激光器 又名：laser

       1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發(fā)展了自由電子激光器，其工作介質(zhì)是在周期性磁場中運動的高速電子束，激光波長可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調(diào)Q和超短脈沖式等幾類。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長已達數(shù)千種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠紫外區(qū)的210埃，X射線波段的激光器也正在研究中。

       除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個部分。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（ 見光學諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。

       激光工作物質(zhì)　是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。

       激勵(泵浦)系統(tǒng)　是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。

       ①光學激勵(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成，這種激勵方式也稱作燈泵浦。

       ②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。

       ③化學激勵。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學反應過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當?shù)幕瘜W反應物和相應的引發(fā)措施。

       ④核能激勵。是利用小型核裂變反應所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質(zhì)并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。

光學共振腔　

       通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。

       共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對腔內(nèi)不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
 

分類

       激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵方式、運轉(zhuǎn)方式、輸出波長范圍等幾個方面進行分類介紹。

按工作物質(zhì)分類　

       根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：

       ①固體（晶體和玻璃）激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的；

       ②氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的不同，而進一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；

       ③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機化合物液體（如SeOCl）則起基質(zhì)的作用；

       ④半導體激光器，這類激光器是以一定的半導體材料作工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用；

       ⑤自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。

按激勵方式分類　

       ①光泵式激光器。指以光泵方式激勵的激光器，包括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器，以及少數(shù)氣體激光器和半導體激光器。

       ②電激勵式激光器。大部分氣體激光器均是采用氣體放電（直流放電、交流放電、脈沖放電、電子束注入）方式進行激勵，而一般常見的半導體激光器多是采用結(jié)電流注入方式進行激勵，某些半導體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵。

       ③化學激光器。這是專門指利用化學反應釋放的能量對工作物質(zhì)進行激勵的激光器，反希望產(chǎn)生的化學反應可分別采用光照引發(fā)、放電引發(fā)、化學引發(fā)。

       ④核泵浦激光器。指專門利用小型核裂變反應所釋放出的能量來激勵工作物質(zhì)的一類特種激光器，如核泵浦氦氬激光器等。

 按運轉(zhuǎn)方式分類　

       由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵方式以及應用目的的不同，其運轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類型。

       ①連續(xù)激光器，其工作特點是工作物質(zhì)的激勵和相應的激光輸出，可以在一段較長的時間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進行，以連續(xù)光源激勵的固體激光器和以連續(xù)電激勵方式工作的氣體激光器及半導體激光器，均屬此類。由于連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中往往不可避免地產(chǎn)生器件的過熱效應，因此多數(shù)需采取適當?shù)睦鋮s措施。

       ②單次脈沖激光器，對這類激光器而言，工作物質(zhì)的激勵和相應的激光發(fā)射，從時間上來說均是一個單次脈沖過程，一般的固體激光器、液體激光器以及某些特殊的氣體激光器，均采用此方式運轉(zhuǎn)，此時器件的熱效應可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。

       ③重復脈沖激光器，這類器件的特點是其輸出為一系列的重復激光脈沖，為此，器件可相應以重復脈沖的方式激勵，或以連續(xù)方式進行激勵但以一定方式調(diào)制激光振蕩過程,以獲得重復脈沖激光輸出,通常亦要求對器件采取有效的冷卻措施。

       ④調(diào)激光器,這是專門指采用一定的 開關(guān)技術(shù)以獲得較高輸出功率的脈沖激光器，其工作原理是在工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)形成后并不使其產(chǎn)生激光振蕩 (開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài))，待粒子數(shù)積累到足夠高的程度后，突然瞬時打開 開關(guān)，從而可在較短的時間內(nèi)（例如10～10秒）形成十分強的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出。

       ⑤鎖模激光器，這是一類采用鎖模技術(shù)的特殊類型激光器，其工作特點是由共振腔內(nèi)不同縱向模式之間有確定的相位關(guān)系，因此可獲得一系列在時間上來看是等間隔的激光超短脈沖（脈寬10～10秒）序列，若進一步采用特殊的快速光開關(guān)技術(shù)，還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖（見激光鎖模技術(shù)）。

       ⑥單模和穩(wěn)頻激光器，單模激光器是指在采用一定的限模技術(shù)后處于單橫?；騿慰v模狀態(tài)運轉(zhuǎn)的激光器，穩(wěn)頻激光器是指采用一定的自動控制措施使激光器輸出波長或頻率穩(wěn)定在一定精度范圍內(nèi)的特殊激光器件，在某些情況下，還可以制成既是單模運轉(zhuǎn)又具有頻率自動穩(wěn)定控制能力的特種激光器件（見激光穩(wěn)頻技術(shù)）。

       ⑦可調(diào)諧激光器，在一般情況下，激光器的輸出波長是固定不變的，但采用特殊的調(diào)諧技術(shù)后，使得某些激光器的輸出激光波長，可在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可控地發(fā)生變化，這一類激光器稱為可調(diào)諧激光器（見激光調(diào)諧技術(shù)）。

按輸出波段范圍分類　

       根據(jù)輸出激光波長范圍之不同，可將各類激光器區(qū)分為以下幾種。

       ①遠紅外激光器，輸出波長范圍處于25～1000微米之間, 某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區(qū)域。

       ②中紅外激光器，指輸出激光波長處于中紅外區(qū)(2.5～25微米)的激光器件,代表者為CO分子氣體激光器(10.6微米)、 CO分子氣體激光器（5～6微米）。

       ③近紅外激光器,指輸出激光波長處于近紅外區(qū)（0.75～2.5微米）的激光器件，代表者為摻釹固體激光器（1.06微米）、CaAs半導體二極管激光器(約 0.8微米)和某些氣體激光器等。

       ④可見激光器，指輸出激光波長處于可見光譜區(qū)（4000～7000?；?.4～0.7微米）的一類激光器件，代表者為紅寶石激光器 （6943埃）、 氦氖激光器（6328埃）、氬離子激光器（4880埃、5145埃）、氪離子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可調(diào)諧染料激光器等。

       ⑤近紫外激光器，其輸出激光波長范圍處于近紫外光譜區(qū)（2000～4000埃），代表者為氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)準分子激光器（3511埃、3531埃）、 氟化氪(KrF)準分子激光器(2490埃)以及某些可調(diào)諧染料激光器等

       ⑥真空紫外激光器,其輸出激光波長范圍處于真空紫外光譜區(qū)(50～2000埃）代表者為（H）分子激光器 (1644～1098埃)、氙(Xe)準分子激光器（1730埃）等。

       ⑦X射線激光器, 指輸出波長處于X射線譜區(qū)（0.01～50埃）的激光器系統(tǒng)，目前軟X 射線已研制成功，但仍處于探索階段

發(fā)明

       激光器的發(fā)明是20世紀科學技術(shù)的一項重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數(shù)量極大、運動極混亂的分子和原子的發(fā)光過程，從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。激光科學技術(shù)的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。

       激光器的誕生史大致可以分為幾個階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個能量等于兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個光子，同第一個光子同時發(fā)射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。

       此后，量子力學的建立和發(fā)展使人們對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運動規(guī)律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產(chǎn)生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生后，被很快應用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應的器件。這些科學理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。

       如果一個系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，就出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。那么只要有一個光子引發(fā)，就會迫使一個處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實現(xiàn)了光的放大；如果加上適當?shù)闹C振腔的反饋作用便形成光振蕩，從而發(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學家查爾斯?湯斯以及蘇聯(lián)物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產(chǎn)生和放大微波的設計。

       然而上述的微波波譜學理論和實驗研究大都屬于“純科學”，對于激光器到底能否研制成功，在當時還是很渺茫的。

       但科學家的努力終究有了結(jié)果。1954年，前面提到的美國物理學家湯斯終于制成了第一臺氨分子束微波激射器，成功地開創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。

       湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了1.25厘米波長的微波，功率很小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動科學家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機理，以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的光源。1958年，湯斯與姐夫阿瑟?肖洛將微波激射器與光學、光譜學的理論知識結(jié)合起來，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。

       此后，世界上許多實驗室都被卷入了一場激烈的研制競賽，看誰能成功制造并運轉(zhuǎn)世界上第一臺激光器。

       1960年，美國物理學家西奧多?梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界范圍內(nèi)的研制競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。

       “梅曼設計”引起了科學界的震驚和懷疑，因為科學家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。

       盡管梅曼是第一個將激光引入實用領(lǐng)域的科學家，但在法庭上，關(guān)于到底是誰發(fā)明了這項技術(shù)的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“激光”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發(fā)明者戈登?古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發(fā)明者湯斯與肖洛也發(fā)展了有關(guān)激光的概念。經(jīng)法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個月而成為勝者。不過梅曼的激光器的發(fā)明權(quán)卻未受到動搖。

       1960年12月，出生于伊朗的美國科學家賈萬率人終于成功地制造并運轉(zhuǎn)了全世界第一臺氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學家?guī)缀跬瑫r發(fā)明了半導體激光器。1966年，科學家們又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網(wǎng)的化學激光器等紛紛問世。

       由于激光器具備的種種突出特點，因而被很快運用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領(lǐng)域引起了革命性的突破。比如，人們利用激光集中而極高的能量，可以對各種材料進行加工，能夠做到在一個針頭上鉆200個孔；激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段，已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的實際應用上取得了良好效果；在 通信 領(lǐng)域，一條用激光柱傳送信號的光導電纜，可以攜帶相當于2萬根電話銅線所攜帶的信息量；激光在軍事上除用于通信、夜視、預警、測距等方面外，多種激光武器和激光制導武器也已經(jīng)投入實用。

       今后，隨著人類對激光技術(shù)的進一步研究和發(fā)展，激光器的性能將進一步提升，成本將進一步降低，但是它的應用范圍卻還將繼續(xù)擴大，并將發(fā)揮出越來越巨大的作用。

發(fā)展歷程

       激光的英文laser 這個詞是由最初的首字母縮略詞LASER演變而來，LASER的意思是“受激輻射光放大器”英文的單詞的縮寫簡略。

       激光技術(shù)中的關(guān)鍵概念早在1917年愛因斯坦提出“受激輻射”時已經(jīng)開始建立起來了，激光這個詞曾經(jīng)飽受爭議；Gordon Gould是記載中第一個使用這個詞匯的人。

       1953年，美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯和他的學生阿瑟·肖洛制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。

       1958年，C.H.湯斯和A.L.肖洛把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍。

       1960年，T.H.西奧多·梅曼制成了第一臺紅寶石激光器。

       1961年，伊朗科學家A.賈文等人制成了氦氖激光器。

       1962年，R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器。

       2013年，南非科學與工業(yè)研究委員會國家激光中心研究人員開發(fā)出世界首個數(shù)字激光器，開辟了激光應用的新前景。研究成果發(fā)表在2013年8月2日英國《自然通訊》雜志上。

專利之爭

       激光器最早是科學家 Gordon Gould在1958年搭建出來，但是直到1959年才發(fā)表相關(guān)論文，但在其申請專利的過程中卻被拒絕了，因為他的導師就是maser（微波諧振腔） 技術(shù)的發(fā)明者Charles Townes（發(fā)明了產(chǎn)生微波microwave輸出技術(shù)）。由于受到導師的影響專利一直沒有被批復。直到1977年激光器的專利才在美國批準。

       長期的專利之戰(zhàn)，反而對Gould更為有利，因為他獲得專利的時候，激光器已經(jīng)大規(guī)模應用，受專利保護期的限制問題，如果專利一申請就批復下來，因為應用不廣泛，反倒賺不到太多錢了。

種類

1. 氣體激光器

       在氣體激光器中，最常見的是氦氖激光器。世界上第一臺氦氖激光器是繼第一臺紅寶石激光器之后不久，于1960年在美國貝爾實驗室里由伊朗物理學家賈萬制成的。由于氦氖激光器發(fā)出的光束方向性和單色性好，可以連續(xù)工作，所以這種激光器是當今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密測量、準直定位上。

       氣體激光器中另一種典型代表是氬離子激光器。它可以發(fā)出鮮艷的藍綠色光，可連續(xù)工作，輸出功率達100多瓦。這種激光器是在可見光區(qū)域內(nèi)輸出功率最高的一種激光器。由于它發(fā)出的激光是藍綠色的，所以在眼科上用得最多，因為人眼對藍綠色的反應很靈敏，眼底視網(wǎng)膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光。因此，用氬離子激光器進行眼科手術(shù)時，能迅速形成局部加熱，將視網(wǎng)膜上蛋白質(zhì)變成凝膠狀態(tài)，它是焊接視網(wǎng)膜的理想光源。氬離子激光器發(fā)出的藍綠色激光還能深入海水層，而不被海水吸收，因而可廣泛用于水下勘測作業(yè)。

2. 液體、化學和半導體激光器

       液體激光器也稱染料激光器，因為這類激光器的激活物質(zhì)是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發(fā)它們發(fā)射出激光，一般采用高速閃光燈作激光源，或者由其他激光器發(fā)出很短的光脈沖。液體激光器發(fā)出的激光對于光譜分析、激光化學和其他科學研究，具有重要的意義。

       化學激光器是用化學反應來產(chǎn)生激光的。如氟原子和氫原子發(fā)生化學反應時，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。這樣，當兩種氣體迅速混合后，便能產(chǎn)生激光，因此不需要別的能量，就能直接從化學反應中獲得很強大的光能。這類激光器比較適合于野外工作，或用于軍事目的，令人畏懼的死光武器就是應用化學激光器的一項成果。

       在當今的激光器中，還有一些是用半導體制成的。它們體積小，使用壽命長，激勵方式簡單（通常采用電激勵），閾值電流低，易于規(guī)模化生產(chǎn)，早期的半導體激光器的輸出激光相干性、方向性等性能較差，輸出激光頻率種類較少，大多在紅外區(qū)，但是現(xiàn)在隨著研究的深入和半導體材料和結(jié)構(gòu)的拓展，半導體激光器家族中出現(xiàn)了諸如邊發(fā)射激光器、量子阱激光器、垂直腔表面發(fā)射激光器等等輸出激光性能優(yōu)異的新成員，輸出激光頻率類型在可見光區(qū)域也廣有分布。尤其是垂直腔表面發(fā)射激光器，除了具有單縱模輸出、低閾值電流起振等優(yōu)異特性之外，還具有在生產(chǎn)工藝上大規(guī)模化和陣列化，這樣，半導體激光器也能輸出大功率激光，而且進一步降低半導體激光器的生產(chǎn)成本，利于激光器的普及應用。目前，半導體類激光器是激光器家族中應用最為廣泛的一支，如在光通信（如光纖通信）、光存儲和讀取（即光盤和光驅(qū)）、光開關(guān)、光邏輯器件等等。

3. 固體激光器

       前面所提到的紅寶石激光器就是固體激光器的一種。早期的紅寶石激光器是采用普通光源作為激發(fā)源?，F(xiàn)在生產(chǎn)的紅寶石激光器已經(jīng)開發(fā)出許多新產(chǎn)品，種類也增多。此外，激勵的方式也分為好幾種，除了光激勵外，還有放電激勵、熱激勵和化學激勵等。

       固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器，它的工作物質(zhì)是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。此外，釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白內(nèi)障和青光眼十分有效。

4. “隱身”和“變色”激光器

       另外還有兩種較為特殊的激光器。一種是二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產(chǎn)生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生的波長10.6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它的一端貼上鍍金反射鏡片，另一端貼一塊能讓10.6微米紅外光通過的鍺平面鏡片作為紅外激光輸出鏡。一般的玻璃鏡片不讓這種紅外光通過，所以個能做輸出鏡。放電管放電時發(fā)出粉紅色的自發(fā)輻射光，它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。做實驗時，一不小心就會把自己的衣服燒壞，裸露的皮膚碰到了也要燒傷，所以這種激光器上都貼著“危險”的標記，操作時要特別留神。

5.近紅外光譜儀

       近紅外光譜儀專為滿足實際應用的挑戰(zhàn)而設計的，具有卓越的性能、長期穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和超低功耗的優(yōu)點。
 

       二氧化碳激光器形式很多。放電管最長的達200多米，要占據(jù)很大的場地。科學家想出辦法，將筆直的放電管彎成來回轉(zhuǎn)折的形狀，或是把放電管疊起來安裝，將它們的實際長度壓縮到20米左右；為了使激光器的光路不受振動的影響，整個器件安放在地下室粗大的管道內(nèi)。后來發(fā)明的一種稱為橫向流動的二氧化碳激光器，長度縮到只有一張大辦公桌那樣長短，能射出幾千瓦功率的激光。這樣的激光器已被許多汽車拖拉機廠用來加工大型零件。輸出功率更大的一種二氧化碳激光器結(jié)構(gòu)像大型噴氣發(fā)動機，開動起來聲音響得嚇人，它能產(chǎn)生上百萬瓦的連續(xù)激光，是連續(xù)方式發(fā)射激光中的最強者。最初的激光打坦克靶實驗，用的就是這種激光器。它是科學家把空氣動力學和激光科學相結(jié)合而制造出來的。

       以脈沖方式發(fā)射的二氧化碳激光器也有很多種，在科研和工業(yè)中用途極廣。如果按每一脈沖發(fā)出的能量大小作比較，那么，脈沖二氧化碳激光器又是脈沖激光器中的最強者。
 

       這里，我們要回到激光先驅(qū)者湯斯曾經(jīng)研究過的問題上來，談一談毫米波的產(chǎn)生。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，許多科學家對這一難題又發(fā)起了進攻：采用放電或利用強大的二氧化碳激光作為激勵源去激發(fā)氟甲烷、氨等氣體分子，一步步地把發(fā)射出來的激光波長延長，擴展。開始達幾十微米，后來達幾百微米，也就是亞毫米波了。本世紀60年代中期到70年代中期，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，科學家根據(jù)激光的原理和方法產(chǎn)生了毫米波。這樣，從光波到微波之間的空白地帶便被不斷發(fā)現(xiàn)的新紅外激光填補了。
 

       從研究中，科學家發(fā)現(xiàn)毫米波很有實用價值：大氣對它的吸收率很小、阻礙它傳播的影響也小，可以用它來作為新的大氣通訊工具。

       另一種比較特殊、新穎的激光器，可以形象地稱它為“變色龍”。它不是龍，但確實能變色；只要轉(zhuǎn)動一個激光器上的旋鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色的激光。

       難道染料跟激光器也有關(guān)系嗎？一點也不錯。這種激光器的工作物質(zhì)確實就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。科學家至今還沒有弄清楚這些染料的分子能級和原子結(jié)構(gòu)，只知道它們與氣體工作物質(zhì)的氣體原子、離子結(jié)構(gòu)不一樣；氣體產(chǎn)生的激光有明確的波長，而染料產(chǎn)生的激光，波長范圍較廣，或者說有多種色彩。染料激光器的光學諧振腔中裝有一個稱為光柵的光學元件。通過它可以根據(jù)需要選擇激光的色彩，就像從收音機里選聽不同頻率的無線電臺廣播一樣。

       染料激光器的激勵源是光泵，可以用脈沖氙燈，也可以用氮分子激光器發(fā)出的激光。用一種顏色的激光作光泵，結(jié)果能產(chǎn)生其他顏色的激光可以說是染料激光器的特點之一。 

       這種根據(jù)需要可以隨時改變產(chǎn)生激光的波長的激光器，主要用于光譜學研究；許多物質(zhì)會有選擇地吸收某些波長的光，產(chǎn)生共振現(xiàn)象?？茖W家用這些現(xiàn)象分析物質(zhì)，了解材料結(jié)構(gòu)；還用這些激光器來產(chǎn)生新的激光，研究一些奇異的光學和光譜學現(xiàn)象。

用途

       激光器發(fā)出的光質(zhì)量純凈、光譜穩(wěn)定可以在很多方面被應用。

       紅寶石激光：最初的激光器是紅寶石被明亮的閃光燈泡所激勵，所產(chǎn)生的激光是“脈沖激光”，而非連續(xù)穩(wěn)定的光束。這種激光器產(chǎn)生的光速質(zhì)量和我們使用的激光二極管產(chǎn)生的激光有本質(zhì)的區(qū)別。這種僅僅持續(xù)幾納秒的強光發(fā)射非常適合捕捉容易移動的物體，例如拍攝全息的人物肖像畫，第一副激光肖像在1967年誕生。紅寶石激光器需要昂貴的紅寶石而且只能產(chǎn)生短暫的脈沖光。

       氦氖激光器：1960年科學家Ali Javan、William R.Brennet Jr.和Donald Herriot 設計了氦氖激光器。這是第一臺氣體激光器，這種激光器是全息攝影師常用的裝備。兩個優(yōu)點：1、產(chǎn)生連續(xù)激光輸出；2、不需要閃光燈泡進行光激勵，而用電激勵氣體。

       激光二極管：激光二極管是當前最為常用的激光器之一，在二極管的PN結(jié)兩側(cè)電子與空穴的自發(fā)復合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導體時，一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對附近，就能激勵二者復合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產(chǎn)生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光。激光二極管的發(fā)明讓激光應用可以迅速普及，各類信息掃描、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光唱片、激光指示器、超市的收款等等，各類應用正在不斷被開發(fā)和普及。

       激光器的用途非常廣泛，涵蓋了工業(yè)、醫(yī)療、通信、科研、娛樂等多個領(lǐng)域。以下是對激光器主要用途的詳細歸納：

一、工業(yè)加工

       激光切割：用于切割金屬、塑料、木材、陶瓷等材料，廣泛應用于汽車制造、航空航天、建筑等行業(yè)。

       激光焊接：用于焊接金屬和塑料，廣泛應用于電子、汽車、醫(yī)療設備等領(lǐng)域。

       激光打標和雕刻：用于在金屬、塑料、玻璃等材料上進行精細的標記和雕刻，常見于產(chǎn)品編號、條碼、標識等。

       激光鉆孔：用于在金屬、陶瓷等材料上進行高精度鉆孔，應用于電子、航天、醫(yī)療等行業(yè)。

       激光熔覆和表面處理：用于提高材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

       激光清洗：用于除銹除漆等。

       微納加工和精密加工：如發(fā)動機葉片的加工。

       3D打印和光刻：在制造業(yè)中發(fā)揮重要作用。

二、醫(yī)療領(lǐng)域

       激光手術(shù)：用于眼科手術(shù)（如近視矯正）、皮膚治療（如去除痣、紋身）、牙科手術(shù)等。

       激光治療：用于治療皮膚病、疼痛管理、腫瘤消融等。

       醫(yī)學成像：如激光顯微鏡，用于高分辨率成像和診斷。

       診斷：如LIBS技術(shù)（激光誘導擊穿光譜），用于疾病診斷和監(jiān)測。

       光動力療法：用于癌癥治療。

       激光脫毛：用于美容領(lǐng)域。

三、信息領(lǐng)域

       光纖通信：激光器是光纖通信系統(tǒng)的核心，用于長距離、高速數(shù)據(jù)傳輸。

       衛(wèi)星通信：激光用于衛(wèi)星和地面站之間的通信。

       數(shù)據(jù)存儲和讀?。?/strong>如激光光盤（CD、DVD、藍光）技術(shù)，用于存儲和讀取數(shù)據(jù)。

       激光測距和目標指示：用于精確測量距離和標識目標，應用于火控系統(tǒng)、偵察等。

       激光雷達（LiDAR）：用于地形測繪、自動駕駛車輛的環(huán)境感知、氣象觀測等。

       激光陀螺和時頻基準：用于導航系統(tǒng)。

       空氣污染監(jiān)測：通過激光技術(shù)監(jiān)測空氣中污染物的濃度。

四、娛樂消費領(lǐng)域

       激光顯示和照明：用于激光投影、激光燈光秀、舞臺效果等。

       激光雕刻和制作工藝品：用于制作高精度、高質(zhì)量的工藝品和藝術(shù)品。

       激光打印機和掃描儀：用于高質(zhì)量的文檔打印和圖像掃描。

       激光筆：用于演示或指示。

       激光全息術(shù)：創(chuàng)建全息圖，即看似漂浮在太空中的3D圖像。

       游戲：部分游戲中也應用了激光技術(shù)。

五、軍事領(lǐng)域

       激光武器：用于定向能武器系統(tǒng)，如激光炮、激光制導導彈等。

       激光制導：用于導彈等武器的精確制導。

       光電對抗：在軍事防御和攻擊中發(fā)揮作用。

六、科研領(lǐng)域

       激光光譜學：用于研究物質(zhì)的光譜特性。

       激光物理學和激光化學：用于物理、化學領(lǐng)域的基礎研究。

       激光冷卻：用于物理學和天文學等領(lǐng)域的實驗研究。

       高能物理實驗：如激光加速器、激光等離子體研究等。

       激光誘導擊穿光譜（LIBS）：用于物質(zhì)成分分析。

       激光顯微鏡：如共聚焦激光掃描顯微鏡和雙光子激發(fā)顯微鏡，用于高分辨率成像。

       激光捕獲顯微切割：用于從組織切片中獲取特定細胞群。

       綜上所述，激光器的多功能性和高精度使其在各個領(lǐng)域都具有廣泛的應用前景和重要性。