1.5 激光器

激光器是一種新型的發光器件，和前述的常見光源相比，具有方向性強、單色性好、相干性好、亮度高等突出優點，因而在光電信息系統中應用廣泛。

1.5.1 激光概述

激光，即Laser，是“light amplification by stimulated emission of radiation”的縮寫，其意為由受激輻射光放大產生的輻射。我國臺灣的學者將“Laser”譯為鐳射。

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

對激光含義的上述表述，明確了：①激光產生的物理機理是受激輻射（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（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間相干性；③反映在時域，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。這是因為光束的方向性、單色性、空間與時間相干性等，都可以通過一個適當的普通光學系統加以提高，但無法通過一個普通的光學系統提高光束的光子簡并度。為了能對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世紀的另一重大發明原子能技術做一對比。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，它所發射的光能量并不能提高，而是光能量在狀態（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，其重要應用意義在于：①使信息技術從無線電波段全面推進到了光頻波段。因為光是信息的重要載體，通過激光實現了1012 bps量級的極大信息容量、1012 bps量級的極快運算速度、1012 bit/cm3量級的極高存儲密度，從而使我們進入了新的光信息時代。②實現了光能量在空間、頻率及時間上的高度集中，使光的亮度有了成億倍的提高。因為光也是能量的重要載體，通過激光實現了1022 W/cm2量級的極高功率、1014 Pa量級的極高壓強、10-16 s量級的極短脈沖與極快可分辨過程、1012 K量級的極高溫度與10-10 K量級的極低溫度、10-8 nm量級的極窄頻寬與極精密測量、10-8 m量級的極小可聚焦光斑與極精密加工。因此，在工業、農業、商業、醫療衛生、文化教育及高技術研究等領域開辟了一系列重要的應用。

1.5.2 氣體激光器

氣體激光器的工作物質是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電產生激勵，實現粒子數反轉。它的種類很多，波長覆蓋了從紫外到遠紅外整個光譜區，目前已向兩端擴展到X射線和毫米波波段。由于氣體工作物質均勻性好，輸出光束的質量相當高，其單色性和方向性一般優于固體和半導體激光器，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是氦氖混合氣，它利用氣體電離的方法使粒子數反轉，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產生的電子去電離氖氣。氦氖氣體激光器能夠發出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）氦氖激光器的優點

①單色性好，單模穩頻氦氖激光器的譜線寬度只有10-17 m，顏色非常純（波長穩定度為10-6左右），相干長度達幾十千米；②方向性強，光束發散角很小，只有幾毫弧度，激光束幾乎是一條直線；③結構簡單、緊湊，穩定性好；④造價低廉，使用方便。因此，它主要用于精密計量、全息術、準直測量等場合。

（2）氦氖激光器的類型

He-Ne激光器以直流電源驅動，輸出光功率可達0.3～1.5mW以上。從結構上可分為全外腔、全內腔和半內腔三種形式：

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。全外腔激光器的優點是：輸出線偏振光；反射鏡可以隨時調整，適于多種實驗要求；受溫度影響較小等。全外腔激光器的缺點是：經常需要調整，而調整技術又比較復雜，因而使用不便。

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

③ 半內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，它具有上述兩種結構的優點。

2. 氬離子（Ar+）激光器

氬離子激光器的工作物質是氬氣，在低氣壓大電流下工作，因而激光管的結構及其材料都與He-Ne激光器不同。連續的氬離子激光在大電流的條件下運轉，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熱系數的石墨或BeO陶瓷做成。在放電管的軸向上加一均勻的磁場，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，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的紅外區域，典型的波長為10.6 μm。

二氧化碳激光器的激勵方式通常有低氣壓縱向連續激勵和橫向激勵兩種。低氣壓縱向激勵激光器的結構與He-Ne激光器類似，但要求放電管外側通水冷卻，它是氣體激光器中連續輸出功率最大和轉換效率最高的一種器件，輸出功率從數十瓦至數千瓦。橫向激勵的激光器可分為大氣壓橫向激勵和橫流橫向連續激勵兩種。大氣壓橫向激勵激光器是以脈沖放電方式工作的，輸出能量大，峰值功率可達千兆瓦的數量級，脈沖寬度為2～3 μm。橫流橫向連續激勵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用于金屬材料的切割、熱處理、寶石加工和手術治療等方面。

1.5.3 固體激光器

固體激光器即激光工作物質是固體的激光器，具有輸出能量大、峰值功率高、器件結構緊湊、便于與光纖耦合、使用壽命長、單元技術成熟與體積較氣體激光器小等優點，現已用于測量吸收光譜，如測量由污染物產生的瑞利和拉曼散射光譜；超長距離的測量，如人造衛星測距、地球到月球的測距等。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，熱效應嚴重，從而限制了輸出功率的進一步提高和光束質量的改善。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

紅寶石激光器是發現最早、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，棒的外表面經粗磨后可吸收激勵光。棒的兩個端面研磨后再拋光，使兩個端面相互平行，并垂直于棒的軸線，再鍍以多層介質膜，構成兩面反射鏡。其中，激光輸出窗口為部分反射鏡，其反射比約為0.9，另一個則為高反射比鏡面。

此外，作為激光器的激勵源的脈沖氙燈安置與紅寶石棒平行，它們兩者分別位于內表面鍍鋁的橢圓柱體諧振腔的兩個焦點上。脈沖氙燈的瞬時強烈閃光，借助于聚光鏡腔體會聚到紅寶石棒上，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Q工作方式，其脈沖寬度為幾毫秒量級，輸出能量可達1～100 J，廣泛用于激光測距與測速等系統中。

2. 玻璃激光器

玻璃激光器常用釹玻璃作工作物質，它在閃光氖燈的照射下，在1.06 μm波長附近發射出很強的激光。釹玻璃的光學均勻性好，易做成大尺寸的工作物質，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，可產生對人眼安全的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的激光器。隨著摻雜的不同，可發出不同波長的激光。最常用的是摻釹（Nd）YAG，它可在脈沖或連續泵浦條件下產生激光，波長約為1.064 μm。其他還有：摻鉺的YAG，發出1.7 μm的激光；摻鈥（Ho）的YAG，發出2.1 μm的激光；摻釹：鉺的YAG，它發出1.06 μm和2.9 μm雙波長的激光；摻鉻（Cr）：銥（Ir）：鈥的YAG，發出2 μm的激光；摻鉻：銩（Tm）：鉺的YAG，發出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為液體的激光器。它具有獨特的輸出特性：輸出激光譜線寬、光束發散角小、激光輸出波長可移動（可調諧），某兩種液體混合可產生輸出新波長的液體，激活離子密度大，增益系數高，能量轉換效率高（可通過流體散熱），輸出功率較高，光學均勻性好，冷卻方便，價格較便宜等優點。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泵浦以避免熱效應使激光器的特性遭到破壞，而且可以致癌，因而應用較少。

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。將染料溶解于某種有機溶液中，在一種特定波長光的激發下，能發射一定帶寬的熒光。某些染料在脈沖氙燈或其他激光的強光照射下，可成為具有放大特性的激活介質。用染料激活介質做成的激光器，在其諧振腔內放入色散元件，通過調諧色散元件的色散范圍，可獲得不同的輸出波長，因而稱為可調諧染料激光器。它在激光光譜學、激光化學、同位素分離等科研領域具有重要的應用價值。在激光醫學上，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力學治療；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光，染料激光器輸出波長范圍為320～1000nm。染料激光器有連續和脈沖兩種工作方式：連續工作方式輸出穩定，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120mJ。