怎样产生激光

三、怎样产生激光

激光是由激光器产生出来的光，激光器一般由三个主要部分组成：（1）工作物质；（2）激励能源；（3）激光谐振腔。

工作物质就是能对某一定波长的光辐射产生放大作用的物质，也就是当这种波长的光通过工作物质时，就会产生与入射光波相位一致、频率一致、方向一致的强度上被放大的光辐射。

能产生激光的工作物质有气体、液体、固体和半导体等材料。激励能源是提供工作物质放大光辐射的能源，提供放大光辐射能量的这种方式也称为激励。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。激光谐振腔实际上是两块相互平行的反射镜，一块为全反射镜，另一块为能够部分透光的半反射镜。图1-2示出激光产生的原理。把工作物质放于激光谐振腔内，工作物质的原子或分子无时无刻总会自发辐射出少量的光子-自发辐射光。当工作物质受激励时，这些光子被放大增多，新产生的光子与最初被放大的光子具有相同的相位、频率和方向，这就是光的受激辐射；但是，只有满足激光谐振腔的谐振条件的光子，才能在腔内来回反射振荡继续不断增多，从而形成了相位、频率和方向一致的强光辐射。当谐振腔内振荡的光子增加到一定量时，就会穿透半反射镜面发出一束非常强的光，这就是激光。它的光束非常集中，几乎没有发散，具有良好的方向性和相干性。

图1-2　激光器产生激光的示意图

激光器的种类很多，按产生激光的工作物质可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。按激光的输出方式的不同，又可分为连续激光器和脉冲激光器。按激光的激励方式还有化学激光器、自由电子激光器。

（一）固体激光器

世界上最早研制成功的就是固体红宝石激光器。图1-3是固体激光器的结构，它的工作物质是一些激光晶体和玻璃，早期采用高亮度的氙闪光灯或氪灯照射工作物质进行光激励，又称为光泵浦。为了使闪光灯发出的光更有效地照射到工作物质上，在闪光灯和工作物质外面还罩上一个椭圆柱状的反射镜（称为聚光腔）。现在也常用半导体激光作泵浦光源。一般来讲，固体激光器具有结构紧凑、坚固、使用方便、输出功率高和激光脉冲能量大的特点。比较典型的固体激光器有红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器三种。

图1-3　固体激光器的结构

掺钕钇铝石榴石激光器（也称为Nd：YAG激光器）是军用测距机用量最大的激光源。Nd：YAG激光器输出的最强激光谱线是不可见的1.06μm（1μm =10⁻⁶m）辐射，经倍频可以获得0.53μm的绿色激光。图1-4为一台正在工作的Nd：YAG激光器。

图1-4　Nd：YAG激光器

（二）气体激光器

气体激光器以气体作为工作物质，具有结构简单、造价低、操作方便、工作物质均匀的特点。它的激光束质量好，具有良好的单色性和相干性。激励方式最常见为电激励，在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。比较典型的气体激光器有：

氦-氖激光器（He-Ne）。原子气体激光器，输出为0.632 8μm波长的红色激光束，激光功率小，通常在毫瓦量级。氦-氖激光器如图1-5所示。

图1-5　氦-氖激光器

氩离子激光器（Ar⁺）。离子气体激光器，输出最强的谱线有0.514 5μm波长的绿光和0.488μm波长的蓝光两条，激光功率可达瓦的量级。

二氧化碳激光器（CO₂）。分子气体激光器，输出为10.6μm波长的中远红外光，激光功率大，工业上常用到千瓦量级。

（三）半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的，体积小、重量轻、寿命长、结构牢固、造价低廉、使用方便。半导体激光管很像一般的半导体二极管，如图1-6所示。只要通以适当强度的电流就有激光输出。根据所用半导体材料和材料中掺杂的不同就可以产生从可见光到近红外线范围的多种波长的激光，它在民用、军用的量都非常大。砷化镓是用得较多的半导体材料。

图1-6　半导体激光管

（四）液体激光器

在液体溶剂（乙醇、丙酮、水等）中加入有机染料作为激光的工作物质，也把液体激光器叫做染料激光器。利用不同染料可获得不同波长的激光。染料激光器一般使用激光作泵浦，例如常用的泵浦源有氩离子激光器。染料激光器有输出波长可以连续调节且覆盖面宽的优点，在科研领域应用广泛。

（五）化学激光器

有些化学反应能产生足够多的高能原子，可以释放出足够大的能量，不再需要别的能量就能直接从化学反应中获得很强的激光。这类激光器比较适合于野外工作或用于军事目的，应用化学激光器可制造令人畏惧的死光武器。

（六）自由电子激光器

自由电子激光器工作机制与众不同，它让电子束在加速器中获得极高的能量，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射，图1-7是一个庞大的自由电子激光器。这类激光器比其他类型更适于产生大功率的激光辐射。在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国科技界的重视。

左侧为扭摆磁铁　　　　右侧为直线加速器

图1-7　自由电子激光器