能級(jí)，輻射出與入射光子頻率相同的光子。受激輻射**的特點(diǎn)是受激輻射產(chǎn)生的光子與受激輻射產(chǎn)生的原始光子完全相同。它們的頻率和方向相同，無法區(qū)分兩者之間的差異。這樣，一個(gè)光子通過一次受激輻射變成兩個(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)，或者光被放大。這是激光產(chǎn)生的基本過程：光子射入物質(zhì)誘導(dǎo)電子從高能級(jí)轉(zhuǎn)移到低能級(jí)，并釋放光子。入射光子與釋放的光子具有相同的波長(zhǎng)和相位，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。一個(gè)光子誘導(dǎo)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，**變成兩個(gè)相同的光子。

  在原子系統(tǒng)中，總有一些原子處于高能級(jí)，有些處于低能級(jí)。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子可以去 ** 高能原子產(chǎn)生受激輻射，也可能被低能原子吸收。因此，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時(shí)存在于光與原子系統(tǒng)的相互作用中。

如果你想獲得越來越強(qiáng)的光，即產(chǎn)生越來越多的光子，你必須使受激輻射產(chǎn)生的光子超過受激吸收的光子。在光子的作用下，高能原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會(huì)與低能原子相同。這樣，光的放大取決于高低能原子數(shù)量的比例。如果高能原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低能原子，我們就會(huì)得到高度放大的光。然而，在通常的熱平衡原子系統(tǒng)中，原子數(shù)量遵循玻爾茲曼的分布規(guī)律。因此，高能級(jí)原子數(shù)總是低于低能級(jí)原子數(shù)。在這種情況下，為了放大光線，必須在非熱平衡系統(tǒng)中找到。

誘發(fā)光子不僅會(huì)引起受激輻射，還會(huì)引起受激吸收。因此，只有當(dāng)高能原子數(shù)量超過低能原子數(shù)量時(shí)，受激輻射才能超過受激吸收，并具有優(yōu)勢(shì)。可以看出，為了使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)射普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子在高能級(jí)上的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低能級(jí)，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于**能級(jí)(基態(tài))。因此，如何在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件。那怎樣才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要激活媒體。所謂激活媒體(也稱為放大媒體或放大媒體)，是一種能在兩個(gè)能級(jí)之間反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的物質(zhì)。它可以是氣體、固體或液體。不可能用二能系統(tǒng)激活媒體，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。要獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能系統(tǒng)。 

  在通常的熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上原子數(shù)密度N2.遠(yuǎn)低于低能級(jí)原子數(shù)密度，因?yàn)楫?dāng)能級(jí)E的原子數(shù)密度N隨能級(jí)E的增加而降低，即N∝exp(-E/kT)，這就是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。

因此，兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為：N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 中k是波耳茲曼常量，T絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2《N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1＝－13.6eV，**個(gè)激發(fā)態(tài)能量是E2=-3.4eV，在20℃時(shí)，kT≈0.025eV，則N2/N1∝exp（－400）≈0  可見，在20℃幾乎所有的氫原子都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須提供能量使原子達(dá)到激發(fā)態(tài)，因此，廣義上的發(fā)光包括受激吸收和自發(fā)輻射。一般來說，這種光源輻射光的能量不強(qiáng)，向四面八方發(fā)射會(huì)分散能量。

  1917年，愛因斯坦在量子理論基礎(chǔ)上提出：物質(zhì)與輻射場(chǎng)相互作用中，構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子可以在光子的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收。即激光的英文名來源——Light amplification by stimulated emission of radiation,LASER；中文名稱是19 ** 根據(jù)中國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議，將光受激發(fā)射改為激光。

  1960年，梅曼（Theodore H. Mai ** n）世界上**個(gè)紅寶石固態(tài)激光器（rugby laser）

  1961年，氣體激光器——氦氖激光器；我國(guó)**臺(tái)紅寶石激光器誕生

  1962年，半導(dǎo)體激光器

  1963年 ,二氧化碳激光器

  1965年，YAG激光器

  1980年，準(zhǔn)分子Kr激光器

  1988年，倍頻泵浦YAG激光器

 主要的分類方法是根據(jù)激光分類：

（1）固體激光(Solid state laser) 

  該激光介質(zhì)是一種與雜質(zhì)混合的絕緣固體，包括晶體激光、玻璃激光和光纖激光。晶體、玻璃和光纖是寄主材料(host  ** terial)，取代一些寄主離子的寄主離子「雜質(zhì)(Impurity)」離子是激光的主動(dòng)介質(zhì)。

  例如，紅寶石的寄主是三氧化二鋁晶體(Sapphire；常譯為「藍(lán)寶石」) ，主動(dòng)介質(zhì)是鉻鉻閱讀「各」】離子(Cr3 )。將在下文中使用「Cr3 ：Al2O3」這樣的標(biāo)志表示主動(dòng)介質(zhì)和寄主，以及「鉻―氧化鋁激光」激光名稱表示形式標(biāo)記。在幾種晶體、玻璃和光纖中、玻璃和光纖混合。由于各寄主的電子分布和對(duì)稱性不同，同一離子的能階結(jié)構(gòu)和能階差不同，激光波長(zhǎng)可能相似，但不完全相同。

  比如釹釹讀作「女」】離子(Nd3 )激光接近1μm但波長(zhǎng)不相等。以不同材料為寄主的其他區(qū)別在于增益、散熱、可用晶體長(zhǎng)度等。這些因素會(huì)影響激光的功率，從而影響商品的規(guī)格和價(jià)格。

  a、紅寶石(Ruby laser)激光 紅寶石激光可產(chǎn)生694.3 nm及692.8 nm激光，但后者增益較低，一般取其694.3 nm的輸出。

  b、釹離子(Nd3 )的激光 釹-雅克(Nd-YAG)激光是最著名的。YAG它代表了一種代表性的石榴石(Yttrium aluminum garnet；Y3Al5O12)。主動(dòng)介質(zhì)是YAG晶體中，取代約１%釔離子(Y3 )釹離子。

  c、鈦-藍(lán)寶石(Titanium-sapphire)激光等可變頻固體激光 鈦-藍(lán)寶石激光的主動(dòng)介質(zhì)是摻入的Al2O3晶體中的Ti3 用鋁離子代替離子。它有兩個(gè)特點(diǎn):(1)輸出激光的頻率可以是660到180 nm兩者之間的調(diào)變；(2)它能產(chǎn)生不到100 fs超短脈波。(固體激光可調(diào)波長(zhǎng))

  d、其它固體激光  其它固體激光

(2)液體激光

  液體激光以溶劑染料為主動(dòng)介質(zhì)，通常稱為染料激光(Dye laser)。染料分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有多個(gè)苯環(huán)。在它們的能階中，與每個(gè)電子能階相對(duì)應(yīng)，有許多間隔精細(xì)的振動(dòng)能階，分布成帶狀，因此一個(gè)范圍內(nèi)的頻率可以跳躍并產(chǎn)生激光。另一方面，染料的能階結(jié)構(gòu)也使其能夠吸收相當(dāng)廣泛的激發(fā)光，主要在紫外線和可見光波段。用不同的激發(fā)波長(zhǎng)照射染料會(huì)產(chǎn)生不同的激光波長(zhǎng)。（薔薇紅6G激光波長(zhǎng)數(shù)據(jù))一種可調(diào)激光波長(zhǎng)的裝置，能產(chǎn)生多種激光，因此應(yīng)用廣泛。但固體激光在體積、積、功耗、電壓需求、冷卻需求、安全性和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)高于染料激光。這些優(yōu)點(diǎn)使固體激光小型化和可移植(Portability)占優(yōu)勢(shì)。由于固體可變頻激光的應(yīng)用波長(zhǎng)范圍仍然是紅外區(qū)域，雖然放大器和非線性變頻裝置可以產(chǎn)生短波長(zhǎng)的高質(zhì)量光束，但仍有許多波長(zhǎng)范圍，因此染料激光仍有存在和利用的空間。

(3)氣體激光(Gaseous laser) 

  以氣體為主動(dòng)介質(zhì)的激光中，包括中性原子激光、離子氣體激光、金屬蒸汽激光、分子氣體激光、準(zhǔn)分子激光。分別介紹如下：

  1)稀有氣體元素的中性原子激光和離子氣體激光

  a、中性原子激光

  中性原子激光和離子氣體激光的區(qū)別在于前者激光來自中性原子能階( 如圖2所示，氦原子和霓原子能階 )后者是離子的能階( 如Ar ,Kr  )間之躍遷。因此，氬激光(Argon laser)氬離子激光(Argon ion laser)前者的激光波長(zhǎng)屬于紅外波段，后者在可見光和紫外線區(qū)。但氬離子激光一方面很少見，另一方面為了方便稱呼，人們常稱氬離子激光為氬激光。不僅是中文敘述，英文文獻(xiàn)也是如此，氬激光在不混淆的情況下仍然可以稱為氬離子激光。氦霓虹激光是中性原子激光中最常見的激光。它的紅光尤其為大家所熟悉。其光色明顯，常用作非可見光激光中的指引光束(Guiding beam)。同調(diào)性優(yōu)越，操作條件方便(只需氣冷，110V電壓和價(jià)格相對(duì)較低)，廣泛用于掃描讀碼裝置和全像。

  b、離子激光

  氬離子激光和氪離子激光是稀有氣體離子激光中最常見的。氬離子激光除直接使用外，還常用紫外線和藍(lán)綠光激發(fā)染料激光。20W機(jī)型可產(chǎn)生275.4至1090.0 nm一些激光。主要可見光波長(zhǎng)為514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。在藍(lán)綠常用的藍(lán)綠光波段是514.5及488 nm。氪離子激光產(chǎn)生337.4至799.3 nm，最強(qiáng)的是 ** 7.1 nm，其次為413.1及530.9 nm。商品中，有將氬氣與氪氣混合的機(jī)型。

　　2)金屬蒸汽的中性原子激光與離子激光

　　a、中性原子激光

　　Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金屬的蒸汽，都是中性原子激光的主動(dòng)介質(zhì)。它們的蒸汽中，常混入低壓力的惰性氣體，以提高放電效率。銅蒸汽激光商品可產(chǎn)生100W以上的綠光(511 nm)及黃光(578 nm)，金蒸汽激光則可得數(shù)十瓦的紅光 (628 nm)。這兩種激光有很多用途，例如血紫質(zhì)衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光譜的峰值約為628 nm，而癌細(xì)胞能吸收此物質(zhì)。此物質(zhì)受到628 nm的激光光照射后會(huì)分解，產(chǎn)生可殺死癌細(xì)胞的物質(zhì)。不過，銅蒸汽激光激發(fā)染料激光，也可得到這種光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578 nm的激光可以除去某些胎記，效果優(yōu)于用氬離子激光。

　　b、離子激光

　　金屬蒸汽離子激光中，氦鎘(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦鋅(He-Zn)等激光為此家族中之成員。氦鎘激光的325 nm紫外線，和441.6 nm藍(lán)光，是最常見的輸出。加上特殊設(shè)計(jì)時(shí)，它可同時(shí)產(chǎn)生紅光(635.6及636.0 nm)和綠光(533.7及537.8 nm)。它的短波長(zhǎng)成分，在信息處理方面很有用。適當(dāng)調(diào)配各波長(zhǎng)的輸出，幾乎可以產(chǎn)生所有可見光的顏色，因而它的白光激光產(chǎn)品也是有名的。儲(chǔ)存密度及鑒別能力的提高，使它在量度、檢驗(yàn)、記錄、印刷等方面有許多應(yīng)用。 

　　3)分子氣體

　　二氧化碳激光和氮?dú)饧す馐亲畛Ｒ姷姆肿託怏w激光，其主要激光光分屬紅外線(10, ** 0 nm)及紫外線(337 nm)。生物組織中的水分會(huì)吸收它的10, ** 0 nm激光光，所以能用于手術(shù)，所需激光光功率約為50W。此外，非金屬材料的加工、金屬表面的熱處理、光譜學(xué)及光化學(xué)研究、環(huán)境遙測(cè)、測(cè)距、激發(fā)其他激光、產(chǎn)生離子體(俗稱電漿；Plas ** )等，也都可用二氧化碳激光來進(jìn)行。氮?dú)饧す獾淖贤饩€激光光，適合激發(fā)染料激光，及使多種物質(zhì)產(chǎn)生熒光，而可用于檢驗(yàn)及研究工作。其缺點(diǎn)在于效率及功率均低，每個(gè)脈波的能量大約只有10mJ，平均功率約為數(shù)百mW。

　　4)準(zhǔn)分子(Excimer)激光

　　準(zhǔn)分子一詞的原意，是「兩個(gè)同種原子組成，而只存在于受激態(tài)的分子」，如稀有氣體分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名為 Excited Dimer 組合成的術(shù)語(yǔ)?，F(xiàn)在已經(jīng)將它的適用范圍放寬，以包括「不存在于基態(tài)，只以受激態(tài)呈現(xiàn)的任何雙原子分子(有時(shí)還包括三原子分子)」。重要的準(zhǔn)分子激光，以稀有氣體的鹵化物為主動(dòng)介質(zhì)，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因?yàn)槭芗B(tài)常以星號(hào)(*)上標(biāo)表示，所以有些數(shù)據(jù)上寫成ArF*等。準(zhǔn)分子不會(huì)自然出現(xiàn)，而是在氣體混合物中放電時(shí)形成的。此外，用電子束撞擊，或在導(dǎo)波管型裝置中以微波激發(fā)，也都可以造成準(zhǔn)分子。它的激光光來自準(zhǔn)分子解離成原子的電子躍遷，所以其激光光屬紫外線，應(yīng)用于精細(xì)蝕刻(如電路制程)、化學(xué)蒸著(Chemical vapor deposition)、化學(xué)反應(yīng)研究及醫(yī)療上的用途較多。這些應(yīng)用中，有的是以準(zhǔn)分子激光激發(fā)可變頻激光之后進(jìn)行的。商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等準(zhǔn)分子居多，激光光頻率分別是193、249、308、350 nm。

（4）化學(xué)激光(Chemical laser) 

　　由化學(xué)反應(yīng)造成居量反轉(zhuǎn)的激光，稱為化學(xué)激光。在化學(xué)、軍事、材料研究與生物醫(yī)學(xué)方面，都有化學(xué)激光發(fā)揮所長(zhǎng)之處。例如氟化氫激光的光束可能是骨科手術(shù)所需要的。氟化氫激光中的反應(yīng)可表示為2F2 + H2 →2HF* + F2，其實(shí)它的細(xì)部反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：F + H2 →HF* + H ，F(xiàn)2 + H → HF* + F，而且可用放電使反應(yīng)啟動(dòng)。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有類似作用?；瘜W(xué)激光的波長(zhǎng)

（5）半導(dǎo)體激光(Semiconductor laser) 

　　半導(dǎo)體激光是用半導(dǎo)體制成的，其構(gòu)造及電性質(zhì)為二極管(Diode)，也就是具有兩個(gè)外接電路端點(diǎn)，分別位于其中的p型與n型部分，其間有個(gè)接面(Junction)。因此，半導(dǎo)體激光又名半導(dǎo)體二極管激光(Semiconductor diode laser)或二極管激光(Diode laser)。電流較低時(shí)，它成為發(fā)光二極管(Light emitting diode；LED)，發(fā)出自發(fā)射的光；電流夠大的時(shí)候，才能造成自由電子的居量反轉(zhuǎn)。另一方面，制程中適當(dāng)?shù)牟襟E使二極管兩端具有相當(dāng)高的反射率，就具備激光所需要的條件。半導(dǎo)體激光技術(shù)的研發(fā)，使半導(dǎo)體激光成為效率很高的激光，但散熱仍是重要問題。此外，端射型及面射型激光數(shù)組的研發(fā)，使系統(tǒng)產(chǎn)生的光束在能量及控制方面提升許多。隨著半導(dǎo)體種類的擴(kuò)增，半導(dǎo)體激光能產(chǎn)生的波長(zhǎng)，也不斷增加。下表列出幾種室溫下操作的半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

　　半導(dǎo)體激光的例子：半導(dǎo)體激光的介質(zhì)體積小(典型尺寸約為10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作電流及電壓低，消耗能量少，所以為人們所樂于使用。用許多個(gè)半導(dǎo)體激光激發(fā)其他的固體激光，是一種很有價(jià)值的應(yīng)用。

（6）色中心(Color-center)激光

　　堿金屬的鹵化物晶體中有某些雜質(zhì)時(shí)，受到適當(dāng)輻射照射后會(huì)顯現(xiàn)顏色。鹵化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等，雜質(zhì)則有Li、Na等。這些雜質(zhì)稱為「色中心」。

 （7）自由電子 (Free electron) 激光

　　自由電子激光(FEL)以極高真空中的高速自由電子為主動(dòng)介質(zhì)。其波長(zhǎng)可以調(diào)變，由微波到軟X射線都可能。因此是一部裝置可執(zhí)行多種功能?，F(xiàn)在的研究方向之一，是開發(fā)桌上型的機(jī)種，以便擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，并降低價(jià)格。

（8）倍頻(Frequency double)激光

　　倍頻激光實(shí)際上是加上倍頻晶體的激光，但是有些數(shù)據(jù)上用造成倍頻效應(yīng)的晶體稱呼它們，例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此，本文列出這一項(xiàng)，以引起讀者注意KDP及KTP并非激光的主動(dòng)介質(zhì)，并略為介紹此類晶體。

　　倍頻是非線性光學(xué)晶體(Nonlinear optical crystal)的功能之一。選用晶體時(shí)，產(chǎn)生倍頻波的適用波段及轉(zhuǎn)換效率(Conversion efficiency)是重要指標(biāo)。其他要注意的項(xiàng)目包括是否會(huì)潮解、會(huì)造成損壞的光強(qiáng)度、晶體切割方向及鍍膜狀況等。KDP是磷酸二氫鉀(KH2PO4)，為最早使用的倍頻晶體，某些條件下的轉(zhuǎn)換效率很高，但是會(huì)潮解，須注意防范。KTP是磷酸鉀鈦氧(KTiOPO4)，性能與KDP相似，但是不會(huì)潮解。偏硼酸鋇(Beta barium borate，β-BaB2O4；BBO)是較受重視的一種非線性光學(xué)晶體，它具有一些優(yōu)良性質(zhì)，但與其他晶體相同，并非適用于一切場(chǎng)合。舉例來說，有些晶體適合產(chǎn)生二倍頻，但不適用于三倍頻 。

　　非接觸加工

　　熱影響區(qū)小

　　加工靈活（激光易于聚焦、發(fā)散和導(dǎo)向，不受電磁干擾可在大氣環(huán)境中加工）

　　微區(qū)加工（光斑可以聚焦到波長(zhǎng)級(jí)別）

　　可透過透明介質(zhì)對(duì)內(nèi)部工件加工

　　可加工高硬度高脆性和高熔點(diǎn)的金屬非金屬材料

　　激光技術(shù)應(yīng)用最重要的三個(gè)方面：激光加工、激光通訊、激光醫(yī)療

　　激光材料去除加工：激光打孔、切割、雕刻和刻蝕

　　激光材料增長(zhǎng)加工：激光焊接、激光燒結(jié)、激光快速成型

　　激光材料改性：激光熱處理、強(qiáng)化、涂覆、合金化、非晶化、微晶化等

　　激光微細(xì)加工

　　其他加工：激光清洗、激光復(fù)合加工、激光拋光

　　激光通信分為有線和無線激光通信兩種，無線通信可分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、環(huán)形或網(wǎng)狀通信

　　點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光通信原理及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況：激光大氣通信的發(fā)送設(shè)備主要由：激光器、光調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線、接收設(shè)備主要由光學(xué)接收天線、光檢測(cè)器等組成信息發(fā)送時(shí)，先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由光調(diào)制器將其調(diào)制在激光器產(chǎn)生的激光束上，經(jīng)光學(xué)天線發(fā)送出去，信息接收時(shí)，光學(xué)接收天線將接收到的光信號(hào)聚焦后，送至光檢測(cè)器恢復(fù)至電信號(hào)，還原為信息。

　　當(dāng)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，受激輻射、受激吸收、自發(fā)輻射并存；在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)位于基態(tài)粒子束大于處在激發(fā)態(tài)粒子數(shù)，故而吸收入射光多于放大入射光；此時(shí)需施加泵浦源反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使受激輻射占主導(dǎo)作用；當(dāng)光強(qiáng)I（z）沿方向Z入射時(shí)，在介質(zhì)作用下以放大系數(shù)放大，而光強(qiáng)放大是以犧牲反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為代價(jià)，故增益系數(shù)由于粒子數(shù)減少而趨于增益飽和，最多達(dá)到平衡的光強(qiáng)。

　　以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(tài)（E3）。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約為10－7秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱為亞穩(wěn)態(tài)（E2）的中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)，大約是10－3秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。原子長(zhǎng)時(shí)間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此時(shí)的狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級(jí)系統(tǒng)。

　　當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從E1到E3，由于E3能級(jí)壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級(jí)E1為基態(tài)，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵(lì)就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。而我們所用的YAG激光系統(tǒng)屬于四能級(jí)系統(tǒng)。如所示，能級(jí)E1為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā)態(tài)。在外界激勵(lì)的條件下，基態(tài)E1上的粒子大量被激發(fā)到E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到E3上，E3能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)。而E2能級(jí)壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態(tài)E1，所以，四能級(jí)系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在E3與E2間實(shí)現(xiàn)。  也就是說，能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光下能級(jí)是E2，不像三能級(jí)系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。因?yàn)镋2不是基態(tài)，所以在室溫下，E2能級(jí)上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡(jiǎn)Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級(jí)而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個(gè)能級(jí)或四個(gè)能級(jí)。

　　增益系數(shù)：光放大作用的大小通常用增益系數(shù)G描述，即光通過單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)

　　損耗系數(shù)：光通過單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù)

　　增益飽和效應(yīng)，光強(qiáng)要增加，則反轉(zhuǎn)粒子數(shù)會(huì)下降，而增益系數(shù)也會(huì)下降，進(jìn)而光強(qiáng)增長(zhǎng)變緩。

　　常規(guī)激光器包括三部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。

　　激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。

　　為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。

　　氣體放電：高電壓下，氣體分子電離放電，與被電場(chǎng)加速電子碰撞，吸收能量后躍遷；

　　光激勵(lì)：光照射工作物質(zhì)，其吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

　　熱能激勵(lì)：高溫加熱使高能級(jí)粒子數(shù)增多，后突然降低溫度，由于高、低能級(jí)弛豫時(shí)間不同而使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

　　有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。還需要將輻射的光進(jìn)行放大，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。

所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達(dá)到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達(dá)到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，直到能量達(dá)到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。作用：正反饋，即初始光強(qiáng)往返傳播增加長(zhǎng)度選模：即控制腔內(nèi)振蕩光束特征，限制在所決定的少數(shù)本征模式中。分類：穩(wěn)定腔（近軸光束不橫向逸出）、非穩(wěn)定腔（腔的幾何偏折損耗高）、臨界腔

　　對(duì)激光器有不同的分類方法，

　　一般按工作介質(zhì)的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。

　　另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，

　　還可以按發(fā)光功率大小分為：超大功率、大功率、中功率、小功率

　　在一個(gè)截面為橢圓形的腔體內(nèi)，兩個(gè)焦點(diǎn)上分別放置激光棒和氪燈，在一個(gè)焦點(diǎn)上（氪燈）發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，經(jīng)過反射腔體內(nèi)壁的反射，會(huì)聚在腔體的另一個(gè)焦點(diǎn)上（激光棒），使工作物質(zhì)里的粒子受到激發(fā)，粒子受激吸收后，處于低能態(tài)的原子由于吸收了外界輻射而發(fā)生能級(jí)躍遷，繼而釋放出激光，產(chǎn)生的激光在全反射鏡片和部分反射鏡片之間進(jìn)行來回振蕩，當(dāng)能量達(dá)到一定值時(shí)，就可以從部分反射鏡片透過，這就實(shí)現(xiàn)了激光的輸出。

（1）平均衰減系數(shù)α

表示諧振腔內(nèi)損耗的大小

　　αr——諧振腔反射鏡的透射損耗引起的衰減系數(shù)

　　αi——是除諧振腔反射鏡損耗以外的其他所有損耗所引起的衰減系數(shù)

　　l——光學(xué)諧振腔的兩個(gè)反射鏡之間的距離，腔長(zhǎng)

　　r1、r2——腔的兩個(gè)反射鏡的功率反射系數(shù)

（2）增益系數(shù)G

　　表示激活物質(zhì)的放大作用

　　G表示光通過單位長(zhǎng)度的激活物質(zhì)后，光強(qiáng)所增長(zhǎng)的百分比。

（3）閾值條件

　　其中Gt為閾值增益系數(shù)

　　增益等于損耗為閾值條件，光的強(qiáng)度一定要抵消損耗，才會(huì)有多余的光輸出來。

　　激光器能產(chǎn)生激光振蕩的**限度稱為激光器的閾值條件。

　　激光器的閾值條件只決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗，損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。

（4） 諧振頻率

　　原來有一個(gè)波，走一圈回到原來的地方，相位差是2π的整數(shù)倍，那么這個(gè)波肯定會(huì)被加強(qiáng)。

　　只有滿足公式的波長(zhǎng)才能在激光器中不斷被放大，**達(dá)到諧振狀態(tài)，抵消損耗了，才會(huì)有多余的光輸出來，形成激光。

　　也就是說要想發(fā)出激光，必須要達(dá)到諧振。

　　而諧振是光學(xué)諧振腔所給定的，給定的光學(xué)諧振腔在兩個(gè)反射鏡之間來回反射，**回到原點(diǎn)，相位是2π的整數(shù)倍的時(shí)候，這個(gè)波就被加強(qiáng)，達(dá)到諧振了。

　　光波如果折射到真空中的話，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)我們假設(shè)用 來表示， 表示在激活物質(zhì)內(nèi)部達(dá)到諧振狀態(tài)的波長(zhǎng)。

　　那么

　　諧振波長(zhǎng)：

　　諧振頻率：

　　其中，

與光學(xué)諧振腔內(nèi)材料的折射率n有關(guān)

　　q取值不同時(shí)（q=1,2，...為整數(shù)），對(duì)應(yīng)不同的 值，即有無窮多個(gè)諧振頻率。

　　不同的q對(duì)應(yīng)特定的波長(zhǎng)/頻率，不是連續(xù)也不是任意的，必須要滿足諧振公式的波才能從諧振腔中發(fā)射出來。

 （5）能量轉(zhuǎn)換效率：

輸出的激光功率與輸入的電功率的比值

1、固體激光器 

特點(diǎn)：一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。工作介質(zhì)：在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子，激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級(jí)之間，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。泵浦：直接倍頻LD輸出獲得紫外激光。通過二次倍頻紅外得到紫外，具有較高的光光轉(zhuǎn)換效率，但要求LD不僅能夠輸出較高，而且還必須實(shí)現(xiàn)單頻運(yùn)；LD泵浦，非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的紫外激光器。該方法主要是利用激光二極管的發(fā)射帶與銣離子的吸收帶符合的很好，減少能量的內(nèi)積，從而降低熱透鏡效應(yīng)，改善光束質(zhì)量，獲得很高的泵浦效率波長(zhǎng)范圍：可見光——近紅外波段代表：（1）YAG激光器可分為：Nd-YAG晶體、Ce-Nd-YAG晶體、Yb-YAG晶體、Ho-YAG晶體、Er-YAG晶體。Nd-YAG激光器：固體激光器，10 ** nm，Nd-YAG是目前綜合性能最為優(yōu)異的激光晶體，連續(xù)激光器的**輸出功率1000W，廣泛用于軍事、工業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)。若采用連續(xù)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，采用一級(jí)振蕩可以獲得400W的多模輸出，若要輸出在百瓦級(jí)的激光器，采用單燈單棒，200W以上的采用雙燈單棒結(jié)構(gòu)。Nd-YAG激光器不僅適合連續(xù)，而且在高重頻下運(yùn)轉(zhuǎn)性能也很優(yōu)越。重頻可達(dá)100~200次/s，**平均功率可400w。采用多級(jí)串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高功率輸出，目前平均功率**可達(dá)到上600~800瓦，重頻可達(dá)80~200次/s，單脈沖能量可達(dá)80J。Ce-Nd-YAG激光器：在Nd-AG晶體的基礎(chǔ)上添加Ce離子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce離子能對(duì)紫外光譜區(qū)光子能量產(chǎn)生很好的吸收，并且將能量以無輻射躍遷的方式傳遞給Nd離子，從而增加了光譜的利用率，因此效率高、閾值低、重復(fù)頻率特性好。Yb-YAG激光器：Yb3＋摻入YAG基質(zhì)中形成的一種產(chǎn)生1.03um近紅外激光的激光晶體，其與Nd-YAG屬于同一種基質(zhì)，但由于摻雜不同而導(dǎo)致生長(zhǎng)工藝有所不同。摻Y(jié)b-YAG由于量子效率高，晶體光譜簡(jiǎn)單，無激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，且無熒光濃度猝滅，摻雜濃度高，有較長(zhǎng)的熒光壽命，吸收帶帶寬比Nd-YAG寬得多，能與二極管的泵浦波長(zhǎng)有效耦合。在相同的輸入功率下，Yb-YAG泵浦生熱僅為Nd-YAG的1/4。而且YAG基質(zhì)的物化特性綜合性能最為優(yōu)良，所以Yb-YAG已成為最引人注目的固體激光介質(zhì)之一，LD泵浦的高功率Yb-YAG固體激光器成為新的研究熱點(diǎn)，并將其視為發(fā)展高效、高功率固體激光器的一個(gè)主要方向。Ho-YAG激光器：可產(chǎn)生對(duì)人眼安全的2097nm和2091nm激光，主要適用于光通信，雷達(dá)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。Ho-YAG激光器對(duì)冷卻和干燥度有嚴(yán)格的要求，水冷控制在10攝氏度以下。干燥裝置要確保沒有水蒸氣的影響。處于對(duì)人眼安全波段的范圍內(nèi)，由于水吸收大，穿透深度非常淺，大大降低了對(duì)人體特別是對(duì)眼睛的意外傷害的可能性。Er-YAG激光器：輸出2.9um的波長(zhǎng)，能被水吸收，主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中。該晶體主要吸收可見光和紫外光，所以光腔反射鏡的材料多使用又高反射的鋁和銀。目前Er-YAG激光器的**輸出功率可達(dá)3瓦，**脈沖輸出可達(dá)到5J。是迄今輸出功率**的效率**的長(zhǎng)波長(zhǎng)固體激光器。人體對(duì)2940nm的吸收是10 ** 0nm的十倍，所以激光外科和血管外科有很大的應(yīng)用潛力。（2）紅寶石激光器：紅寶石只能在低溫條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出，而且閾值很高，所以至今還沒有造出在室溫下工作的輸出連續(xù)的紅寶石激光器。適合做單次或低重頻的脈沖激光器。單脈沖能量可達(dá)1~20J，重頻5~10，單脈沖能量可達(dá)1J左右。

　?。?）銣玻璃激光器：銣玻璃也在室溫下難以運(yùn)轉(zhuǎn)。適合做單次或低重頻的脈沖激光器。重頻限制在5次/s，單次脈沖能量可達(dá)10~80J。

2、氣體激光器 

特點(diǎn)：氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場(chǎng)達(dá)60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。工作介質(zhì)：氣體激勵(lì)方式：氣體放電激勵(lì)，還可以采用電子束激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)原理:放電管加上幾千伏高壓后，陰極上射出大量自由電子，與基態(tài)He原子碰撞，使之躍遷至激發(fā)態(tài)21S和23S，處于激發(fā)態(tài)的氦原子又與基態(tài)氖原子碰撞，使它們躍遷到激發(fā)態(tài)3S和2S，于是在3S一2P， 3S-  ** 和2S- 2P三對(duì)能級(jí)之間，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，分別發(fā)射出三種波長(zhǎng)的激光，采取抑制其中兩種波長(zhǎng)的辦法得到一種波長(zhǎng)輸出。波長(zhǎng)范圍：真空紫外-遠(yuǎn)紅外波段根據(jù)能級(jí)躍遷類型，可以分為原子、分子、離子、準(zhǔn)分子激光器（1）原子氣體激光器工作物質(zhì)：中性氣體原子典型代表：He-Ne激光器：典型的惰性氣體原子激光器，輸出連續(xù)光，譜線有632.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近來又向短波延伸。這種激光器輸出地功率**能達(dá)到1W，但光束質(zhì)量很好，主要用于精密測(cè)量，檢測(cè)，準(zhǔn)直，導(dǎo)向，水中照明，信息處理，醫(yī)療及光學(xué)研究等方面。發(fā)光波長(zhǎng)：0.6328μm紅光，3.39μm，1.15μm紅外光輸出功率：較?。◣譵W到100mW）能量轉(zhuǎn)換效率：0.01%應(yīng)用：精密計(jì)量、準(zhǔn)直、測(cè)距、通訊、跟蹤及全息照相

（2）離子氣體激光器

工作物質(zhì)：離子氣體輸出波長(zhǎng)：大多在紫外和可見光區(qū)域，輸出功率比原子氣體激光器高代表：Ar+激光器Ar離子激光器：典型的惰性氣體離子激光器，是利用氣體放電試管內(nèi)氬原子電離并激發(fā)，在離子激發(fā)態(tài)能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。它發(fā)射的激光譜線在可見光和紫外區(qū)域，在可見光區(qū)它是輸出連續(xù)功率**的器件，商品化的**也達(dá)30-50W。它的能量轉(zhuǎn)換率**可達(dá)0.6%，頻率穩(wěn)定度在3E-11，壽命超過1000h，光譜在藍(lán)綠波段（488/514.5），功率大，主要用于拉曼光譜、泵浦染料激光、全息、非線性光學(xué)等研究領(lǐng)域以及醫(yī)療診斷、打印分色、計(jì)量測(cè)定材料加工及信息處理等方面。輸出波長(zhǎng)：最強(qiáng)的是0.488μm的藍(lán)光和0.5145μm的綠光輸出功率：達(dá)500MW/cm2，**可達(dá)150W，可見光譜中連續(xù)輸出功率**的氣體激光能量轉(zhuǎn)換效率：幾千分之一用途：彩色電視、全息照相、信息存儲(chǔ)、快速排字、理論研究、醫(yī)學(xué)、染料激光器泵浦源（3）分子氣體激光器工作介質(zhì)：中性氣體分子的激光器代表：二氧化碳激光器:波長(zhǎng)為9~12um（典型波長(zhǎng)10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束質(zhì)量好，功率范圍大（幾瓦之幾萬(wàn)瓦），既能連續(xù)又能脈沖等多優(yōu)點(diǎn)成為氣體激光器中最重要的，用途最廣泛的一種激光器。主要用于材料加工，科學(xué)研究，檢測(cè)國(guó)防等方面。常用形式有：封離型縱向電激勵(lì)二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、軸快流高功率二氧化碳激光器、橫流高功率二氧化碳激光器。N2分子激光器：氣體激光器，輸出紫外光，峰值功率可達(dá)數(shù)十兆瓦，脈寬小于10ns，重復(fù)頻率為數(shù)十至數(shù)千赫，作可調(diào)諧燃料激光器的泵浦源，也可用于熒光分析，檢測(cè)污染等方面。輸出波長(zhǎng)：10.6μm紅外效率：30%輸出功率：近似與管子長(zhǎng)度成正比，很容易從1米長(zhǎng)激光器中獲取100W連續(xù)功率輸出脈沖激光器輸出功率可達(dá)千兆瓦量級(jí)

（4）準(zhǔn)分子激光器

工作介質(zhì)：稀有氣體或稀有氣體與鹵素氣體的混合氣體輸出波長(zhǎng)：處于紫外波段的高效脈沖激光器，通常作為分光、激光加工、光刻的光源一般稀有氣體非常穩(wěn)定，很難與其他原子結(jié)合形成分子一旦被激發(fā)易與其他原子結(jié)合形成分子——準(zhǔn)分子準(zhǔn)分子：激發(fā)態(tài)很穩(wěn)定，基態(tài)不穩(wěn)定立即分解，因而可獲得理想的翻轉(zhuǎn)分布稀有氣體與鹵素氣體的不同組合所得激光波長(zhǎng)不同以準(zhǔn)分子為工作物質(zhì)的一類氣體激光器件。常用電子束（能量大于200千電子伏特）或橫向快速脈沖放電來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)。當(dāng)受激態(tài)準(zhǔn)分子的不穩(wěn)定分子鍵斷裂而離解成基態(tài)原子時(shí)，受激態(tài)的能量以激光輻射的形式放出。準(zhǔn)分子激光物質(zhì)具有低能態(tài)的排斥性，可以把它有效地抽空，故無低態(tài)吸收與能量虧損，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很容易，增益大，轉(zhuǎn)換效率高，重復(fù)率高，輻射波長(zhǎng)短，主要在紫外和真空紫外（少數(shù)延伸至可見光）區(qū)域振蕩，調(diào)諧范圍較寬。它在分離同位素，紫外光化學(xué)，激光光譜學(xué)，快速攝影，高分辨率全息術(shù)，激光武器，物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，光通信，遙感，集成光學(xué)，非線性光學(xué)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)學(xué)，生物學(xué)以及泵浦可調(diào)諧染料激光器等方面已獲得比較廣泛的應(yīng)用，而且可望發(fā)展成為用于核聚變的激光器件。3、半導(dǎo)體激光器 

工作介質(zhì)：以半導(dǎo)體材料（主要是化合物半導(dǎo)體）作為工作介質(zhì)。

工作原理是,通過一定的激勵(lì)方式,在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶(導(dǎo)帶與價(jià)帶)之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)(受主或施主)能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。發(fā)光波長(zhǎng)隨禁帶寬度而改變。

波長(zhǎng)范圍：近紅外波段

泵浦：電流注入

又可分為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體，異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體、量子阱半導(dǎo)體激光器

激勵(lì)方式主要有三種：即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器一般是由GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦),In ** (銻化銦)等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射；光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵(lì)。目前最最常用的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器，常見為635紅光；氮化銦鎵 (InGaN) 二極管激光器，常見為532綠光和405藍(lán)光。二極管激光器發(fā)射的激光可以用高斯光束來進(jìn)行描述，其特點(diǎn)是一個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)射體，且在水平和垂直方向的發(fā)射角不同。通常在水平只有幾度，而垂直可達(dá)40度。在大多光耦合技術(shù)中，水平角忽略不計(jì)，將垂直的角作為而激光激光器的發(fā)散角。

　　主要應(yīng)用于電子信息。光纖通信、光傳感、光盤、激光打印、條形掃碼、集成光學(xué)領(lǐng)域。

　　400~780nm應(yīng)用用于條形掃描、檢測(cè)、光存儲(chǔ)、激光打印等。

　　790~1020nm的應(yīng)用于條形掃碼、激光打印、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。近年來大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)有長(zhǎng)足的進(jìn)步，連續(xù)輸出功率可達(dá)1~20w。

　　1300 與1550 分別在硅光纖零色散和**損耗窗口，相應(yīng)的半導(dǎo)體主要用于長(zhǎng)距離大容量干線光通信。

介于1300與1550之間的1480近年來輸出功率可達(dá)50~100mw。

目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。

4、液體激光器 其突出的優(yōu)點(diǎn)是輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧，它不僅可以獲得從0.3~1.3um光譜內(nèi)的可調(diào)諧的窄帶高功率激光，而且還可以通過混頻技術(shù)獲得從紫外到中紅外的可調(diào)諧相干光，因此目前主要用于光譜學(xué)研究。工作介質(zhì)：液體可分為無機(jī)液體和有機(jī)液體激光器，波長(zhǎng)范圍：紫外-近紅外波段泵浦：波長(zhǎng)少短于激光器輸出波長(zhǎng)的光泵泵浦方式：橫向泵浦，泵浦光束與染料激光束垂直縱向泵浦：泵浦光束與染料光束同軸傾斜入射式泵浦：泵浦光束與染料激光束成一銳角代表：若丹明6G染料激光器

常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用。

5.自由電子激光器

輸出的激光波長(zhǎng)與電子的能量有關(guān)：故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長(zhǎng)，這叫做電壓調(diào)諧，其調(diào)諧范圍很寬，原則上可以在任意波長(zhǎng)上運(yùn)轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有的電子槍和加速器的實(shí)驗(yàn)條件下，可以獲得從毫米波到光頻波段范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧的相干輻射。自由電子激光器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，它可望成為一種高平均功率、高效率（理論極限達(dá)40％）、高分辨率的具有穩(wěn)定功率和頻率輸出的激光器件，采用它能夠避免某些工藝上的麻煩（如激光工作物質(zhì)稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃），另外，它基本上不存在使用壽命問題。自由電子激光器在短波長(zhǎng)、大功率、高效率和波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)這四大主攻方向上，為激光學(xué)科的研究開辟了一條新途徑，它可望用于對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)、材料特征、激光武器、激光反導(dǎo)彈、雷達(dá)、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線性以及瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，在通訊、激光推進(jìn)器、光譜學(xué)、激光分子化學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、遙感等領(lǐng)域，它應(yīng)用的前景也很可觀。美國(guó)機(jī)載激光武器系統(tǒng)機(jī)載激光武器系統(tǒng)所使用的就是高能化學(xué)碘氧自由電子激光器（COIL）。

6.光纖激光器

工作物質(zhì)：以摻入某些激活離子的光纖，或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器分類：晶體光纖激光器，稀土類摻雜光纖激光器，塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光學(xué)激光器特點(diǎn)：具有總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點(diǎn)光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接、軍事國(guó)防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢(shì)；玻璃光纖對(duì)入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴(yán)格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以上轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低；輸出激光波長(zhǎng)多：這是因?yàn)橄⊥岭x子能級(jí)非常豐富及其稀土離子種類之多；可調(diào)諧性：由于稀土離子能級(jí)寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種三維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。不需熱電制冷和水冷，只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷。高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時(shí)的耗電，節(jié)約運(yùn)行成本。高功率,目前商用化的光纖激光器可達(dá)六千瓦。7.二極管泵浦固體激光器二極管激光器和二極管泵浦的固體激光器現(xiàn)已成為固體激光器發(fā)展的主流，合并轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，可靠性高，是至今**不需維護(hù)的激光系統(tǒng)，輸出質(zhì)量高，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。二極管泵浦固體激光器的關(guān)鍵技術(shù)：光耦合技術(shù)，泵浦技術(shù)，冷卻技術(shù)與電源技術(shù)。這種激光器輸出功率可以大范圍變化，即從幾十瓦到幾千瓦，市場(chǎng)上商用**的可達(dá)6000w.

 （1）單色性

 （2）方向性

 （3）相干性

 （4）高亮度

　　激光模式分為縱膜和橫膜：

　　縱膜決定激光波長(zhǎng)和頻率，波長(zhǎng)對(duì)加工有很強(qiáng)影響，材料反射系數(shù)和吸收能量份額均取決于激光波長(zhǎng)。

　　橫膜：決定激光光波場(chǎng)在空間的展開程度，高階膜展開比較寬，較為均勻，低階能量化比較集中。

　　工作表面某點(diǎn)吸收能量的多少由激光輸出功率和激光輻射時(shí)間共同決定。

　　偏振特性影響材料的吸收特性，進(jìn)而影響激光加工時(shí)材料吸收能量的份額。

　　入射角小的情況下，材料表面對(duì)激光的反射特性和吸收特性受激光偏振特性影響較小。

五、光學(xué)基礎(chǔ)

（1）早期

在公元前5世紀(jì)，古希臘人提出“觸覺論”和“發(fā)射論”，觸覺論認(rèn)為眼睛可“觸摸”問題的亮、暗、顏色等特質(zhì)，像身體其他感官部位一樣；發(fā)射論認(rèn)為可見物體可發(fā)射光，視覺由光 ** 產(chǎn)生公元10世紀(jì)，發(fā)射論替代了觸覺論（2）幾何光學(xué)規(guī)律發(fā)展：公元前3世紀(jì)，歐幾里得（Eudid）發(fā)現(xiàn)光的直線傳播、鏡面反射定律一直到公元17世紀(jì)，眼鏡、透鏡、成像暗箱等光學(xué)器件出現(xiàn)17世紀(jì)，格里馬迪注意到衍射現(xiàn)象胡克發(fā)現(xiàn)了干涉現(xiàn)象牛頓發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán)惠更斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振性質(zhì)關(guān)于光速：伽利略做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，即讓兩個(gè)人站在山峰上，**個(gè)人打開光，當(dāng)?shù)诙€(gè)人看到光后立馬打開他那邊的光，**個(gè)人從打開光的時(shí)刻計(jì)時(shí)開始，到看到對(duì)面的光時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。但由于人反應(yīng)大于光速，故實(shí)驗(yàn)失敗而告終羅麥通過天文觀察測(cè)得了光速

（3）光的微粒說和波動(dòng)說：

笛卡爾（牛頓）——微粒說（解釋直線傳播、反射；無法解釋干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象）惠更斯——波動(dòng)說（光憑借以太波動(dòng)傳播）——楊氏干涉實(shí)驗(yàn)，提出干涉原理惠更斯菲涅爾原理、麥克斯韋認(rèn)定光是一種電磁波

（4）波粒二象性：

洛倫茲——洛倫茲坐標(biāo)變換愛因斯坦——質(zhì)能公式德布羅意——物質(zhì)波薛定諤——物質(zhì)波的波動(dòng)方程狄拉克——引入了光子海森堡——不確定關(guān)系（5）現(xiàn)階段：在研究光與物質(zhì)微粒相互作用的過程時(shí)采用粒子模型；在研究光的傳播過程時(shí)采用波動(dòng)模型。