1.5 激光器

激光器是一種新型的發(fā)光器件，和前述的常見光源相比，具有方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在光電信息系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

1.5.1 激光概述

激光，即Laser，是“l(fā)ight amplification by stimulated emission of radiation”的縮寫，其意為由受激輻射光放大產(chǎn)生的輻射。我國臺(tái)灣的學(xué)者將“Laser”譯為鐳射。

從1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生至今，已經(jīng)走過了50年的歷程。在激光已獲得高度發(fā)展的今天，對(duì)激光的含義應(yīng)該有更為深刻的理解。激光，是指由原子（離子、分子等）系統(tǒng)受激輻射光放大形成的一種光子簡并度（即某個(gè)狀態(tài)（模式）中所具有的平均光子數(shù)，我們定義為該狀態(tài)的光子簡并度）很高的光輻射。

對(duì)激光含義的上述表述，明確了：①激光產(chǎn)生的物理機(jī)理是受激輻射（受激輻射放大）；②不是所有的受激輻射放大的光輻射都是激光，該受激輻射放大過程必須使光輻射的光子簡并度達(dá)到足夠高的值。

激光的最為基本的特性是其光輻射能量在量子狀態(tài)（模式）上的高度集中性，即高光子簡并度。由于激光具有高光子簡并度這一基本特性，因而：①反映在空間，顯示出了良好的方向性與空間相干性；②反映在頻域，顯示出了良好的單色性與時(shí)間相干性；③反映在時(shí)域，顯示出了良好的超短性；④反映在能量的可集中性上，顯示出了很高的單色亮度。

由上可知，高光子簡并度才是激光最為基本的特性，而良好的方向性、單色性、空間與時(shí)間相干性等僅是高光子簡并度這一基本特性在不同方面的反映。這是因?yàn)楣馐姆较蛐浴紊浴⒖臻g與時(shí)間相干性等，都可以通過一個(gè)適當(dāng)?shù)钠胀ü鈱W(xué)系統(tǒng)加以提高，但無法通過一個(gè)普通的光學(xué)系統(tǒng)提高光束的光子簡并度。為了能對(duì)激光的高光子簡并度這一基本特性有更為深刻的理解，我們不妨將激光與20世紀(jì)的另一重大發(fā)明原子能技術(shù)做一對(duì)比。作為一種新型能源，與相同的普通能源（如煤）相比，原子能釋放的能量可以有成億倍的提高；而激光作為一種新型的光源，與相同功率的普通光源（如電燈）相比，它所發(fā)射的光能量并不能提高，而是光能量在狀態(tài)（模式）上有了成億倍的集中，也就是其光子簡并度（單色亮度）可以有成億倍的提高。

因此，激光的出現(xiàn)，其重要應(yīng)用意義在于：①使信息技術(shù)從無線電波段全面推進(jìn)到了光頻波段。因?yàn)楣馐切畔⒌闹匾d體，通過激光實(shí)現(xiàn)了1012 bps量級(jí)的極大信息容量、1012 bps量級(jí)的極快運(yùn)算速度、1012 bit/cm3量級(jí)的極高存儲(chǔ)密度，從而使我們進(jìn)入了新的光信息時(shí)代。②實(shí)現(xiàn)了光能量在空間、頻率及時(shí)間上的高度集中，使光的亮度有了成億倍的提高。因?yàn)楣庖彩悄芰康闹匾d體，通過激光實(shí)現(xiàn)了1022 W/cm2量級(jí)的極高功率、1014 Pa量級(jí)的極高壓強(qiáng)、10-16 s量級(jí)的極短脈沖與極快可分辨過程、1012 K量級(jí)的極高溫度與10-10 K量級(jí)的極低溫度、10-8 nm量級(jí)的極窄頻寬與極精密測(cè)量、10-8 m量級(jí)的極小可聚焦光斑與極精密加工。因此，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育及高技術(shù)研究等領(lǐng)域開辟了一系列重要的應(yīng)用。

1.5.2 氣體激光器

氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電產(chǎn)生激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它的種類很多，波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光譜區(qū)，目前已向兩端擴(kuò)展到X射線和毫米波波段。由于氣體工作物質(zhì)均勻性好，輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)高，其單色性和方向性一般優(yōu)于固體和半導(dǎo)體激光器，是很好的相干光源。典型的氣體激光器主要有以下三種。

1. 氦氖（He-Ne）激光器

氦氖激光器的工作物質(zhì)是氦氖混合氣，它利用氣體電離的方法使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，是一種原子氣體激光器。它在激光器電極上施加幾千伏電壓使氣體放電，首先使氦電離，然后利用氦氣電離時(shí)產(chǎn)生的電子去電離氖氣。氦氖氣體激光器能夠發(fā)出3種波長的譜線（即0.6328 μm、1.15 μm、3.39 μm），其中最常用的是桔紅色（λ=0.6328 μm）的激光。

（1）氦氖激光器的優(yōu)點(diǎn)

①單色性好，單模穩(wěn)頻氦氖激光器的譜線寬度只有10-17 m，顏色非常純（波長穩(wěn)定度為10-6左右），相干長度達(dá)幾十千米；②方向性強(qiáng)，光束發(fā)散角很小，只有幾毫弧度，激光束幾乎是一條直線；③結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，穩(wěn)定性好；④造價(jià)低廉，使用方便。因此，它主要用于精密計(jì)量、全息術(shù)、準(zhǔn)直測(cè)量等場(chǎng)合。

（2）氦氖激光器的類型

He-Ne激光器以直流電源驅(qū)動(dòng)，輸出光功率可達(dá)0.3～1.5mW以上。從結(jié)構(gòu)上可分為全外腔、全內(nèi)腔和半內(nèi)腔三種形式：

① 全外腔激光器的放電管與腔反射鏡完全分開，窗口密封鏡片形成布儒斯特窗。全外腔激光器的優(yōu)點(diǎn)是：輸出線偏振光；反射鏡可以隨時(shí)調(diào)整，適于多種實(shí)驗(yàn)要求；受溫度影響較小等。全外腔激光器的缺點(diǎn)是：經(jīng)常需要調(diào)整，而調(diào)整技術(shù)又比較復(fù)雜，因而使用不便。

② 全內(nèi)腔激光器的反射鏡與放電管密封在一起，因此使用時(shí)不需調(diào)整諧振腔，用起來比較方便，但腔管受溫度影響較大，輸出不穩(wěn)定。

③ 半內(nèi)腔激光器是一塊反射鏡與放電管固定一起，另一塊反射鏡則和放電管分開，它具有上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

2. 氬離子（Ar+）激光器

氬離子激光器的工作物質(zhì)是氬氣，在低氣壓大電流下工作，因而激光管的結(jié)構(gòu)及其材料都與He-Ne激光器不同。連續(xù)的氬離子激光在大電流的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，放電管需承受高溫和離子的轟擊，因此小功率放電管常用耐高溫的熔石英做成，大功率放電管常用高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨或BeO陶瓷做成。在放電管的軸向上加一均勻的磁場(chǎng)，使放電離子約束在放電管軸向附近。放電管外部通常用水冷卻，以降低工作溫度。

氬離子激光器的輸出譜線屬于離子光譜線，主要波長有452.9nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、514.5nm。其中，488.0nm和514.5nm兩條譜線為最強(qiáng)，約占總輸出功率的80%。

3. 二氧化碳（CO2）激光器

二氧化碳激光器的工作物質(zhì)是二氧化碳，摻入少量的N2和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。激光器輸出譜線波長分布在9～11 μm的紅外區(qū)域，典型的波長為10.6 μm。

二氧化碳激光器的激勵(lì)方式通常有低氣壓縱向連續(xù)激勵(lì)和橫向激勵(lì)兩種。低氣壓縱向激勵(lì)激光器的結(jié)構(gòu)與He-Ne激光器類似，但要求放電管外側(cè)通水冷卻，它是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件，輸出功率從數(shù)十瓦至數(shù)千瓦。橫向激勵(lì)的激光器可分為大氣壓橫向激勵(lì)和橫流橫向連續(xù)激勵(lì)兩種。大氣壓橫向激勵(lì)激光器是以脈沖放電方式工作的，輸出能量大，峰值功率可達(dá)千兆瓦的數(shù)量級(jí)，脈沖寬度為2～3 μm。橫流橫向連續(xù)激勵(lì)激光器可以獲得幾萬瓦的輸出功率。二氧化碳激光器廣泛應(yīng)用于金屬材料的切割、熱處理、寶石加工和手術(shù)治療等方面。

1.5.3 固體激光器

固體激光器即激光工作物質(zhì)是固體的激光器，具有輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊湊、便于與光纖耦合、使用壽命長、單元技術(shù)成熟與體積較氣體激光器小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已用于測(cè)量吸收光譜，如測(cè)量由污染物產(chǎn)生的瑞利和拉曼散射光譜；超長距離的測(cè)量，如人造衛(wèi)星測(cè)距、地球到月球的測(cè)距等。固體激光器的主要缺陷是常用惰性氣體放電燈泵浦效率低，熱效應(yīng)嚴(yán)重，從而限制了輸出功率的進(jìn)一步提高和光束質(zhì)量的改善。下面將簡介常見的紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石等激光器。

1. 紅寶石激光器

紅寶石激光器是發(fā)現(xiàn)最早、用途最廣的晶體激光器。粉紅色的紅寶石是摻有0.05%鉻離子（Cr3+）的氧化鋁（Al2O3）單晶體。紅寶石被磨成圓柱形的棒，棒的外表面經(jīng)粗磨后可吸收激勵(lì)光。棒的兩個(gè)端面研磨后再拋光，使兩個(gè)端面相互平行，并垂直于棒的軸線，再鍍以多層介質(zhì)膜，構(gòu)成兩面反射鏡。其中，激光輸出窗口為部分反射鏡，其反射比約為0.9，另一個(gè)則為高反射比鏡面。

此外，作為激光器的激勵(lì)源的脈沖氙燈安置與紅寶石棒平行，它們兩者分別位于內(nèi)表面鍍鋁的橢圓柱體諧振腔的兩個(gè)焦點(diǎn)上。脈沖氙燈的瞬時(shí)強(qiáng)烈閃光，借助于聚光鏡腔體會(huì)聚到紅寶石棒上，這樣紅寶石激光器就輸出波長為694.3nm的脈沖紅光。這種固體激光器采用調(diào)Q工作方式，其脈沖寬度為幾毫秒量級(jí)，輸出能量可達(dá)1～100 J，廣泛用于激光測(cè)距與測(cè)速等系統(tǒng)中。

2. 玻璃激光器

玻璃激光器常用釹玻璃作工作物質(zhì)，它在閃光氖燈的照射下，在1.06 μm波長附近發(fā)射出很強(qiáng)的激光。釹玻璃的光學(xué)均勻性好，易做成大尺寸的工作物質(zhì)，因而可用它制成大功率或大能量的固體激光器。

目前，利用摻鉺（Er）玻璃制成的激光器，可產(chǎn)生對(duì)人眼安全的1.54 μm的激光。

3. YAG激光器

YAG激光器是以釔鋁石榴石為基質(zhì)的激光器。隨著摻雜的不同，可發(fā)出不同波長的激光。最常用的是摻釹（Nd）YAG，它可在脈沖或連續(xù)泵浦條件下產(chǎn)生激光，波長約為1.064 μm。其他還有：摻鉺的YAG，發(fā)出1.7 μm的激光；摻鈥（Ho）的YAG，發(fā)出2.1 μm的激光；摻釹：鉺的YAG，它發(fā)出1.06 μm和2.9 μm雙波長的激光；摻鉻（Cr）：銥（Ir）：鈥的YAG，發(fā)出2 μm的激光；摻鉻：銩（Tm）：鉺的YAG，發(fā)出2.69 μm的激光等。

1.5.4 液體激光器

液體激光器是工作物質(zhì)為液體的激光器。它具有獨(dú)特的輸出特性：輸出激光譜線寬、光束發(fā)散角小、激光輸出波長可移動(dòng)（可調(diào)諧），某兩種液體混合可產(chǎn)生輸出新波長的液體，激活離子密度大，增益系數(shù)高，能量轉(zhuǎn)換效率高（可通過流體散熱），輸出功率較高，光學(xué)均勻性好，冷卻方便，價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)。但液體激光器本身用起來極為不方便，需要困難的手工操作和閉環(huán)泵浦以避免熱效應(yīng)使激光器的特性遭到破壞，而且可以致癌，因而應(yīng)用較少。

液體激光器常用的典型代表是染料激光器，它以染料為工作物質(zhì)。將染料溶解于某種有機(jī)溶液中，在一種特定波長光的激發(fā)下，能發(fā)射一定帶寬的熒光。某些染料在脈沖氙燈或其他激光的強(qiáng)光照射下，可成為具有放大特性的激活介質(zhì)。用染料激活介質(zhì)做成的激光器，在其諧振腔內(nèi)放入色散元件，通過調(diào)諧色散元件的色散范圍，可獲得不同的輸出波長，因而稱為可調(diào)諧染料激光器。它在激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、同位素分離等科研領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在激光醫(yī)學(xué)上，其577nm波長可用來治療血紅癌（血紅斑）；630nm波長可用來做血卟啉光動(dòng)力學(xué)治療；在激光娛樂、表演方面，它可以方便地提供綠光、黃光、紅光等光源。

若采用不同的染料溶液和激勵(lì)光，染料激光器輸出波長范圍為320～1000nm。染料激光器有連續(xù)和脈沖兩種工作方式：連續(xù)工作方式輸出穩(wěn)定，線寬小，功率大于1W；而脈沖工作方式的輸出功率高，脈沖輸出能量可達(dá)120mJ。