1.5 激光器

激光器是一种新型的发光器件，和前述的常见光源相比，具有方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等突出优点，因而在光电信息系统中应用广泛。

1.5.1 激光概述

激光，即Laser，是“light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写，其意为由受激辐射光放大产生的辐射。我国台湾的学者将“Laser”译为镭射。

从1960年世界上第一台激光器诞生至今，已经走过了50年的历程。在激光已获得高度发展的今天，对激光的含义应该有更为深刻的理解。激光，是指由原子（离子、分子等）系统受激辐射光放大形成的一种光子简并度（即某个状态（模式）中所具有的平均光子数，我们定义为该状态的光子简并度）很高的光辐射。

对激光含义的上述表述，明确了：①激光产生的物理机理是受激辐射（受激辐射放大）；②不是所有的受激辐射放大的光辐射都是激光，该受激辐射放大过程必须使光辐射的光子简并度达到足够高的值。

激光的最为基本的特性是其光辐射能量在量子状态（模式）上的高度集中性，即高光子简并度。由于激光具有高光子简并度这一基本特性，因而：①反映在空间，显示出了良好的方向性与空间相干性；②反映在频域，显示出了良好的单色性与时间相干性；③反映在时域，显示出了良好的超短性；④反映在能量的可集中性上，显示出了很高的单色亮度。

由上可知，高光子简并度才是激光最为基本的特性，而良好的方向性、单色性、空间与时间相干性等仅是高光子简并度这一基本特性在不同方面的反映。这是因为光束的方向性、单色性、空间与时间相干性等，都可以通过一个适当的普通光学系统加以提高，但无法通过一个普通的光学系统提高光束的光子简并度。为了能对激光的高光子简并度这一基本特性有更为深刻的理解，我们不妨将激光与20世纪的另一重大发明原子能技术做一对比。作为一种新型能源，与相同的普通能源（如煤）相比，原子能释放的能量可以有成亿倍的提高；而激光作为一种新型的光源，与相同功率的普通光源（如电灯）相比，它所发射的光能量并不能提高，而是光能量在状态（模式）上有了成亿倍的集中，也就是其光子简并度（单色亮度）可以有成亿倍的提高。

因此，激光的出现，其重要应用意义在于：①使信息技术从无线电波段全面推进到了光频波段。因为光是信息的重要载体，通过激光实现了1012 bps量级的极大信息容量、1012 bps量级的极快运算速度、1012 bit/cm3量级的极高存储密度，从而使我们进入了新的光信息时代。②实现了光能量在空间、频率及时间上的高度集中，使光的亮度有了成亿倍的提高。因为光也是能量的重要载体，通过激光实现了1022 W/cm2量级的极高功率、1014 Pa量级的极高压强、10-16 s量级的极短脉冲与极快可分辨过程、1012 K量级的极高温度与10-10 K量级的极低温度、10-8 nm量级的极窄频宽与极精密测量、10-8 m量级的极小可聚焦光斑与极精密加工。因此，在工业、农业、商业、医疗卫生、文化教育及高技术研究等领域开辟了一系列重要的应用。

1.5.2 气体激光器

气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电产生激励，实现粒子数反转。它的种类很多，波长覆盖了从紫外到远红外整个光谱区，目前已向两端扩展到X射线和毫米波波段。由于气体工作物质均匀性好，输出光束的质量相当高，其单色性和方向性一般优于固体和半导体激光器，是很好的相干光源。典型的气体激光器主要有以下三种。

1. 氦氖（He-Ne）激光器

氦氖激光器的工作物质是氦氖混合气，它利用气体电离的方法使粒子数反转，是一种原子气体激光器。它在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，首先使氦电离，然后利用氦气电离时产生的电子去电离氖气。氦氖气体激光器能够发出3种波长的谱线（即0.6328 μm、1.15 μm、3.39 μm），其中最常用的是桔红色（λ=0.6328 μm）的激光。

（1）氦氖激光器的优点

①单色性好，单模稳频氦氖激光器的谱线宽度只有10-17 m，颜色非常纯（波长稳定度为10-6左右），相干长度达几十千米；②方向性强，光束发散角很小，只有几毫弧度，激光束几乎是一条直线；③结构简单、紧凑，稳定性好；④造价低廉，使用方便。因此，它主要用于精密计量、全息术、准直测量等场合。

（2）氦氖激光器的类型

He-Ne激光器以直流电源驱动，输出光功率可达0.3～1.5mW以上。从结构上可分为全外腔、全内腔和半内腔三种形式：

① 全外腔激光器的放电管与腔反射镜完全分开，窗口密封镜片形成布儒斯特窗。全外腔激光器的优点是：输出线偏振光；反射镜可以随时调整，适于多种实验要求；受温度影响较小等。全外腔激光器的缺点是：经常需要调整，而调整技术又比较复杂，因而使用不便。

② 全内腔激光器的反射镜与放电管密封在一起，因此使用时不需调整谐振腔，用起来比较方便，但腔管受温度影响较大，输出不稳定。

③ 半内腔激光器是一块反射镜与放电管固定一起，另一块反射镜则和放电管分开，它具有上述两种结构的优点。

2. 氩离子（Ar+）激光器

氩离子激光器的工作物质是氩气，在低气压大电流下工作，因而激光管的结构及其材料都与He-Ne激光器不同。连续的氩离子激光在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击，因此小功率放电管常用耐高温的熔石英做成，大功率放电管常用高导热系数的石墨或BeO陶瓷做成。在放电管的轴向上加一均匀的磁场，使放电离子约束在放电管轴向附近。放电管外部通常用水冷却，以降低工作温度。

氩离子激光器的输出谱线属于离子光谱线，主要波长有452.9nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、514.5nm。其中，488.0nm和514.5nm两条谱线为最强，约占总输出功率的80%。

3. 二氧化碳（CO2）激光器

二氧化碳激光器的工作物质是二氧化碳，掺入少量的N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。激光器输出谱线波长分布在9～11 μm的红外区域，典型的波长为10.6 μm。

二氧化碳激光器的激励方式通常有低气压纵向连续激励和横向激励两种。低气压纵向激励激光器的结构与He-Ne激光器类似，但要求放电管外侧通水冷却，它是气体激光器中连续输出功率最大和转换效率最高的一种器件，输出功率从数十瓦至数千瓦。横向激励的激光器可分为大气压横向激励和横流横向连续激励两种。大气压横向激励激光器是以脉冲放电方式工作的，输出能量大，峰值功率可达千兆瓦的数量级，脉冲宽度为2～3 μm。横流横向连续激励激光器可以获得几万瓦的输出功率。二氧化碳激光器广泛应用于金属材料的切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。

1.5.3 固体激光器

固体激光器即激光工作物质是固体的激光器，具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于与光纤耦合、使用寿命长、单元技术成熟与体积较气体激光器小等优点，现已用于测量吸收光谱，如测量由污染物产生的瑞利和拉曼散射光谱；超长距离的测量，如人造卫星测距、地球到月球的测距等。固体激光器的主要缺陷是常用惰性气体放电灯泵浦效率低，热效应严重，从而限制了输出功率的进一步提高和光束质量的改善。下面将简介常见的红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石等激光器。

1. 红宝石激光器

红宝石激光器是发现最早、用途最广的晶体激光器。粉红色的红宝石是掺有0.05%铬离子（Cr3+）的氧化铝（Al2O3）单晶体。红宝石被磨成圆柱形的棒，棒的外表面经粗磨后可吸收激励光。棒的两个端面研磨后再抛光，使两个端面相互平行，并垂直于棒的轴线，再镀以多层介质膜，构成两面反射镜。其中，激光输出窗口为部分反射镜，其反射比约为0.9，另一个则为高反射比镜面。

此外，作为激光器的激励源的脉冲氙灯安置与红宝石棒平行，它们两者分别位于内表面镀铝的椭圆柱体谐振腔的两个焦点上。脉冲氙灯的瞬时强烈闪光，借助于聚光镜腔体会聚到红宝石棒上，这样红宝石激光器就输出波长为694.3nm的脉冲红光。这种固体激光器采用调Q工作方式，其脉冲宽度为几毫秒量级，输出能量可达1～100 J，广泛用于激光测距与测速等系统中。

2. 玻璃激光器

玻璃激光器常用钕玻璃作工作物质，它在闪光氖灯的照射下，在1.06 μm波长附近发射出很强的激光。钕玻璃的光学均匀性好，易做成大尺寸的工作物质，因而可用它制成大功率或大能量的固体激光器。

目前，利用掺铒（Er）玻璃制成的激光器，可产生对人眼安全的1.54 μm的激光。

3. YAG激光器

YAG激光器是以钇铝石榴石为基质的激光器。随着掺杂的不同，可发出不同波长的激光。最常用的是掺钕（Nd）YAG，它可在脉冲或连续泵浦条件下产生激光，波长约为1.064 μm。其他还有：掺铒的YAG，发出1.7 μm的激光；掺钬（Ho）的YAG，发出2.1 μm的激光；掺钕：铒的YAG，它发出1.06 μm和2.9 μm双波长的激光；掺铬（Cr）：铱（Ir）：钬的YAG，发出2 μm的激光；掺铬：铥（Tm）：铒的YAG，发出2.69 μm的激光等。

1.5.4 液体激光器

液体激光器是工作物质为液体的激光器。它具有独特的输出特性：输出激光谱线宽、光束发散角小、激光输出波长可移动（可调谐），某两种液体混合可产生输出新波长的液体，激活离子密度大，增益系数高，能量转换效率高（可通过流体散热），输出功率较高，光学均匀性好，冷却方便，价格较便宜等优点。但液体激光器本身用起来极为不方便，需要困难的手工操作和闭环泵浦以避免热效应使激光器的特性遭到破坏，而且可以致癌，因而应用较少。

液体激光器常用的典型代表是染料激光器，它以染料为工作物质。将染料溶解于某种有机溶液中，在一种特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。某些染料在脉冲氙灯或其他激光的强光照射下，可成为具有放大特性的激活介质。用染料激活介质做成的激光器，在其谐振腔内放入色散元件，通过调谐色散元件的色散范围，可获得不同的输出波长，因而称为可调谐染料激光器。它在激光光谱学、激光化学、同位素分离等科研领域具有重要的应用价值。在激光医学上，其577nm波长可用来治疗血红癌（血红斑）；630nm波长可用来做血卟啉光动力学治疗；在激光娱乐、表演方面，它可以方便地提供绿光、黄光、红光等光源。

若采用不同的染料溶液和激励光，染料激光器输出波长范围为320～1000nm。染料激光器有连续和脉冲两种工作方式：连续工作方式输出稳定，线宽小，功率大于1W；而脉冲工作方式的输出功率高，脉冲输出能量可达120mJ。