激光器的分類

實際應用的激光器種類很多，如以組成激光器的工作物質來說可分為氣體激光器、液體激光器、固體激光器、半導體激光器、化學激光器等。在同一類型的激光器中又包括有許多不同材料的激光器。如固體激光器中有紅寶石激光器、釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器。

氣體型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氬離子激光器等。由于工作物質不同，產生不同波長的光波不同，因而應用范圍也不相同。最常用而范圍廣的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可連續工作，如He-Ne laser；有的以脈沖形式發光工作。如紅寶石激光。而另一些激光器既可連續工作，又可以脈沖工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。 

（一）固體激光器 

  實現激光的核心主要是激光器中可以實現粒子數反轉的激光工作物質（即含有亞穩態能級的工作物質）。如工作物質為晶體狀的或者玻璃的激光器，分別稱為晶體激光器和玻璃激光器，通常把這兩類激光器統稱為固體激光器。   在激光器中以固體激光器發展最早，這種激光器體積小，輸出功率大，應用方便。由于工作物質很復雜，造價高。

當今用于固體激光器的物質主要有三種：

摻釹鋁石榴石（Nd：YAG）工作物質，輸出的波長為1.06μm呈白藍色光；釹玻璃工作物質，輸出波長1.06μm呈紫藍色光；紅寶石工作物質，輸出波長為694.3nm，為紅色光。主要用光泵的作用，產生光放大，發出激光，即光激勵工作物質。

固定激光器的結構由三個主要部分組成：工作物質，光學諧振腔、激勵源。

聚光腔是使光源發出的光都會聚于工作物質上。工作物質吸收足夠大的光能，激發大量的粒子，促成粒子數反轉。當增益大于諧振腔內的損耗時產生腔內振蕩并由部分反射鏡一端輸出一束激光。工作物質有2條主要作用：一是產生光；二是作為介質傳播光束。因此，不管哪一種激光器，對其發光性質及光學性質都有一定要求。

（二）氣體激光器

工作物質主要以氣體狀態進行發射的激光器在常溫常壓下是氣體，有的物質在通常條件下是液體（如非金屬粒子的有水、汞），及固體（如金屬離子結構的銅，鎘等粒子），經過加熱使其變為蒸氣，利用這類蒸氣作為工作物質的激光器，統歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發出激光的工作氣體外，為了延長器件的工作壽命及提高輸出功率，還加入一定量的輔助氣體與發光的工作氣體相混合。

氣體激光器大多應用電激勵發光，即用直流，交流及高頻電源進行氣體放電，兩端放電管的電壓增壓時可加速電子，帶有一定能量，在工作物質中運動的電子與粒子（氣體的原子或分子）碰撞時將自身的能量轉移給對方，使分子或原子被激發到某一高能級上而形成粒子數反轉，產生激光。氣體激光器與固體激光器相比較，兩者中以氣體激光器的結構相對簡單得多，造價較低，操作簡便，但是輸出功率常較小。因氣體激光器中的工作物質不同。因此分中性（惰性）原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。

中性原子氣體激光器這類激光器中主要充有以惰性氣體（氦、氖、氬、氪等）的物質。具有典型應用的就是He-Ne（氦－氖）激光器。

首臺He-Ne激光器誕生于1960年，它可以在可見光區及紅外區中產生多種波長和激光譜線，主要產生的有632.8nm紅光、和1.15μm及3.39μm紅外光。632.8nmHe-Ne激光器最大連續輸出功率可達到1W，壽命也達到10Kh以上。借助調節放大電流大小，使功率穩定性達到30秒內的誤差為0.005％，十分鐘內的誤差為0.015％的功率穩定度；發散角僅為0.5毫弧度。He-Ne激光器除了具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好，相干性強諸優點外，還具有結構簡單、壽命長、價廉、頻率穩定等特點。He-Ne激光在精確指示，激光測量，醫療衛生方面有很廣泛的用途。

He-Ne激光器結構大體可分為三部分，既放電管、諧振腔和激發的電源。現在臨床上最常應用的為內腔式He-Ne激光器的激光放電管內的氣體在涌有一定高的電壓及電流（在電場作用下氣體放電），放電管中的電子就會由負極以高速向正極運動。在運動中與工作物質內的氦原子進行碰撞，電子的能量傳給原子，促使原子的能量提高，基態原子躍遷到高能級的激發態。這時如有基態氖原子與兩能級上的氦原子相碰，氦原子的能量傳遞給氖原子，并從基態躍遷到激發的能級狀態，而氦原子回到了基態上。因為放電管上所加的電壓，電流連續不斷供給，原子不斷地發生碰撞。這就產生了激光必須具備的基本條件。在發生受激輻射時，分別發出波長3.39μm，632.8nm，1.53μm三種激光，而這三種激光中除632.8nm為可見光中的紅外光外，另二種是紅外區的輻射光。因反射鏡的反射率不同，只輸出一種較長的光波632.8nm的激光。  

He-Ne激光的放電管，最外層是用硬質玻璃制成。放電的內管直徑約2～3mm，管長幾厘米到十幾厘米，放電管越長功率越大，相應的放電電壓就高。管內主要按5：1～10：1的比例充入氦氖混合氣體達到總氣壓約2.66～3.99Pa。管的一端裝有鋁圓筒作陰極（其圓管狀結構主要是為了減少放電測射），另一端裝有鎢針作陽極，放電管兩端裝有反射鏡（即一頭為全反射鏡，出光一端為半反射鏡）。這就構成了激光放電管。

在He-Ne激光器中，采用的諧振腔有球面腔或平凹腔。一般腔鏡內側鍍有高反射率的介質。在其中一端反射率為100％，另一端反射率由激光器的增益而定。放電毛細管長度約15～20cm，He-Ne激光器的半反射鏡的半反射鏡的反射率98.5％～99.5％。諧振腔的軸線和放電毛細管 He-Ne激光器的外界激勵能源與固體激光器不相同，不能使用光泵激勵，而采用電激勵的方法。把工作物質封入放電管中，供以直流、交流及射頻等方式激勵氣體放電。通過放電過程把能量傳給工作物質，促使氣體中的離子、原子被激發。醫療中使用的激勵方法主要是以直流電激發出光。大體結構主要有高壓變壓器、整流與濾波回路、限流與穩流回路組成。 

（三）分子氣體激光器

分子氣體激光器與原子氣體激光器不一樣，分子氣體由碳和氧組成（最常用），其原則上是能夠實現高效率與高功率輸出。分子氣體激光器通過分子能級間的躍遷產生激發振蕩的一和種激光器，分子能級躍遷形式與原子能級躍遷相同。只不過是工作物質為分子與原子的差別。分子氣體激光器中主要使用的為CO2激光器。 

CO2激光器效率高，不造成工作介質損害，發射出10.6μm波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環式，按激勵方式分電激勵，化學激勵，熱激勵，光激勵與核激勵等。在醫療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。

CO2激光器與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態；三是分子轉動，即分子為一整體在空間連續地旋轉，分子的這種運動決定了分子的轉動能態。分子運動極其復雜，因而能級也很復雜。CO2分子為線性對稱分子，兩個氧原子分別在碳原子的兩側，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始終運動著，要繞其平衡位置不停地振動。根據分子振動理論，CO2有三種不同的振動方式：①二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中同時達到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。②兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。③三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動能。在這三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。 

CO2激光器中，主要的工作物質由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級熱弛預過程，因此有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。 

CO2激光器的放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發起來。這時受到激發的氮分子便和CO2分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉發出激光。

CO2激光器結構組成為：①激光管：是激光機中最關鍵的部件。常用硬質玻璃制成，一般采用層套筒式結構。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲氣管。CO2激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細一般來說對輸出功率沒有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應，應根據管長而定。管長的粗一點，管短的細一點。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩定。放電管在兩端都與儲氣管連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經過螺旋形回氣管與放電管相通，這樣就可使氣體在放電管中與儲氣管中循環流動，放電管中的氣體隨時交換。    

（四）YAG 激光器

是以釔鋁石榴石晶體為基質的一種固體激光器。釔鋁石榴石的化學式是Y3 Al5 O15 ,簡稱為YAG。在YAG基質中摻入激活離子Nd3+ (約1%)就成為Nd:YAG。實際制備時是將一定比例的Al2 O3、Y2 O3 和NdO3在單晶爐中熔化結晶而成。Nd:YAG屬于立方晶系, 是各向同性晶體。

由于Nd:YAG屬四能級系統, 量子效率高, 受激輻射面積大, 所以它的閾值比紅寶石和釹玻璃低得多。又由于Nd:YAG晶體具有優良的熱學性能, 因此非常適合制成連續和重頻器件。它是目前在室溫下能夠連續工作的唯一固體工作物質，在中小功率脈沖器件中, 目前應用Nd:YAG的量遠遠超過其他工作物質。   和其他固體激光器 一樣, YAG 激光器 基本組成部分是激光工作物質、泵浦源和諧振腔。不過由于晶體中所摻雜的激活離子種類不同, 泵浦源及泵浦方式不同, 所采用的諧振腔的結構不同,以及采用的其他功能性結構器件不同,YAG激光器又可分為多種, 例如按輸出波形可分為連續波YAG激光器、重頻YAG激光器和脈沖 激光器 等; 按工作波長分為1.06μmYAG 激光器 、倍頻YAG激光器、拉曼頻移YAG 激光器 (λ=1.54μm)和可調諧YAG 激光器 (如色心激光器)等; 按摻雜不同可分為Nd:YAG激光器、摻Ho、Tm、Er等的YAG激光器; 以晶體的形狀不同分為棒形和板條形YAG 激光器 ;根據輸出功率(能量)不同, 可分為高功率和中小功率YAG激光器等。形形色色的YAG 激光器 , 成為固體激光器中最重要的一個分支。

（五）半導體激光器 

半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術的發展大大推動了半導體激光器的發展。

半導體激光器是以直接帶隙半導體材料構成的PN 結或PIN 結為工作物質的一種小型化激光器.半導體激光工作物質有幾十種，目前已制成激光器的半導體材料有砷化稼(GaAs )、砷化錮(InAs)、氮化鎵（GaN)、銻化錮( InSb)、硫化鍋( cds )、蹄化福(CdTe )、硒化鉛(PbSe)、啼化鉛(PhTe )、鋁稼砷(A1xGa,-,As)、錮磷砷(In-PxAS)等.。

半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵式.。絕大多數半導體激光器的激勵方式是電注人，即給Pn 結加正向電壓，以使在結平面區域產生受激發射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導體激光器又稱為半導體激光二極管.對半導體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上.它們所發出的波長在0.3 -34um之間.其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA:雙異質結激光器，其輸出波長為750 - 890nm.。世界上第一只半導體激光器是1962 年問世的，經過幾十年來的研究，半導體激光器得到了驚人的發展，它的波長從紅外、紅光到藍綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數也有了很大的提高，其制作技術經歷了由擴散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金屬有機化合物汽相淀積)，化學束外延(CBE)以及它們的各種結合型等多種工藝.其激射閉值電流由幾百mA 降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時從最初的低溫(77K)下運轉發展到在常溫下連續工作，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級 (陣列器件)它具有效率高、體積小、重量輕、結構簡單、能將電能直接轉換為激光能、功率轉換效率高(已達10%以上、最大可達50%).便于直接調制、省電等優點，因此應用領域日益擴大。目前，固定波長半導體激光器的使用數量居所有激光器之首，某些重要的應用領域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導體激光器所取代。

半導體激光器最大的缺點是：激光性能受溫度影響大，光束的發散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差.但隨著科學技術的迅速發展，半導體激光器的研究正向縱深方向推進，半導體激光器的性能在不斷地提高.目前半導體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質量也有了很大的提高.以半導體激光器為核心的半導體光電子技術在21 世紀的信息社會中將取得更大的進展，發揮更大的作用.

（六）液體激光器

常用的是染料激光器，采用有機染料最為工作介質。大多數情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續可調，且覆蓋面寬是它的優點，使它也得到廣泛應用。