【正文】 ? 固體激光器的工作物質(zhì)能儲(chǔ)存較多的能量，比較容易獲得大能量、大功率的激光脈沖。由于躍遷上能級壽命較短，為獲得足夠的泵浦速率，大多采用激光泵浦，即用另一臺激光器作為泵浦源，有氫離子激光器、銅蒸氣激光器、倍頻的 YAG激光器等。 ? 由于玻璃的熱傳導(dǎo)性比晶體差，冷卻速度慢，所以一般不適用于連續(xù)振蕩和高重復(fù)率振蕩。YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過千瓦，每秒 5000次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率達(dá)數(shù)千瓦，每秒幾十次重復(fù)頻率激光器輸出峰值功率可達(dá)數(shù)百兆瓦。一般摻入的 Nd 3+的密度約為 1020／cm3。 ? 一可調(diào) Q值的激光器輸出巨脈沖峰值功率 (10~50)MW，脈寬 (10~20)ns；鎖模紅寶石激光器輸出超短脈沖的峰值功率 109W，脈寬 10ps。當(dāng)泵浦光照射到紅寶石時(shí)，激光器產(chǎn)生 694. 3 nm波長的激光輸出。 ? （ 1）紅寶石激光器 ? 紅寶石激光器是最早的一種晶體激光器，工作物質(zhì)是紅寶石棒狀晶體（激光棒），在基質(zhì)中加入激活離子 Cr 3+。 ? 為了使氣體放電燈發(fā)出的非相干光有效地照射到激光工作物質(zhì)，必須采用合適的聚光裝置。 ? 以非相干的氣體放電光為激勵(lì)光源 (如圖 )是廣泛采用的一種激勵(lì)方式 .脈沖激光器采用脈沖氙燈激勵(lì) 。 ? 此類激光器儲(chǔ)能能力強(qiáng)，易于獲得大能量輸出。 ? 本節(jié)將按工作物質(zhì)的分類，分別介紹一些常見的、有代表性的固體激光器、氣體激光器、液體激光器包括有機(jī)染料激光器和半導(dǎo)體激光器。此 Q開關(guān)法可獲得的巨脈沖 .采用鎖模技術(shù)可產(chǎn)生皮秒（ 1012s）光脈沖和亞皮秒光脈沖，這些也都是激光的特征。為了讓粒子的受激發(fā)射的幾率隨入射的電磁波的強(qiáng)度成比例地增加，采用適當(dāng)?shù)墓舱袂皇蛊渥髡答?，連續(xù)引發(fā)受激發(fā)射，產(chǎn)生自激振蕩，這就是激光產(chǎn)生的原理。 ? 激光與非激光差別，源于產(chǎn)生的方式不同。與此相對照的發(fā)光二極管等非相干光的光譜寬度在 104GHz以上，白色燈光可達(dá)到數(shù)億兆赫。相干光的激光增益帶寬由激光共振腔的 Q值和長度以及激光工作物質(zhì)決定，因此受到限制，光譜寬度極為狹窄。非相干光通常其光譜的寬度較寬、其光束發(fā)散角也較大。這種光是大量的粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，而發(fā)射的光波，其波長和相位雜亂無章，向各個(gè)方向無規(guī)則輻射，持續(xù)時(shí)間也以指數(shù)函數(shù)急劇衰減。跟上節(jié)所述的自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的普通光相反，激光是受激發(fā)射而產(chǎn)生的。那么，普通的自發(fā)發(fā)射光與激光區(qū)別在哪里？可以簡單地從最終的結(jié)果來說，激光是時(shí)間上、空間上相位整齊的正弦波，而普通光則在時(shí)間上和空間上是無規(guī)則，使一種衰減和振蕩重疊在一起的波。而激光雖然也是有大量的粒子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷發(fā)射的光波，但其在時(shí)間和空間上相位完全一致。這是由于各個(gè)原子發(fā)出的光，其相位斷斷續(xù)續(xù)，并向四面八方發(fā)射之故。 ? 激光的相干光是整齊的正弦波，容易發(fā)生干涉。非相干光發(fā)散角在 2π ~ 4π弧度（全立體角）的立體角內(nèi)。我們已知了受激發(fā)光的原理，激光的產(chǎn)生基礎(chǔ)就是受激發(fā)光和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 ? 實(shí)現(xiàn)通過自激振蕩使受激發(fā)射光的強(qiáng)度成比例地增加 ,按照電子電路里面，真空管和晶體管都是在放大電路中加上正反饋（取出輸出信號的一部分，與輸入信號同相位而再次加進(jìn)輸入信號中去）而引起自激振蕩的思路，在激光器中也采用完全相同的辦法使激光自激振蕩。 圖 圖 提供正反饋的激光共振腔 ? 不同工作物質(zhì)的激光器 ? 激光器是光電子技術(shù)領(lǐng)域的最主要的器件之一，自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器的種類日益增多、水平迅速提高。 ? 固體激光器 ? 固體激光器可分成晶體和玻璃激光器兩類，以晶體或玻璃為工作物質(zhì)。典型的固體激光器有紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器和鈦寶石激光器等。連續(xù)激光器采用氫燈或碘鎢燈激勵(lì)。 ? 圖 氣體放電燈激勵(lì)固體激光器示意圖 ? 固體激光器還可用半導(dǎo)體激光器作激勵(lì)源。 ? 激活離子均勻分布 ,密度約為 1019/cm3。紅寶石激光器屬三能級系統(tǒng)，具較高的泵浦能量閾值，激光性能隨溫度變化明顯。 ? 紅寶石激光器閾值泵浦能量高，其應(yīng)用受到影響，但由于其輸出的是可見光，在激光測距、材料加工、全息照相和醫(yī)學(xué)等方面仍很有應(yīng)用價(jià)值。 ? YAG中 Nd 3+與激光產(chǎn)生過程有關(guān)的能級如圖 。 ? 另一類的釹玻璃激光器的基質(zhì)材料是玻璃，摻入了 Nd 3+激活離子。但是，從光學(xué)的角度來說，玻璃比晶體折射率均勻性好，大型的工作物質(zhì)容易制得，從而適用于高功率輸出。當(dāng)用倍頻激光泵浦時(shí)，其總體效率達(dá) 40％，重復(fù)率為 1~10 Hz,脈寬 4 ns時(shí)脈沖能量為 100 mJ。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。但是，氣體是低密度的物質(zhì)，激活粒子密度遠(yuǎn)小于固體，需要較大體積的工作物質(zhì)才能獲得足夠的輸出功率。氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦和核泵浦等方式。 ? 原子氣體激光器的工作物質(zhì)是中性原子氣體，激光躍遷發(fā)生于中性原子的不同激發(fā)能級之間，其工作物質(zhì)有兩類：一類是惰性氣體原子，如氮（ He）、氖（ Ne）、氦（ Ar）、氪（ Kr）和氙（ Xe）等，這類激光器輸出的波長多在紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)，只有少數(shù)在可見光區(qū)。但某些離子激光器盡管能夠有連續(xù)輸出幾瓦至幾十瓦的激光輸出，但由于振蕩效率低，適用的范圍受到限制，較多用來作特殊顯示等用途。由于能夠獲得高增益，所以激光效率比較高。 HeSe激光器在 ~ 50條振蕩譜線。 ? 離子氣體激光器是以氣態(tài)離子在不同激發(fā)態(tài)之間的激光躍遷工作的一種激光器，其工作物質(zhì)為惰性氣體的離子和金屬蒸氣離子，由于其離子氣體激光器的輸出波長大多在紫外和可見光區(qū)，因此是目前可見光波段連續(xù)輸出功率最高的激光器，其閾值電流密度相當(dāng)高，可達(dá)幾百安培。在 200條振蕩譜線。用簡單的 CO2激光裝置就可做到連續(xù)輸出幾瓦至 100W，大型裝置也有連續(xù)輸達(dá) 20kW。雙原子分子激光器的輸出波長在紫外和可見光區(qū)，而三原子分子激光器的輸出波長在中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)。 ? （ 1） HeNe激光器 ? 最早研制成功的氣體激光器。放電管一般用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃制成。 ? 光學(xué)諧振腔是由一對涂有高反射多層介質(zhì)膜的反射鏡組成，采用平凹腔形式，輸出平面鏡的透過率為 1％ ~2％，凹面全反鏡的反射率接近 100％。半內(nèi)腔 ? 式和外腔式激光器的優(yōu)點(diǎn)則是適于輸出線偏振光，便于進(jìn)行內(nèi)調(diào)制。 ? 影響 HeNe激光器輸出功率的因素除工作物質(zhì)尺寸、諧振腔損耗和輸出耦合外，還有氣體放電電流參數(shù)、充氣氣壓 ,He與 Ne這兩種氣體的比例及毛細(xì)管的管徑等。氬離子激光器主要的用途是作染料激光器的泵浦源，以及用于全息照相、信息存儲(chǔ)、快速排字、彩色電視、激光醫(yī)學(xué)和光譜分析等方面。氬離子二次離化的結(jié)果是氬離子激光器也可以輸出 ，這種情況在電流密度很大時(shí)可以觀察到。為了提高電子動(dòng)能，氬離子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在 150 Pa以下。為此沿放電毛細(xì)管加一軸向磁場，該磁場的洛倫茲力能夠使帶電粒子沿著磁場方向運(yùn)動(dòng)，在加大了發(fā)光區(qū)的電流密度的同時(shí)也減少了高能粒子對管壁的轟擊，有助于延長激光器的壽命。 CO2激光器的輸出譜帶相當(dāng)豐富，主要波長分布在 9~11um，正好處于目前盛行的光通信的“大氣窗口”之中，因而常被用做地面與空間光通信的光源。 ? CO2激光器激光器的諧振腔大多采用平凹腔，高反射鏡通常由金屬制成，也可在玻璃上鍍一層金屬膜而形成。 CO2激光器在充好氣后兩端被封閉，故使用方便，可以隨意移動(dòng)。 ? CO2激光器結(jié)構(gòu)如圖 。當(dāng)氣體快速流動(dòng)時(shí)，輸出功率會(huì)顯著提高，當(dāng)放電管中氣體的流速達(dá)到 300~600 m/s時(shí)，輸出功率可達(dá) 600 W/m以上。橫向流動(dòng) CO2激光器中的放電方向、氣體流動(dòng)方向和光軸方向是互相垂直的。 ? CO2激光器。波導(dǎo)CO2激光器既可用縱向放電方式，也可用橫向射頻激勵(lì)。 ? 染料激光器是以溶于一定溶劑（例如甲醇、乙醇、干油等）中的有機(jī)染料為工作物質(zhì) ,利用液態(tài)有機(jī)染料分子的熒光躍遷實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，在從近紫外到可見以及近紅外的 ~很寬的范圍內(nèi)可以連續(xù)進(jìn)行波長調(diào)諧。采用某種模型可以近似地得到染料分子的能級圖，如圖 。 S0是基態(tài)，其它能級均為激發(fā)態(tài)。這些分子躍遷到 S0態(tài)的較高振動(dòng)能級上時(shí)，就發(fā)出熒光，接著又迅速無輻射躍遷回到 S0態(tài)的最低振動(dòng)能級上。 ? 染料激光器屬于四能級系統(tǒng)，容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激光器的閾值低，發(fā)射的激光譜線非常寬。激光泵浦又有脈沖光泵浦和連續(xù)光泵浦之分。 ? 染料激光器是比較理想的可調(diào)諧激光器。 ? 激光和激光器的主要應(yīng)用 ? 激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、科學(xué)研究以及我們?nèi)粘Ｉ畹母黝I(lǐng)域。 ? （ 1）激光測距 ? 我們知道根據(jù)光束往返時(shí)間可以對確定的目標(biāo)測定距離，但是普通光束的發(fā)散角很大，光強(qiáng)也很有限，當(dāng)被測目標(biāo)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，返回的光束十分微弱，難以完滿地完成精確測距的任務(wù)。利用這個(gè)激光特性可對各種材料實(shí)施打孔、切割、焊接等諸多激光加工工藝。 ? （ 3）激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 ? 利用激光可以對有機(jī)物產(chǎn)生光、熱、壓力、電磁等多方面作用，使得它在醫(yī)學(xué)研究及醫(yī)療上的應(yīng)用已越來越廣泛。由于紅血球?qū)λ{(lán)光有強(qiáng)烈的吸收，因此，用藍(lán)光波段的氨離子激光器作手術(shù)刀時(shí)，有光致凝結(jié)作用。核聚變反應(yīng)需要在 107~108℃ 以上的高溫才能有效的進(jìn)行。目前美國、日本及歐洲都建立了相當(dāng)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行著多方面的熱核聚變研究，我們國家的科學(xué)家們也已開展了這方面的深入研究。非線性光學(xué)效應(yīng)將在光學(xué)倍頻與混頻、受激拉曼散射等很多方面的應(yīng)用上顯現(xiàn)其優(yōu)勢。為了達(dá)到通信的目的，通?？偸窍葘M傳送的信息設(shè)法加載（或調(diào)制）到某種載體上，被調(diào)制的載體傳送到目的地后，再將所需信息從載體上解脫出來，復(fù)原成原來的樣式。當(dāng)人們掌握了數(shù)百至數(shù)千 kHz的電磁波的發(fā)射和接收技術(shù)時(shí)，無線電通信及廣播開始為人類服務(wù)。 ? 在微波及毫米波之后，進(jìn)一步開拓了光波波段，首先是紅外區(qū)。 20世紀(jì)早期，就有不少科學(xué)家致力于光通信的研究，但進(jìn)展不大，主要的原因是缺乏理想的光源。由激光器發(fā)出的相干光具備極高的方向性，傳輸很遠(yuǎn)也不至于散發(fā)而減弱。 ? 1966年