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1歷史發(fā)展

1953年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯和他的學(xué)生阿瑟·肖洛制成了臺(tái)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(yīng)用到光頻范圍。
1960年，T.H.西奧多·梅曼制成了臺(tái)紅寶石激光器。
1961年，伊朗科學(xué)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(dǎo)體激光器。
2013年，南非科學(xué)與工業(yè)研究委員會(huì)國(guó)家激光中心研究人員開發(fā)出世界數(shù)字激光器，開辟了激光應(yīng)用的新前景。研究成果發(fā)表在2013年8月2日英國(guó)《自然通訊》雜志上。[2] 

2原理

激光器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*的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大于損耗，所以裝置中*的組成部分有激勵(lì)（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)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(xué)諧振腔）并非*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(yùn)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(zhǎng)度，還能通過(guò)改變諧振腔長(zhǎng)度來(lái)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)

[全固態(tài)激光] 全固態(tài)激光
是指用來(lái)實(shí)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(shí)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(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對(duì)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(jí)間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個(gè)激光發(fā)射作用過(guò)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(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性。

激勵(lì)抽運(yùn)系統(tǒng)

是指為使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來(lái)源的機(jī)構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵(lì)方式和激勵(lì)裝置，常見的有以下四種。①光學(xué)激勵(lì)（光泵）。是利用外界光源發(fā)出的光來(lái)輻照工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)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(lì)方式也稱作燈泵浦。②氣體放電激勵(lì)。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學(xué)激勵(lì)。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。④核能激勵(lì)。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。

光學(xué)共振腔

通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)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(xué)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(duì)腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)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(gè)反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對(duì)組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對(duì)腔內(nèi)不同行進(jìn)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。

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(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾個(gè)方面進(jìn)行分類介紹。

3工作物質(zhì)

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固體激光器（晶體和玻璃），這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過(guò)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(jìn)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(zhǔn)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(jī)熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無(wú)機(jī)化合物液體（如SeOCl2）則起基質(zhì)的作用；④半導(dǎo)體激光器，這類激光器是以一定的半導(dǎo)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(guò)一定的激勵(lì)方式（電注入、光泵或高能電子束注入），在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間，通過(guò)激發(fā)非平衡載流子而實(shí)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(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)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(guò)渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。

氣體激光器

介質(zhì)是氣體的激光器，此種激光器通過(guò)放電得到激發(fā)。
氦氖激光器：重要的紅光放射源（632.8 nm）。
二氧化碳激光器：波長(zhǎng)約10.6 μm（紅外線），重要的工業(yè)激光。
一氧化碳激光器：波長(zhǎng)約6-8 μm（紅外線），只在冷卻的條件下工作。
氮?dú)饧す馄鳎?37.1 nm （紫外線）。
氬離子激光器：具有多個(gè)波長(zhǎng)，457.9 nm （8%）丶476.5 nm （12%）丶488.0 nm （20%）丶496.5 nm （12%）丶501.7 nm （5%）丶514.5 nm （43%）（由藍(lán)光到綠光）。
氦鎘激光器：重要的藍(lán)光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。
氪離子激光器：具有多個(gè)波長(zhǎng)，350.7nm丶356.4nm丶476.2nm丶482.5nm丶520.6nm丶530.9nm丶586.2nm丶647.1nm （強(qiáng)）丶676.4nm丶752.5nm丶799.3nm （從藍(lán)光到深紅光）。
氧離子激光器
氙離子激光器
混合氣體激光器：不含純氣體，而是幾種氣體的混合物（一般為氬丶氪等）。
*：比如KrF （248 nm）丶XeF （351-353 nm）丶ArF （193 nm）丶XeCl （308 nm）丶F2 （157 nm） （均為紫外線）。
金屬蒸汽激光器：比如銅蒸汽激光器，波長(zhǎng)介於510.6-578.2 nm之間。由於很好的加強(qiáng)性，可以不用諧振鏡。
金屬鹵化物激光器：比如溴化銅激光器，波長(zhǎng)介於510.6-578.2 nm之間。由於很好的加強(qiáng)性，可以不用諧振鏡。
化學(xué)激發(fā)激光器是一種特殊的形式。激發(fā)通過(guò)媒介中的化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行。媒介是一次性的，使用後就被消耗掉了。對(duì)於高功率的條件及軍事領(lǐng)域是非常理想的。
鹽酸激光器
碘激光器

固體激光器

介質(zhì)是固體的激光器，此種工作物質(zhì)通過(guò)燈丶半導(dǎo)體激光器陣列丶其他激光器光照泵浦得到激發(fā)。熱透鏡效應(yīng)是大多數(shù)固體激光器的一項(xiàng)缺陷。

紅寶石激光器：世界上臺(tái)激光器，1960年7月7日，美國(guó)青年科學(xué)家梅曼宣布世界上臺(tái)激光器由誕生，這臺(tái)激光器就是紅寶石激光器，工作波長(zhǎng)一般為6943，工作狀態(tài)是單次脈沖式，每脈沖在1ms量級(jí)，輸出能量為焦耳數(shù)量級(jí)。

Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）：常用的固體激光器，工作波長(zhǎng)一般為1064nm，這一波長(zhǎng)為四能級(jí)系統(tǒng)，還有其他能級(jí)可以輸出其他波長(zhǎng)的激光。

Nd:YVO4（摻釹釩酸釔）：低功率應(yīng)用廣泛的固體激光器，工作波長(zhǎng)一般為1064nm，可以通過(guò)KTP,LBO非線性晶體倍頻後產(chǎn)生532nm綠光的激光器。

Yb:YAG（摻鐿釔鋁石榴石）：適用於高功率輸出，這種材料的碟片激光器在激光工業(yè)加工領(lǐng)域有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。
鈦藍(lán)寶石激光器：具有較寬的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍（670nm～1200nm）

半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱激光二極管（Laser Diode，LD）。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，使半導(dǎo)體激光器的工作特性具有其特殊性。

半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。.其工作原理是通過(guò)一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵(lì).高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶如PbS,CdS,ZhO等）做工作物質(zhì)，通過(guò)由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好，應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。

半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外至紅外波段（300nm~十幾微米），其中1.3um與1.55um為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進(jìn)行高速電流調(diào)制、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命才長(zhǎng)等突出特點(diǎn)，使其成為重要具應(yīng)用價(jià)值的一類的激光器。

半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長(zhǎng)范圍寬，制作簡(jiǎn)單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，已超過(guò)300種，半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器適用于）1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm -1550nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng).半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù).半導(dǎo)體激光器在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場(chǎng)。1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過(guò)大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途.半導(dǎo)體激光器的問(wèn)世極大地推動(dòng)了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展快、為重要的激光光纖通信的重要光源.半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對(duì)光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展.因此可以說(shuō)，沒(méi)有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒(méi)有當(dāng)今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長(zhǎng)距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無(wú)不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFB一LD）.半導(dǎo)體激光器也廣泛地應(yīng)用于光盤技術(shù)中，光盤技術(shù)是集計(jì)算技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)于一體的綜合性技術(shù).是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲(chǔ)手段，它需要半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀出。
激勵(lì)方式

①光泵式激光器。指以光泵方式激勵(lì)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(dǎo)體激光器。②電激勵(lì)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(jìn)行激勵(lì)，而一般常見的半導(dǎo)體激光器多是采用結(jié)電流注入方式進(jìn)行激勵(lì)，某些半導(dǎo)體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵(lì)。③化學(xué)激光器。這是專門指利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)的激光器，反希望產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)可分別采用光照引發(fā)、放電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)。④核泵浦激光器。指專門利用小型核裂變反應(yīng)所釋放出的能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)的一類特種激光器，如核泵浦氦氬激光器等。

運(yùn)轉(zhuǎn)方式

由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式以及應(yīng)用目的的不同，其運(yùn)轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)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(diǎn)是工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光輸出，可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行，以連續(xù)光源激勵(lì)的固體激光器和以連續(xù)電激勵(lì)方式工作的氣體激光器及半導(dǎo)體激光器，均屬此類。由于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中往往不可避免地產(chǎn)生器件的過(guò)熱效應(yīng)，因此多數(shù)需采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。②單次脈沖激光器，對(duì)這類激光器而言，工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光發(fā)射，從時(shí)間上來(lái)說(shuō)均是一個(gè)單次脈沖過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)器件的熱效應(yīng)可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。③重復(fù)脈沖激光器，這類器件的特點(diǎn)是其輸出為一系列的重復(fù)激光脈沖，為此，器件可相應(yīng)以重復(fù)脈沖的方式激勵(lì)，或以連續(xù)方式進(jìn)行激勵(lì)但以一定方式調(diào)制激光振蕩過(guò)程,以獲得重復(fù)脈沖激光輸出,通常亦要求對(duì)器件采取有效的冷卻措施。④調(diào)Q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(shí)打開 開關(guān)，從而可在較短的時(shí)間內(nèi)（例如10～10秒）形成十分強(qiáng)的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出（見技術(shù)'" class=link>激光調(diào) 技術(shù)）。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(diǎn)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(shí)間上來(lái)看是等間隔的激光超短脈沖（脈寬10～10秒）序列，若進(jìn)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)后處于單橫模或單縱模狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，穩(wěn)頻激光器是指采用一定的自動(dòng)控制措施使激光器輸出波長(zhǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)又具有頻率自動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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)）。

波段范圍

根據(jù)輸出激光波長(zhǎng)范圍之不同，可將各類激光器區(qū)分為以下幾種。①遠(yuǎn)紅外激光器，輸出波長(zhǎng)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(zhǎng)處于中紅外區(qū)（2.5～25微米）的激光器件,代表者為CO2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(zhǎng)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(dǎo)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(zhǎng)處于可見光譜區(qū)（4000～7000埃或0.4～0.7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(zhǎng)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）*（3511埃、3531埃）、 氟化氪（KrF）*（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(zhǎng)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）*（1730埃）等。⑦X射線激光器, 指輸出波長(zhǎng)處于X射線譜區(qū)（0.01～50埃）的激光器系統(tǒng)，軟X 射線已研制成功，但仍處于探索階段。

歷史由來(lái)

激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)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(yùn)動(dòng)極混亂的分子和原子的發(fā)光過(guò)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(xué)技術(shù)的興起使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。

激光器的誕生史大致可以分為幾個(gè)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(chǔ)。這一理論指出，處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)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(gè)光子，同個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái)，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(gè)光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振*相同。

發(fā)展階段

此后，量子力學(xué)的建立和發(fā)展使人們對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了更深入的認(rèn)識(shí)，微觀粒子的能級(jí)分布、躍遷和光子輻射等問(wèn)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(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代末，量子電子學(xué)誕生后，被很快應(yīng)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(yīng)的器件。這些科學(xué)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(gè)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(gè)光子引發(fā)，就會(huì)迫使一個(gè)處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個(gè)與之相同的光子，這兩個(gè)光子又會(huì)引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實(shí)現(xiàn)了光的放大；如果加上適當(dāng)?shù)闹C振腔的反饋?zhàn)饔帽阈纬晒庹袷帲瑥亩l(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)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(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)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(lái)產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。

然而上述的微波波譜學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究大都屬于“純科學(xué)”，對(duì)于激光器到底能否研制成功，在當(dāng)時(shí)還是很渺茫的。

成熟階段

但科學(xué)家的努力終究有了結(jié)果。1954年，前面提到的美國(guó)物理學(xué)家湯斯終于制成了臺(tái)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(zhǎng)的微波，功率很小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動(dòng)科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)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(xué)、光譜學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合起來(lái)，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預(yù)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(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。

此后，世界上許多實(shí)驗(yàn)室都被卷入了一場(chǎng)激烈的研制競(jìng)賽，看誰(shuí)能成功制造并運(yùn)轉(zhuǎn)世界上臺(tái)激光器。1960年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn)室里，勉強(qiáng)贏得了這場(chǎng)世界范圍內(nèi)的研制競(jìng)賽。他用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來(lái)刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽(yáng)還高的溫度。

“梅曼設(shè)計(jì)”引起了科學(xué)界的震驚和懷疑，因?yàn)榭茖W(xué)家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。

盡管梅曼是個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家，但在法庭上，關(guān)于到底是誰(shuí)發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)的爭(zhēng)論，曾一度引起很大爭(zhēng)議。競(jìng)爭(zhēng)者之一就是“激光”（“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞）一詞的戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位時(shí)提出了這個(gè)詞。與此同時(shí)，微波激射器的湯斯與肖洛也發(fā)展了有關(guān)激光的概念。經(jīng)法庭終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個(gè)月而成為勝者。不過(guò)梅曼的激光器的發(fā)明權(quán)卻未受到動(dòng)搖。

1960年12月，出生于伊朗的美國(guó)科學(xué)家賈萬(wàn)率人終于成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了*臺(tái)氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。1966年，科學(xué)家們又研制成了波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)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(xué)激光器等紛紛問(wèn)世。

主要用途

激光器是現(xiàn)代激光加工系統(tǒng)中*的核心組件之一。隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，激光器也在不斷向前發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型激光器。早期激光加工用激光器主要是大功率CO2氣體激光器和燈泵浦固體YAG激光器。從激光加工技術(shù)的發(fā)展歷史來(lái)看，首先出現(xiàn)的激光器是在20世紀(jì)70年代中期的封離式CO2激光管，發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了第五代CO2激光器——擴(kuò)散冷卻型CO2激光器。從發(fā)展上可以看出，早期的CO2激光器趨向激光功率提高的發(fā)展方向，但當(dāng)激光功率達(dá)到一定要求后，激光器的光束質(zhì)量受到重視，激光器的發(fā)展隨之轉(zhuǎn)移到調(diào)高光束質(zhì)量上。出現(xiàn)的接近衍射極限的擴(kuò)散冷卻板條式CO2激光器有較好的光束質(zhì)量，已經(jīng)推出就得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在激光切割領(lǐng)域，受到眾多企業(yè)的青睞。[

21世紀(jì)初，出現(xiàn)了另外一種新型激光器——半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)的大功率CO2、YAG固體激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有很明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如體積小，重量輕、效率高、能耗小、壽命長(zhǎng)以及金屬對(duì)半導(dǎo)體激光吸收高等優(yōu)點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的不斷發(fā)展，以半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的其他固體激光器，如光纖激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器、片狀激光器等的發(fā)展也十分迅速。其中，光纖激光器發(fā)展較快，尤其是稀土摻雜的光纖激光器，應(yīng)在光纖通信、光纖傳感、激光材料處理等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

由于激光器具備的種種突出特點(diǎn)，因而被很快運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測(cè)量和探測(cè)、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。激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測(cè)距等方面外，多種激光武器和激光制導(dǎo)武器也已經(jīng)投入實(shí)用。

1、激光用作熱源。激光光束細(xì)小 ，且?guī)е薮蟮墓β剩缬猛哥R聚焦，可將能量集中到微小的面積上，產(chǎn)生巨大的熱量。比如，人們利用激光集中而*的能量，可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工，能夠做到在一個(gè)針頭上鉆200個(gè)孔；激光作為一種在生物機(jī)體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應(yīng)的手段，已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用上取得了良好效果。
2、激光測(cè)距。激光作為測(cè)距光源，由于方向性好、功率大，可測(cè)很遠(yuǎn)的距離，且精度很高。
3、激光通信。在通信領(lǐng)域，一條用激光柱傳送信號(hào)的光導(dǎo)電纜，可以攜帶相當(dāng)于2萬(wàn)根電話銅線所攜帶的信息量。
4、受控核聚空中的應(yīng)用。將激光射到氘與氚混合體中，激光所帶給它們巨大能量，產(chǎn)生高壓與高溫，促使兩種原子核聚合為氦和中子，并同時(shí)放出巨大輻射能量。由于激光能量可控制，所以該過(guò)程稱為受控核聚變。
今后，隨著人類對(duì)激光技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，激光器的性能將進(jìn)一步提升，成本將進(jìn)一步降低，但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)擴(kuò)大，并將發(fā)揮出越來(lái)越巨大的作用。

激光指示器是以激光作為指示用途的小型低功率激光器，屬于一般民用品，也稱為激光筆、指星筆等。是一種用途廣泛的產(chǎn)品：教學(xué)、科研單位作為教學(xué)、學(xué)術(shù)報(bào)告、會(huì)議等場(chǎng)合配合視像設(shè)備作為指示用；軍事單位用于配合大屏幕指揮系統(tǒng)指示；旅游單位用于導(dǎo)游講解；建筑及裝修監(jiān)理單位用于建筑、裝修驗(yàn)收時(shí)的指示等。某些場(chǎng)合還可將其固定作為定向工具；亦可將其作為禮品。

總結(jié)

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強(qiáng)者。這里，我們要回到激光*者湯斯曾經(jīng)研究過(guò)的問(wèn)題上來(lái)，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(xué)家對(duì)這一難題又發(fā)起了進(jìn)攻：采用放電或利用強(qiáng)大的二氧化碳激光作為激勵(lì)源去激發(fā)氟甲烷、氨等氣體分子，一步步地把發(fā)射出來(lái)的激光波長(zhǎng)延長(zhǎng)，擴(kuò)展。開始達(dá)幾十微米，后來(lái)達(dá)幾百微米，也就是亞毫米波了。本世紀(jì)60年代中期到70年代中期，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)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*了。
從研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)毫米波很有實(shí)用價(jià)值：大氣對(duì)它的吸收率很小、阻礙它傳播的影響也小，可以用它來(lái)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(shí)能變色；只要轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)激光器上的旋鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫各種顏色的激光。

難道染料跟激光器也有關(guān)系嗎？一點(diǎn)也不錯(cuò)。這種激光器的工作物質(zhì)確實(shí)就是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等等。科學(xué)家至今還沒(méi)有弄清楚這些染料的分子能級(jí)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(zhǎng)，而染料產(chǎn)生的激光，波長(zhǎng)范圍較廣，或者說(shuō)有多種色彩。染料激光器的光學(xué)諧振腔中裝有一個(gè)稱為光柵的光學(xué)元件。通過(guò)它可以根據(jù)需要選擇激光的色彩，就像從收音機(jī)里選聽不同頻率的無(wú)線電臺(tái)廣播一樣。

未來(lái)展望

染料激光器的激勵(lì)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(shuō)是染料激光器的特點(diǎn)之一。

這種根據(jù)需要可以隨時(shí)改變產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)的激光器，主要用于光譜學(xué)研究；許多物質(zhì)會(huì)有選擇地吸收某些波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。科學(xué)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(lái)產(chǎn)生新的激光，研究一些奇異的光學(xué)和光譜學(xué)現(xiàn)象。

易發(fā)事故

在使用激光切割機(jī)時(shí)，激光器激光射出可能引起以下事故：
　　（1）激光射出沾到易燃物引起火災(zāi)。大家知道激光發(fā)生器的功率很高，尤其遇到高功率激光切割機(jī)，射出的激光溫度非常高。當(dāng)激光射出沾到易燃物體后引起火災(zāi)的可能性非常大。
　　（2）機(jī)器在運(yùn)行時(shí)會(huì)可能會(huì)產(chǎn)生有害氣體。例如在用氧氣切割時(shí)與切割材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不明化學(xué)物質(zhì)或細(xì)小顆粒等雜質(zhì)。被人體吸收以后可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng)或引起肺部等呼吸道的不適。在進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候應(yīng)做好防護(hù)措施。
　　（3）激光直射人體會(huì)對(duì)人體有害。激光對(duì)人體的損害主要包括對(duì)眼睛和對(duì)皮膚的損害。在激光的傷害中，以機(jī)體對(duì)眼睛的傷害為嚴(yán)重。而且眼睛的傷害是性的。所以在進(jìn)行作業(yè)時(shí)一定要注意保護(hù)眼睛。
　　所以，進(jìn)行切割的環(huán)境應(yīng)該中嚴(yán)禁易燃物體靠近機(jī)器并且保持通風(fēng)，工作場(chǎng)所還應(yīng)該配有滅火器。工作人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)要做好自我防護(hù)措施。

前景展望

光纖激光器可實(shí)現(xiàn)800nm－2100nm波段的激光輸出，大功率已達(dá)到萬(wàn)瓦量級(jí)，應(yīng)用也從光通信擴(kuò)展到激光加工、激光打標(biāo)、圖像顯示、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。未來(lái)光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）光纖激光器本身性能的提高：如何提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化光束質(zhì)量，縮短增益光纖長(zhǎng)度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其更加小巧緊湊將是未來(lái)光纖激光器領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
（2）新型光纖激光器的研制：在時(shí)域方面，具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器一直是激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，高功率飛秒量級(jí)脈沖光纖激光器一直是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，該領(lǐng)域研究的突破不僅可以給光通信時(shí)分復(fù)用（OTDM）提供理想的光源，而且可以有效帶動(dòng)激光加工、激光打標(biāo)及激光加密等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在頻域方面，寬帶輸出并可調(diào)諧的光纖激光器將成為研究熱點(diǎn)，一種采用ZEBLAN材料（Zr、Ba、La、Al、Nd）為激光介質(zhì)的非線性光纖激光器引起了人們的重視，該激光器具有相當(dāng)寬的帶寬和低損耗，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)上轉(zhuǎn)換幾個(gè)波段，被專家譽(yù)為下一代通信材料，如能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)將會(huì)在激光打印和大屏幕顯示領(lǐng)域產(chǎn)生幾十億美元的市場(chǎng)。可以預(yù)見，隨著相關(guān)技術(shù)的完善，光纖激光器將向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，并有可能成為替代固體激光器和半導(dǎo)體激光器的新一代光源，形成一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。

4分類

可調(diào)諧激光器

可調(diào)諧激光器tunable laser 是指在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長(zhǎng)的激光器（見激光）。這種激光器的用途廣泛，可用于光譜學(xué)、光化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、集成光學(xué)、污染監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體材料加工、信息處理和通信等。

單模激光器

輸出為單橫模（一般為基模）、多縱模的激光器。

化學(xué)氧碘激光器

化學(xué)氧碘激光器是一種機(jī)載激光器。機(jī)載激光器系統(tǒng)是以改型的波音747-400F飛機(jī)作為發(fā)射平臺(tái)（代號(hào)YAL-1A），以產(chǎn)生高能激光的化學(xué)氧碘激光器為核心，配置跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和光束控制與發(fā)射系統(tǒng)，利用激光作為能量直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器。

二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。放電管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮?dú)猓话氵€有少量的氫或氙氣）；電極一般是鎳制空心圓筒；諧振腔的一端是鍍金的全反射鏡，另一端是用鍺或砷化鎵磨制的部分反射鏡。當(dāng)在電極上加高電壓（一般是直流的或低頻交流的），放電管中產(chǎn)生輝光放電，鍺鏡一端就有激光輸出，其波長(zhǎng)為10.6微米附近的中紅外波段；一般較好的管子。一米長(zhǎng)左右的放電區(qū)可得到連續(xù)輸出功率40～60瓦。CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器。

液體激光器

液體激光器也稱染料激光器，因?yàn)檫@類激光器的激活物質(zhì)是某些有機(jī)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(duì)于光譜分析、激光化學(xué)和其他科學(xué)研究，具有重要的意義。

數(shù)字激光器

數(shù)字激光器將其中一個(gè)反射鏡換成了“空間光調(diào)制器”。“空間光調(diào)制器”如同一個(gè)可反光的微型液晶顯示屏，“只需通過(guò)電腦向顯示屏輸入特定圖像就能得到所需要的激光模式。其大特點(diǎn)是不用為每束激光設(shè)計(jì)一個(gè)新激光器，只需在電腦上變換圖片，就能得到想要的光束形狀。

數(shù)字激光可以創(chuàng)建幾乎任何激光模式，而在以前，每束光都需要一個(gè)單獨(dú)激光器，為此很多人需要花費(fèi)一兩年才能做到這項(xiàng)發(fā)明是激光技術(shù)的一個(gè)里程碑，在醫(yī)療領(lǐng)域，它可以用作無(wú)血手術(shù)，眼部護(hù)理和牙科。在工業(yè)領(lǐng)域，它可以幫助切割，焊接。在通信領(lǐng)域，它將極大促進(jìn)光纖通訊的發(fā)展。