林林总总激光器

世界上第一台红宝石激光器，其外观并不复杂，但它的制造工艺却是相当复杂的。不过这并不是人们关心的实质。它研制成功的意义在于人类成功地实现了光的放大，获得了激光。而此后的近半个世纪里，研究人员对激光器的工作物质、内部结构，一直到外观、发射性能、功率、波长等方面，都予以了更大的关心和投入，从而使世界上又多了许多种类的激光器。它们的问世，更大地满足了人类科学研究、生产实践应用和日常生活的需求。

那么激光器有哪些种类呢？这些种类是如何划分的呢？

一台激光器是由工作物质、谐振腔和泵浦源三个部分组成起来的。这三个组成部分便是划分激光器种类的基础。

如果按工作物质的不同来划分，就有了固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器等。

如果按谐振腔的构造不同来划分，有不稳定腔激光器、共焦腔激光器、平面腔激光器、具备调谐装置激光器等。

如果按泵浦源不同来划分，就有电泵浦激光器、热泵浦激光器、光泵浦激光器、化学能泵浦激光器和核能泵浦激光器等。

同一台激光器，按照不同的划分办法，可以归为不同类型的激光器。如世界上第一台红宝石激光器，如按工作物质划分，是固体激光器；如按谐振腔划分，是平面腔激光器；如按泵浦源划分，它是光泵浦激光器。

此外还有其它划分种类的办法，如按激光的输出特性、按波长谐调和不可谐调、按连续输出和脉冲输出，都可以划分出不同类型的激光器来。但按工作物质、谐振腔、泵浦源来划分种类是最常见的三种划分方法。而人们通常所指的激光器，一般都是按工作物质的划分界定的。下面介绍的激光器也主要是以工作物质划分的几种激光器：即固体激光器、气体激光器、液体（染料）激光器、半导体激光器。

固体激光器的工作物质一般是在一种基质中掺杂入另一种化学元素而形成的。基质一般来讲，选用的是透明的晶体或者玻璃。如梅曼制造的世界上第一台激光器所选用的工作物质红宝石，就是在刚玉晶体中掺入了铬离子。一般来说，选择作基质的晶体和玻璃多为氟化物和盐类，如氧化铝、硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、硼硅酸盐、硼磷酸盐。所使用的掺杂元素多为钕、铬、Tm、Gd 等铁系元素、镧系元素、锕系元素。这些化学成分的物质对光的透明度高，热传导性好，能够较好地提供激光产生所需要的能级。固体激光器中，比较成熟的产品是红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器。它们的共同特点是输出功率比较大，对工作时的温度条件要求不高。

固体激光器的工作物质一般做成棒形晶体，配上腔面反射镜，再加上强光源。其工作方式是既可以连续发射，也可以脉冲发射，输出功率比较大。这种激光器体积较小，体构坚固，使用方便，在工农业生产、医疗卫生、科学实验上，尤其是在军事方面得到较为广泛的应用。

气体激光器的种类非常多，应用也非常广泛。用作工作物质的各种气体包括了各种惰性气体、金属蒸气、双原子和多原子气体、气体离子等。氦氖、氩离子、氪离子、一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮气等均是气体激光器工作物质的选择对象。

气体激光器是在一个石英和玻璃放电管中注人一定工作物质的气体而形成的。放电管内壁光滑均匀，直度和弧度都很好。放电管两端接有阴、阳两个电极，接上电源，利用气体的放电过程从而对工作物质进行泵浦。在个别情况下也采用光、热、核、化学等泵浦形式。气体物质在一般条件下是绝缘体。当气体两端的电压增加到一定程度时，气体因被电压击穿而导致气体中电流陡然增加，产生粒子数反转，从而产生激光。

气体激光器的长处在于能够产生从紫外到红外很宽范围的各种波长，能够稳定地连续工作、相干性好。目前气体激光器的主要品种有氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器。这几种激光器研究发展时间较长，市场应用日臻成熟。其它种类的气体激光器则尚处于研究试制阶段，少有产品问世，更稀于实际应用。

氦氖激光器结构简单、小巧轻便、坚实可靠，使用周期长，生产成本低，是目前问世激光器产品中生产数量最多的一种。氦氖激光器一般发射出的激光是可见红光，也可以发出其它红外波长的谱线，其频率稳定性高，相干性好，方向性强。氦氖激光器一般应用在三个方面：一是测准，如建筑行业中的水准控制，机械加工中对加工零件的校准；二是用于测量，把该激光器装配到各类测量仪表中，可以精确地测出被测物体各部分的细微尺寸；三是用在计算机储存系统中，以读出和记录各种信息。在新闻印刷的照排制版方面，激光技术是最先进的制作手段。氦氖激光器能在许多恶劣的环境中工作，可靠性强，因而在军事方面应用极多。在野外、暗沟、战壕中均能不受影响，在空间飞行器中也能承受很高的加速度和振动。

二氧化碳激光器在红外区域能连续发射出高功率激光。它有一个非常突出的性能，就是许多材料对二氧化碳激光能量的吸收性能好。金属氧化物可以很顺利地吸收二氧化碳激光产生的大部分能量，因而在工作应用中，对工件表面金属氧化物的处理，对金属零件的切割、加工、打孔等工序都广泛地使用了二氧化碳激光器。

以氩离子作为工作物质的氩离子激光器能够发射出可见光区的蓝光、绿光。在激光彩色电视、光转换技术、全息照相、水下探测等研究应用中都有着非常广泛的前景。

在气体激光器中，还有金属蒸气激光器、波导激光器。金属蒸气激光器的特点是既能连续、又能脉冲式地工作，发射的激光波长在可见光区至紫外区域。波导激光器的特点是波长调谐范围宽，体积小而功率大，既可以振荡，又可以放大，既能连续工作，又能脉冲工作。

液体激光器是我们通常所认识的染料激光器。因为一般用于工作物质的液体掺含有可以激活介质、产生激光的染料，故称染料激光器。染料中最常用的有荧光素、若丹明、花青类、香豆素等有机染料。这些染料溶于乙醇、苯、丙酮、水等溶剂中，配成一定浓度的溶液盛入某种特定的容器里，采用光泵浦，通过循环或喷流的方式，便可以产生连续或脉冲发射的激光。由于染料分子本身可以吸收所产生的激光，因此，染料激光器发射的激光波长是可以连续改变的。这便利于人们有目的地选择各种不同波长的激光进行工作，这也是染料激光器的一个突出性能。染料激光器可分为连续波和脉冲两种。连续波激光器需用离子激光器泵浦；脉冲激光器需用氮分子激光器、石榴石激光器进行泵浦。

半导体激光器是以半导体作为工作物质而制成的激光器。目前最常见的

半导体激光器是以砷化镓作工作物质，用电泵浦，以 P—N 结注入式方法发生激励作用而产生激光的。砷化镓激光器的输出功率较小，发射红外光，相干性不好。就总体而言，半导体激光器转变效率高、体积却很小，结构非常稳定，在军事上，常常把它用来作为信号光源，用于飞机、坦克上的激光测距，配备火炮的自动瞄准系统，还可以进行激光侦察和夜间观察。

此外，新类型的激光器中，还有准分子激光器和化学激光器、自由电子激光器等。准分子是在物质的第四态等离子体下产生的，可以形成受激状态。准分子激光器波长范围很宽，功率很大，因而其发展、应用非常快。

化学激光器是依靠化学反应时产生的跃迁而发出激光，而不需要外来能源泵浦。其转换效率高、辐射波长短、器件不易损坏。

自由电子激光器不需要工作物质，而以高能电子的能量转变为激光能量，因而没有粒子数集聚反转的激光条件。

注：本小节参考资料《激光及其应用》，耿文学，河北科学技术出版社。