激光器，自1960年诞生以来，已在诸多学科与领域中展现出广泛的应用价值。随着激光器件与技术的飞速发展，其应用领域不断拓展。激光器作为一种性能卓越的辐射源，若能得到合理运用，将催生新的光电技术及测量方法，甚至可能提升测量的精确度。

1. 激光器的工作原理

激光器主要由工作物质、谐振腔和泵浦源三个部分构成，如图2-14所示。其中，常用的泵浦源包括辐射源或电源，其作用是提供能量，将工作物质中的粒子从低能态提升至高能态。当高能态粒子数超过低能态粒子数时，便形成了粒子数的反转分布，这是激光产生的关键条件。

激光器的工作原理图
当处于高能态的粒子在频率为v的辐射场作用下，从高能态跃迁至低能态时，会发射出一个能量为hv的光子。这一过程被称为粒子的受激发射跃迁，而由此产生的光子则被称为受激辐射光子。这些受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、相位、波矢（即传播方向）以及偏振状态。在谐振腔内，这些辐射波（包括激励光子和受激辐射光子）不断来回传播，并在轴线上经历多次反射，从而激发出更多的辐射，实现辐射能量的放大。当这些辐射在谐振腔内往返一次所获得的增益，足以弥补或超越其所遭受的各种损耗时，即满足激光产生的阈值条件，受激和放大的辐射便可通过部分透射的平面镜输出至腔外，从而产生激光。

为了实现激光的产生，激光器的谐振腔设计至关重要。反射镜的镀层必须对激发波长具有高反射率、低吸收率，同时还要保证波长稳定性和足够的机械强度。因此，实际应用的激光器结构通常比图2-14所示的更为复杂。目前，气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等是常用的激光器类型，接下来我们将逐一进行介绍。

2. 气体激光器

气体激光器以气体作为其工作物质。在各种激光器中，气体激光器以其丰富的工作物质选择、多样的激励方式以及广泛的波长发射范围而脱颖而出。接下来，我们将重点介绍氦氖激光器。

（1）氦氖激光器

氦氖激光器是一种常见且性能稳定的气体激光器。其核心部件包括放电管和谐振腔，通过放电激发氦气分子，进而产生激光输出。氦氖激光器具有输出功率适中、波长稳定、结构紧凑等特点，在科研、工业和医疗等领域有着广泛的应用。
① 结构。氦氖激光器主要由放电管、共振腔和激光电源三部分构成。放电管涵盖放电毛细管、氖气管及电极。放电毛细管，作为气体放电与激光产生的核心区域，其内径约为1.2至1.3毫米。氖气管则与放电毛细管同轴并相连通。电极方面，阴极通常由镍、铅、钼等材料制成的圆筒，而阳极则采用钨棒，这样能有效减小对地的电容量，进而降低张弛振荡的风险，确保输出稳定性。共振腔则是由两块凹镜或球面镜组成，其中一块镜子的反射率接近100%，而另一块输出镜的反射率则根据激光器的增益来设定，通常在98.5%至99.5%之间。至于激光电源，一般可选择稳定的直流、工频或射频交流。特别是在精密测量中，会采用直流稳压电源来确保激光的稳定性。此外，激光器的结构也有内腔式、半内腔式和外腔式三种选择，其中外腔式激光器输出的激光偏振特性更为稳定，而内腔式则以其使用便捷性受到青睐。
图 氦氖激光器的结构示意图

② 工作原理。在常态下，气体被视为绝缘体，其中每立方厘米仅包含几个至几百个带电离子和电子。当在放电管两端施加电压时，电流起初非常微弱。随着电压逐渐增加，气体最终击穿并开始导电，即“着火”，此时管内电流和两端电压会突然变化。气体击穿后的导电状态可分为辉光放电和弧光放电两种类型。为了应对气体击穿时放电管两端产生的巨大压降，通常会在气体放电管中串接一个与放电光相匹配的限流电阻或镇流器。

气体放电的本质在于碰撞电离。在放电管着火后，大部分压降会集中在阴极附近的狭窄区域内。那里的强电场会加速阴极飞出的电子，使其获得足够的动能。这些高速电子在与气体中性原子或分子碰撞时，会导致中性原子或分子电离成正离子和电子。阴极会吸收正离子并进一步发射电子，从而增强电离作用，形成持续的放电过程。同时，当高速电子与氦氖原子发生碰撞时，电子会损失全部或大部分能量，使氦氖原子受激吸收。由于电子能量较低，通常只能将氦氖原子激发到较低的能态。由于氦的较低能级数多于氖，因此氖原子在此过程中受激跃迁的粒子数相对较多。此外，氖原子在激发态（亚稳态）下的寿命特别长，远大于氖原子，这导致大量氖原子长时间处于基态。由于氦原子的质量远大于电子且能量充沛，当大量处于激发态的氦原子与基态的氖原子发生碰撞时，能够使氖原子跃迁到高能态，而氦原子则回到基态。因此，氖原子在这里扮演着能量中继站的角色，为增加氖原子跃迁到高能级的数目以及实现激光粒子数反转创造了条件。
③ 性能。氦氖激光器能够连续输出激光，且其输出幅度和频率相当稳定。它主要输出三个波长：0.6328μm，1.15μm和3.39μm，其中0.6328μm波长的性能表现最佳，其频率不稳定度大约为10-6。通过采用稳频技术，该激光器的频率不稳定度甚至能达到10-11至10-12的水平，复现性达到10-10。此外，氦氖激光器输出的光束具有出色的相干性和方向性，这一性能在各类激光器中名列前茅。

然而，氦氖激光器也存在一些不足，如其效率相对较低，输出功率仅在1毫瓦至数十毫瓦之间。与其它光源相比，它需要较高的电压和相对复杂的电源系统，且体积较大。但总体而言，氦氖激光器在光电检测领域具有显著优势，如单色性和相干性好、频率稳定性高、结构简单以及制造方便和造价低廉等特点。因此，它在精密计量、全息术、准直测量、印刷和显示等技术中得到了广泛应用。

（2）氩离子激光器

氩离子激光器以氩气为工作物质，在低气压大电流环境下工作。这使得其激光管的结构和材料与氦氖激光器有所不同。该激光器连续运转，并需承受高温和离子轰击，因此小功率放电管通常采用耐高温的熔石英制成，而大功率放电管则选用高导热系数的石墨或BeO陶瓷。为了约束放电离子并保持其稳定性，通常在放电管轴向施加均匀磁场。此外，放电管外部还通过水冷却来降低工作温度。

氩离子激光器的输出谱线属于离子光谱线，其中488.0nm和514.5nm两条谱线的功率最强，约占输出总功率的80%。

（3）二氧化碳（CO2）激光器

CO2激光器的显著特点是其输出功率大、能量转换效率高，且输出波长（10.6μm）恰好处于大气窗口中。这使得它在激光加工、医疗、大气通信以及军事等多个领域都有广泛的应用。
CO2激光器的工作物质是CO2、N2和He的混合气体。其激光跃迁过程发生在CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的存在提高了激光上能级的激励效率，而He则有助于激光下能级的抽空。该激光器的谐振腔通常采用平凹腔设计，其中高反射镜可由金属制成，或在玻璃上镀一层金属膜。输出端则通过小孔耦合方式，或采用由Ge、GaAs等材料制成的红外光透过性输出窗进行输出。此外，CO2激光器有多种类型，主要可分为四类。
① 纵向流动CO2激光器。此类激光器的结构设计类似于内腔式激光器，但工作原理有所不同。在纵向流动CO2激光器中，气体从放电管的一端进入，沿光轴方向流动至另一端，同时伴随放电电流。这种设计旨在排除CO2与电子碰撞时产生的CO气体，并补充新鲜气体。在最佳放电条件下，这类激光器的输出功率范围为50W/m至1KW/m。

② 封离型CO2激光器。这种激光器通过加入催化剂O2来促使CO2分子分解的CO与O重新结合为CO2，同时选用不与O2反应的阴极材料，以确保充足的O2供应。此外，还会加入少量的H2O或H2作为催化剂。封离型激光器的输出功率大约在50至60W/m之间。

③ 横向流动CO2激光器。此类激光器的气体流动方向与光轴垂直，流动截面大且路径短，因此即使在较低的流动速度下也能达到良好的冷却效果。其最佳压强可达1.3×104Pa，高压强有助于提高激光输出功率。此类激光器的单位长度输出功率高达每米数千瓦，总输出功率范围为1至20kW。

④ 波导CO2激光器。这是一种小型激光器，其放电管由BeO或玻璃制成，直径仅为1至4mm。由于放电管壁对小角度掠射光的菲涅耳反射率很高，因此可以在放电管中低损耗地传输波导模。此类激光器既可采用纵向放电也可采用横向射频激励。由于其放电管径小，气压可高达（1.5～2.5）×104Pa，输出功率为50W/m，非常适合制作小型封离型激光器，其输出功率小于30W。

此外，还有氮分子激光器、准分子激光器等其他气体激光器，它们的输出激光波长位于紫外波段，在光化学、同位素分离、医学、生物学、荧光激励、光电子及微电子工业等多个领域都有广泛的应用。

3. 固体激光器

固体激光器以具有独特性质的高质量光学玻璃或光学晶体为工作物质，其中掺杂了具有激光发射能力的金属离子。这类激光器材料种类繁多，同一晶体因掺杂不同可形成特性各异的激光器材料，如红宝石、钕玻璃和钇铝石榴石等。红宝石激光器作为最早研制成功且应用广泛的晶体激光器，其核心成分是掺杂了0.05%铬离子的氧化铝单晶体。经过精细加工，红宝石被制成直径8mm、长度约80mm的圆棒，棒的两端被抛光成平行度极高的平面镜，并镀上相应膜层以实现激光输出。

在红宝石激光器中，脉冲氙灯作为激励源，其强烈闪光通过聚光镜腔体精确聚焦于红宝石棒上，从而输出波长为0.6943μm的脉冲红光。这种激光器以单次脉冲方式工作，脉冲宽度在毫秒量级，能量达到焦耳数量级，效率虽低但实用性极高。

此外，玻璃激光器也备受关注。它们常以钕玻璃为工作物质，在闪光氙灯照射下能发射出1.06μm波长附近的强激光。钕玻璃具有优异的光学均匀性，易于制成大尺寸工作物质，非常适合用于制作大功率或大能量的固体激光器。近年来，掺铒玻璃激光器的发展也值得瞩目，它们能产生对人眼安全的1.54μm激光。

YAG激光器，以钇铝石榴石为基质，通过掺杂可发出不同波长的激光。此外，还有许多其他类型的固体激光器，如色心激光器、可调谐晶体激光器、板条激光器和串联激光器等，它们在材料和结构上各有特色。

4. 染料激光器

染料激光器属于液体激光器范畴，其工作物质主要分为两类：一类是有机染料溶液，另一类则是含有稀土金属离子的无机化合物溶液。这类激光器通常采用光泵激励，有时也会采用其他激光器作为激励源。当特定波长的光照射某些染料时，它们会转变为具有放大作用的激活介质。在谐振腔内放置色散元件后，通过调整色散元件的参数，可以获得不同波长的输出，这种激光器被称为可调谐染料激光器。其工作原理如图2-17所示。

可调谐染料激光器原理图

在染料激光器中，通过巧妙地放置色散元件并调整其参数，我们可以获得不同波长的输出。这样的激光器被称为可调谐染料激光器，其工作原理如图2-17所示。

5. 半导体激光器

半导体激光器是一种以半导体材料，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）和钎锡碲（PbSnTe）等，作为工作物质的激光器。其激发方式多样，包括PN结正向注入、电子束激发、光激发以及粒子碰撞电离激发等。特别地，PN结正向注入半导体激光器，也被称为结型激光器。

半导体激光器的运作原理与之前讨论的发光二极管相似，其中PN结充当激活介质。图2-18描绘了砷化镓同质结二级光激光器的结构，其谐振腔由两个与结平面垂直的晶体解理面构成。PN结通常通过扩散法或液相外延法进行制备。在PN结正向注入电流时，即可激发出激光。

图 GaAs半导体激光器

半导体激光器的波长范围目前为0.33至44μm，这一范围因材料和结构的不同而有所差异。其光输出与电流特性如图2-19所示，图中受激发射曲线与电流轴的交点即为该激光器的阈值电流，它标志着半导体激光器产生激光输出所需的最小注入电流。值得注意的是，阈值电流会随着温度的上升而增大。而阈值电流密度，作为衡量半导体激光器性能的关键参数，其数值受到材料、工艺以及结构等多个因素的影响。

图半导体激光器输出-电流特性

半导体激光器以其小巧的体积、轻盈的重量、长久的寿命以及高转换效率而备受瞩目。例如，砷化镓激光器的转换效率可高达20%，且使用寿命超过10000小时。随着半导体技术的日新月异，新型半导体激光器层出不穷，涵盖了单模、多模、单管及列阵等多种类型，波长范围从0.4至1.6μm，功率也从毫瓦级跃升至瓦级。这些激光器在光通信、光存储、光集成、光计算机以及激光器泵浦、光学测量和自动控制等多个领域都有广泛应用。然而，由于实用激光器的种类繁多，且性能各异，因此在选择时，确实需要根据具体需求来做出最适合的决策。