几种激光发生器

徐长发，华中科技大学， 2019.10.30

根据激光产生原理的分析知道，激光是在“激励源”的作用下，原子的高能级电子数增多，在停留极短时间后又跃迁到低能级，同时发出激光。不难知道，一定有很多很多物质的原子在“激励源”的作用下能够发出激光。

粗略地说，想制造出激光发生器，要有4个要素：

1.选择产生激光的工作介质。可以是气体、液体、固体或半导体，只要介质中可以实现粒子数反转，就可以获得激光。

2.选择“激励源”很重要。“激励源”要让介质的低能级电子有效地跃迁到高能级，实现所谓的电子数反转。可以用气体放电的办法，利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式都被形象化地称为泵浦或抽运。“泵浦”的目的就是要让高能级的粒子数比低能级的多。

3.构造谐振腔也很重要。因为“泵浦”所产生的激光强度很弱，无法实际应用，需要让弱激光与激光谐振起来，让输出的激光增强，以达到实际应用的程度。

4.高能激光器需要冷却系统。因为谐振腔内是强光，所以谐振腔需要冷却。

按激光的工作介质分类有：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、化学激光器，现在还有一种“透明陶瓷激光器”。

按激光的输出方式分类有：连续激光器、脉冲激光器。

激光器的性能指标主要集中在以下几个方面：一是所发激光束的频率范围，因为激光可以做“激励源”，也可以做频谱分析光源，所以必须要知道所发激光的频谱；二是所发激光束的功率大小，特别是最大功率，因为功率大小划定了激光器的应用范围；三是激光束能量集中的照射面积，因为照射面积大小不同的应用场合也不同。

一．固体激光器

很多固体物质都能制作激光器。特别地，用人工合成的办法，用制造陶瓷的工艺，可以制造出含有不同成分的晶体，称为“透明陶瓷激光介质”，现在，用人工晶体做出的激光器非常方便实用。下面介绍常见的3种固体激光器。

1.红宝石激光器

最早的激光器是红宝石激光器。1960年7月，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果震惊全世界，并引发研制激光器的热潮。

分析可知，红宝石是晶体，其基质是Al2O3，其中含有0.03-0.4%（重量比)的 Cr2O3（三氧化二铬），于是可以把这些材料粉末压制成型，真空烧结，就可以生产出人造的红宝石晶体，用人造红宝石棒制作激光器的性能优越，应用普遍，人们也对这种激光介质做了充分的研究；特别是“泵浦源”采用较强的脉冲氙灯；谐振腔还是采用老办法，在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的反射镜，一块将激光几乎全反射到工作介质处参与谐振，另一块将大部分光反射回去谐振，且让少量的激光透过这块镜子射出，射出的是强烈的激光，是用于实用的激光。

现在，红宝石激光器的输出能量可以做出不同等级的，最大可达数千焦耳级。

氦-氖激光器

氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一，输出功率在0.5~100毫瓦之间，具有非常好的光束质量，可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验。

气体激光器与固体激光器比较，一般的，气体激光器输出的能量密度比固体激光器小。

三．半导体激光器

目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是GaAs（砷化镓）二极管半导体激光器。

对于GaAS（砷化镓）激光器，用电流激励方式，在半导体物质的能带之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当反转状态的电子与空穴复合时便产生激光。

半导体二极管激光器可以发出可见的激光，也可发出近红外光或紫外光。值得说明的是，普通的发光二极管（LED）发出的光不是激光，激光二极管（LD）是在发光二极管的基础上再增设谐振腔制成的。

半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高、寿命长。因为可以采用电压和电流激励，所以它可以与集成电路兼容。它还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

光纤通信是半导体激光器最重要的应用领域，通信网络离不开半导体激光器。

可见光半导体激光器的应用到处可见，例如条码读出器、光存贮的读出和写入、激光打印、激光印刷、屏幕彩色显示、高清晰度彩色电视等。

半导体激光器也常用于激光遥感、*空间通信、大气窗口、大气监视和化学光谱分析等方面。

半导体激光器的军事用途也十分精彩，例如红外对抗、激光瞄准、激光测距、激光雷达、激光制导、激光引信等。

四．化学激光器

化学激光器是用化学反应来产生激光的。如，氟原子和氢原子发生化学反应时，能生成处于激发状态的氟化氢分子。这样，当两种离子态气体迅速混合后，便能产生激光，因此不需要别的能量，就能直接从化学反应中获得很强大的光能。

目前，最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF）两种装置，前者的激光波长在2.6～3.3微米之间；后者的在3.5～4.2微米之间。还有，溴化氢（HBr）激光器，波长为4.0～4.7微米；一氧化碳（CO）激光器，波长4.9～5.8微米；氧碘激光器，1.3微米。这些纯化学激光器目前均可实现数兆瓦的输出，其激光波长范围在近红外到中红外谱区，这类激光很容易在大气中或光纤中传输。

由于化学激光器是用化学反应来产生激光的，所以这类激光器的体积比较小，也比较适合于野外工作；特别地，可以产生高功率的激光，可用于军事目的，也可用于核聚变。

微观化学的研究直接推动了化学激光器的研究，化学激光器的发展方向主要集中于：1）要求实际操作化学反应激光的产生，要求功率可控制，间断时间可控制；2）要求整个发生器的体积小；3）要求能够产生超大功率的激光。

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