激光器（LASER）是一種產生激光的裝置，它通常由工作介質、泵浦源和諧振腔三部分組成。其工作原理基于“受激發射”的物理過程。利用能夠對光子產生受激輻射放大作用的工作介質，通過諧振腔或其他途徑形成光反饋，從而產生光振蕩并發射出激光。激光產生的條件可以歸納為實現粒子數反轉、提供光反饋以及滿足激光振蕩的閾值條件。
自1951年C.H.查爾斯·湯斯提出微波激射器概念至1954年其制成第一臺微波量子放大器，獲得高度相干的微波束。再到1958年A.L.肖洛和湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，標志著激光器的雛形。1960年由T.H.西奧多·梅曼制成的世界上第一臺紅寶石激光器是一個重要的里程碑。不久后，A.Javan于同年成功研制了第一臺氦氖[nǎi]氣體激光器。1962年R.N.霍耳等人創制了砷[shēn]化鎵半導體激光器。之后，激光器的種類就越來越多。
根據其工作介質的不同可以分為，固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、化學激光器、光纖激光器和自由電子激光器等。
激光器常見應用有工業領域中的激光打孔、激光切割；醫學領域中的激光醫療、激光美容；軍事領域中的激光武器、激光雷達等。
發展沿革
激光（Laser）一詞的原意是“受激輻射放大所產生的光”，是英文“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫。激光科學的發展歷程凝聚了眾多科學家的智慧，其中美國物理學家查爾斯·湯斯（Charles Hard Townes）和肖洛（Arthur L. Schawlow）的開創性工作突出。他們在量子電子學領域的基礎研究推動了微波激射器和激光器的發明。
激光發明的理論基礎可以追溯到1916年阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出的光子受激輻射的概念。然而，當時的科學技術和生產發展還沒有提出對激光的實際需求。1928年，德國物理學家魯道夫·拉登堡（Rudolf W. Ladenburg）證實了受激輻射的存在，提出了負吸收的概念。1939年，蘇聯物理學家法布里坎特（Valentin A. Fabrikant）預測了短波的受激輻射放大。1947年，美國科學家蘭姆（Willis E. Lamb）和英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（R.C. Retherford）在氫原子光譜中發現了明顯的受激輻射現象，首次驗證了受激輻射。1950年，法國物理學家阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）提出了光學泵浦的方法，兩年后由Brossel、Kastler和Winter通過實驗證明了這一點。直到20世紀50年代初，電子學和微波技術的應用迫切需要強相干光源，才促使人們開始研究激光技術。
1951年，湯斯（Charles Hard Townes）提出了微波激射器（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，MASER）的概念。經過幾年的努力，1954年，美國貝爾實驗室的湯斯和蘇聯的普羅霍羅夫（Aleksandr Mikhailovich Prokhorov）以及巴索夫（Nicolay Gennadiyevich Basov）分別成功實現了氨分子束的粒子數反轉，從而觀察到了微波的受激發射，為后來激光器的發明奠定了基礎。微波激光器的問世啟發了科學家們對輸出波長更短激光器的探索。湯斯等科學家認為，可以將微波推進到紅外區甚至可見光波段，從而制造出更短波長的激光器。
1956年，尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）提出了利用光泵浦三能級原子系統實現粒子束反轉分布的新構思。這一理論為后來激光器的發明提供了重要的思路和基礎。
1958年，貝爾實驗室的科學家肖洛（Arthur L. Schawlow）與湯斯合作提出了利用法布里——珀羅干涉儀作為腔體實現光的受激發射的激光器的設想。并發表了在可見光頻段工作的激光器的設計方案和理論計算，首次描述了以光學頻率產生激光的條件。此外，他們還提出了利用尺度遠大于波長的開放式光諧振腔實現激光器的新思路。這些工作為激光器的發明奠定了重要的理論基礎。同年，蘇聯莫斯科的普羅霍洛夫（A.M. Prokhorov）和巴索夫（N.G. Basov）幾乎同時在量子電子學的基礎研究中，根據微波激射器和激光器原理研制了振蕩器和放大器。這一研究推動了激光技術的發展，并將激光研究推上了一個新的階段。
1960年5月15日，世界上第一臺激光器由美國科學家西奧多·梅曼（T.H. Maiman）在加州休斯實驗室制成，采用了紅寶石晶體作為發光材料，通過用發光度很高的脈沖氙[xiān]燈作為激發光源，成功產生了人類歷史上的第一束脈沖激光，其波長為694.3納米。這一里程碑事件實現了湯斯和肖洛在1958年的預言。不久之后，Ali Javan、William R.Brennet Jr.和Donald Herriot于同年成功研制了第一臺氦氖激光器。1961年9月，中國科學院長春光學精密機械研究所成功研制了中國國內第一臺激光器。1962年，第一個半導體激光器問世，由GE公司霍爾（Hall）制造，是一種結構簡單的同質結（p-n結）激光器，諧振腔由兩個鏡面組成。
1965年，世界上第一臺可產生大功率激光的二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺X射線激光器成功研制。在隨后的幾十年間，人們制造了輸出各種不同波長的激光器，從中紅外到深紫外，甚至是可調諧激光器。大功率激光器的研制成功開拓了新的領域，為工業、醫學、科學研究等領域帶來了更多可能性。
2013年，南非科學與工業研究委員會國家激光中心的研究人員開發出了世界首個數字激光器，為激光技術的應用開辟了新的前景。研究成果發表在2013年8月2日英國《自然通訊》雜志上。現在，激光應用已經遍及光學、醫學、原子能、天文、地理、海洋、軍事等領域，標志著新技術革命的發展，為人類的生活和工作帶來了巨大的變革和便利。
原理
激光器通常由工作介質、泵浦源和諧振腔三部分組成。其工作原理基于光子的受激發射躍遷過程。當物質受到光的輻照時，光與物質相互作用，導致電子從一個能級躍遷到另一個能級，這個過程中釋放出的光子如果被特定的介質（增益介質）吸收并再次以相干的方式發射出來，就形成了激光。可以將激光的產生條件歸納為實現粒子數反轉、提供光反饋和滿足激光振蕩的閾值條件。
增益介質：激光器的核心是增益介質，它可以是固體（如晶體）、液體（如染料溶液）或氣體（如氦氖氣體）。增益介質中的原子或分子具有特定的能級結構，這些能級決定了激光的波長。
泵浦源：為了使增益介質產生激光，需要一個外部能量源，稱為泵浦源或稱激勵系統。泵浦源可以是閃光燈、激光二極管或其他類型的光源，它的作用是將能量傳遞給增益介質中的原子或分子，使它們從低能級躍遷到高能級。
粒子數反轉：當增益介質中的原子或分子吸收了泵浦源的能量后，它們會處于一個激發態。為了產生激光，需要這些激發態的粒子數超過基態的粒子數，這種狀態稱為粒子數反轉。這是激光放大的基礎。
受激輻射：當一個光子通過增益介質時，如果它的能量與激發態原子或分子的能量差匹配，這些激發態的粒子可以被誘導回到基態，同時釋放出一個與入射光子頻率、相位、方向和偏振狀態相同的光子。這個過程稱為受激輻射。
激光放大：由于受激發射產生的新光子與原始光子具有相同的特性，因此這個過程可以放大通過增益介質的光強度。隨著光子在增益介質中來回反射，每次通過都會產生更多的光子，從而實現光的放大。
諧振腔：為了形成激光，還需要一個光學諧振腔，它由兩個鏡子組成，一個鏡子對光高度透射，另一個鏡子高度反射。諧振腔確保光子在增益介質中來回反射，增加與增益介質相互作用的機會，從而增強光的強度。
激光輸出：當增益介質中的光強度達到一定程度，滿足激光振蕩的閾值條件時，激光器就可以產生激光輸出。通過調整輸出鏡子的透射率，可以控制激光的輸出功率。
激光器分類
激光器的種類很多，對激光器也有不同的分類方法，可根據激光工作方式、激光技術、激光工作介質和輸出波長范圍等分類。
按工作方式劃分
依據工作方式的不同可以將激光器分為連續工作和脈沖工作兩大類。
（1）連續工作激光器：能夠持續發射激光的激光器，其特點是僅需使用連續電源而不需要儲能電容和充電電源。然而，由于連續工作會產生較多的熱量，因此激光器必須配備有效的冷卻裝置，并且選用閾值低、熱穩定性好且具有良好熱導性的工作物質，以確保激光器的穩定性和性能。以連續光源激勵的固體激光器和以連續電激勵方式工作的氣體激光器及半導體激光器，均屬此類。
（2）脈沖工作激光器：以脈沖形式產生激光的激光器，具有較高的增益，能夠接受較高的超閾輸入。根據工作頻率的不同，可以分為單次工作和重復頻率工作兩類。單次工作激光器指的是每隔數分鐘工作一次的激光器，而重復頻率工作激光器則指的是每分鐘工作數次到每秒鐘數百次的激光器。
按激光技術劃分
依據激光技術的不同可以將激光器分為靜態脈沖激光器（諧振腔的Q值不變）、調Q激光器、鎖模激光器或稱鎖相激光器、倍頻（激光波長成倍變化）激光器、可調諧激光器、單模（單縱模和單橫膜）和多模激光器等。
（1）靜態脈沖激光器：指在工作過程中，其諧振腔內的Q值保持不變的激光器。適用于需要較大脈沖能量但峰值功率不需要很高的場合，例如打孔、焊接等應用場景。
（2）調Q激光器：指在激光諧振腔內加入一個Q開關的激光器。通過調節諧振腔內的Q值，實現產生高能量、短脈沖的激光束，通常用于激光測距、激光制導和各種激光雷達等應用領域。
（3）鎖模激光器： 利用鎖模技術，使激光腔內各振蕩模的相位同步，產生周期性的窄時間包絡光脈沖的激光器。其輸出脈寬極窄、峰值功率很高，被稱為超短脈沖技術，廣泛應用于受控核聚變、光通信、光譜學等領域。
（4）倍頻激光器： 利用非線性光學效應將入射光的頻率增加一倍，產生二次諧波的激光器。近年來，采用半導體激光器直接注入非線性晶體或參量振蕩技術產生可調諧倍頻激光束，具有高效率和小體積的優點。
（5）可調諧激光器： 能夠在一定波長范圍內連續或間斷地調節輸出光波長的激光器。包括氣體、液體和固體等不同類型的激光器。
（6）單模激光器：能夠產生單一縱模或單一橫模的激光輸出的激光器。通過調整波長選擇元件與諧振腔的長度以保持同步諧調，可以實現連續諧調單模輸出。
（7）多模激光器： 利用增益線型函數和空間燒孔效應，使得各個縱模之間發生強烈耦合，從而在增益凹陷處產生多個縱模振蕩的激光器。
按工作介質劃分
依據工作介質的不同可以將激光器分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、化學激光器、光纖激光器和自由電子激光器。
（1）固體激光器：以玻璃等固體作為工作介質。與其他類型的激光器相比，固體激光器具有多種優點，包括體積小、效率高、壽命長、波段覆蓋廣、堅固耐用、工作方式多樣、輸出功率大等。
（2）氣體激光器：以金屬蒸汽等氣體作為工作介質。相比其他類型的激光器，氣體激光器的激光振蕩譜線最為豐富。其具有結構簡單、造價低廉、操作方便、工作介質均勻、光束質量優秀、長時間穩定連續工作等特點。
（3）液體激光器：以有機染料等液體作為工作介質。相比其他激光器，液體激光器最大的優點是其激光波長可調諧，范圍在0.3到1.3之間，能獲得連續可調諧的窄帶高功率激光。
（4）半導體激光器：以半導體材料作為工作介質，可通過光泵浦或電激勵來激發。相較于其他激光器，半導體激光器具有體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固的優點，特別適用于飛機、車輛、宇宙飛船等環境。
（5）化學激光器：利用化學反應建立粒子反轉，例如氟化氫（HF）等。相比其他激光器，其主要優點是能直接將化學能轉換為激光能，無需外部電源或光源作為泵浦源，在無電源的情況下也能發揮作用。
（6）光纖激光器：以摻稀土元素的玻璃光纖等作為工作介質。適當加入正反饋回路（構成諧振腔），即可實現激光振蕩輸出。相較于其他類型的激光器，光纖激光器具有高轉換效率、良好的散熱性和便于與光纖系統連接等優點。
（7）自由電子激光器：以電子工作介質。利用高能電子流的能量轉換為激光能量，產生受激輻射。其輻射波長可通過調節電子速度和磁場極性變換的周期進行調諧，理論上可覆蓋遠紫外到毫米波段的調諧范圍，遠超其他可調諧激光器。
經典激光器
紅寶石激光器
紅寶石激光器是世界上第一臺激光器，由美國科學家梅曼（T.H. Maiman）于1960年5月15日在加州休斯實驗室制造成功。這臺激光器采用了紅寶石晶體作為發光材料，是一個三能級系統。在激發方面，梅曼使用了發光度很高的脈沖氙燈作為激發光源。該激光器發射了人類有史以來的第一束激光，其波長為694.3。
氦氖激光器
氦-氖（He-Ne）激光器是一種典型的氣體激光器，常用于各種領域。它利用混合氣體中的氖原子產生激光，而氦則提高泵浦效率。盡管輸出功率通常較低，但光束質量優異，具有小發散角度和良好的單色性。因此，在精密計量、檢測、準直、醫療等領域有廣泛應用。
二氧化碳激光器
二氧化碳激光器（）是混合氣體激光器，以二氧化碳氣體為激光物質。輔助氣體如氮氣、一氧化碳等增強輸出。經過數十年技術進步，其性能和可靠性大幅提升，功率范圍從幾瓦到幾萬瓦，可連續或脈沖輸出，成為最重要的氣體激光器之一。在材料加工、醫療、科研、檢測、國防等領域廣泛應用。
連續波染料激光器
連續波染料激光器常用離子激光器或離子激光器作為泵浦源。采用高效的縱向離軸泵浦方式。連續波染料激光器主要優點是：線寬窄可達兆赫量級，平均功率較高，可達到瓦級，有較寬的連續調諧性能，可以獲得脈寬很窄的超短脈沖。故這類染料激光器在光譜學等領域有重要的應用價值。
砷化鎵激光器
砷化鎵（GaAs）激光器是一種半導體激光器。在1962年，梅貝格（S. Mayburg）報告了可以從CsAs PN結中獲得100%的熒光量子效率。GaAs激光器是通用器件，除適用于中短距離和中小容量的光纖通信系統外，還有其它許多應用，特別是軍事方面的應用。
氧碘化學激光器
氧碘化學激光器具有高效率和輸出功率，已進入工業使用階段。目前，其輸出功率已經超過了激光器，成為輸出功率最大的激光器之一。由于化學激光器是一種自帶泵浦能源的激光器，因此它是唯一能夠被用于衛星平臺的激光器。此外，由于其高轉換效率和連續輸出功率，氧碘化學激光器被廣泛視為太空防御計劃中的首選激光器。
激光器應用
工業領域
激光器焊接
在金屬焊接領域，高功率半導體激光器得到了廣泛應用，特別是在汽車工業中的點焊、熱傳導焊接以及車身精密焊等方面。針對金屬薄片的焊接，通常要求半導體激光器的功率在300到3000瓦之間，光斑大小為0.4到1.5毫米，光束質量為40到150毫米·毫弧度。半導體激光器焊接具有速度快、效率高、形變小和熱量低等優點，有望逐步取代傳統的焊接方法。
激光器切割
激光切割的應用可以追溯到上個世紀九十年代，在計件加工企業和生產企業的批量加工中已經開始使用。直到2008年，第一臺玻璃激光平板式切割設備上市之前，Trumpf公司推出了以光泵Nd:YAG激光器為基礎的光纖耦合平板式激光切割設備，其光束質量僅為12mm*mrad。盡管基于大功率半導體激光的切割設備起步較晚，但效果較好。
激光器熔覆
為了提高金屬的表面特性，增加其表面耐磨損程度等，激光熔覆加工已被廣泛應用。目前國際市場上主要采用的激光熔覆技術以半導體激光為主，占據熔覆市場的約90%份額。與電弧焊、熱噴涂等熔覆方式相比，大功率半導體激光熔覆技術在質量和工藝方面具有多項優勢。
信息處理領域
激光器通信
在光通信系統中使用可調諧激光器作為光源，可以滿足一個光源替代多個固定波長光源，或者為多個光源做備份的需求。此外，如果是可調諧光纖激光器，它本身具有與光纖系統天然兼容的優勢，可以用來測試無源光纖器件的特性。
激光器傳感
在光傳感領域，波長可調諧光纖激光器不僅可用作分布式光纖光柵傳感器的掃描光源，實現單點、多點及傳感陣列的實時監測。此外，基于光纖光柵的短腔光纖激光器（如分布反饋式或分布布拉格反射式光纖激光器），利用其產生的雙波長激光間隔隨外界物理量（如溫度、應變等）變化而改變的特性，能實現更低成本、更高性能的傳感監測。
軍事領域
激光器制導
激光制導技術在半導體激光器的應用方面取得了顯著的進展。幾十年前，一些國家就對激光制導技術進行了高度關注，并將其應用于戰略導彈。根據其控制方式的不同，激光制導技術主要可分為激光駕束制導、半主動式主動引導、主動式引導和傳輸指令制導。
激光器引信
半導體激光器在引信系統中得到廣泛應用。炸彈的引信系統需要考慮體積和電源等問題，而半導體激光器則是一種非常適合的選擇。配備激光引信系統的導彈能夠精確控制引爆的時間和地點，具有高可靠性和強抗電磁干擾能力，這些特點是傳統電子線路引爆系統無法比擬的。
激光器雷達
半導體激光器在雷達應用中具有許多優點，使其成為激光雷達無法比擬的選擇。其中一些優點包括體積小、高精度、成像功能以及強大的信息處理能力。特別是波長為820至850的單管及其陣列在雷達技術中處于主導地位。
醫學應用
激光器醫療
波長為805左右的半導體激光器很適合于人體的手術治療。用激光作手術與通常的手術刀和電刀相比具有出血少、愈合快、不易感染等特點，用激光進行手術應包括使手術部位的組織迅速汽化和切開或切除的組織迅速凝固和止血。
激光器美容
目前，半導體激光器因其輕巧、使用靈活方便和壽命較長等優點，在醫美領域得到了廣泛的臨床應用。例如，中功率的脈沖半導體激光器可用于進行去粉刺、痤瘡、除皺和脫毛等。
生活領域
激光打印機
780nm的半導體激光器在激光打印方面有著重要應用。在早期，光源多采用氣體激光器，后來，半導體激光器開始被用于小型打印機。這一技術的應用推動了激光打印機的小型化和普及化，為打印技術帶來了革命性的變革。
激光唱片
激光唱片是信息存儲的載體，其記錄著連續的數字信號，這些信號以“坑點”的形式被刻在唱片上的軌跡中。通過激光束掃描這些“坑點”，根據反射的變化來獲取數字信號，隨后通過解碼和數字模擬轉換過程將其轉換為模擬聲音。
參考資料 >
激光器.術語在線.2024-03-21