【正文】 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。受控核聚變是將激光分成多束，從各個(gè)方向均衡地照射在氘、氚混合體作成的小靶丸上，巨大的激光脈沖功率使靶丸在很短的時(shí)間內(nèi)高度壓縮，并產(chǎn)生高溫完成核聚變反應(yīng)。核聚變反應(yīng)需要在 107~108℃ 以上的高溫才能有效的進(jìn)行。此外，可以利用激光對(duì)牙齒實(shí)施打孔、切割和填補(bǔ)等手術(shù)。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。用激光手術(shù)刀切割人體組織既不流血也不留疤痕。 ? （ 3）激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 ? 利用激光可以對(duì)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。②脈沖激光加工消耗的能量較少，而且由于能量是在短時(shí)間內(nèi)供給的，因此能避免對(duì)加工點(diǎn)以外的熱影響，又由于加工時(shí)間短，能夠?qū)嵤?duì)運(yùn)動(dòng)中的物質(zhì)進(jìn)行加工。利用這個(gè)激光特性可對(duì)各種材料實(shí)施打孔、切割、焊接等諸多激光加工工藝?？茖W(xué)家們利用這一束定向的強(qiáng)光束已經(jīng)精確地測定了地球到月球之間的距離，在平均為 4 105km的距離上測量誤差只有 3m，這是以往其它方法無法實(shí)現(xiàn)的。 ? （ 1）激光測距 ? 我們知道根據(jù)光束往返時(shí)間可以對(duì)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)。當(dāng)然，在實(shí)際的應(yīng)用中激光的各方面的特性往往很難截然分開，有的應(yīng)用（如非線性光學(xué)）與激光的許多方面的特性都有關(guān)。 ? 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。染料激光器的每個(gè)脈沖的激光能量可達(dá)數(shù)十焦耳的量級(jí)，峰值功率達(dá)幾百兆瓦，激光能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 50％。 ? 染料激光器是比較理想的可調(diào)諧激光器。泵浦光需要滿足一定的輸出能量，且脈沖寬度要窄，以消除三重態(tài)的淬滅作用。激光泵浦又有脈沖光泵浦和連續(xù)光泵浦之分。 ? 染料激光器一般都采用光泵浦的方式，可選用閃光燈泵浦或激光泵浦。 ? 染料激光器屬于四能級(jí)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?？梢圆捎煤线m的染料如若丹明 6G或采用窄的光脈沖泵浦方式，使染料分子在 T1態(tài)積累之前，完成激光振蕩。這些分子躍遷到 S0態(tài)的較高振動(dòng)能級(jí)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(jí)上。在泵浦光的照射和作用下，大部分染料分子吸收了光能由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的某個(gè)振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)上，其中 S1態(tài)有稍長的壽命。 S0是基態(tài)，其它能級(jí)均為激發(fā)態(tài)。所以每一個(gè)電子態(tài)都可以看成由一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能帶組成，這種寬帶結(jié)構(gòu)使得染料激光在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。采用某種模型可以近似地得到染料分子的能級(jí)圖，如圖 。染料激光器不僅是輸出的激光波長連續(xù)可調(diào)，而且輸出的激光譜線寬度很窄、價(jià)格低、增益高、輸出功率可與固體和氣體激光器相比，效率較高、激光均勻性好，制備容易，可以循環(huán)操作和便于冷卻。 ? 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。 圖 CO2激光器 圖 CO2激光器 圖 CO2激光器 ? （有機(jī)染料）激光器 ? 液體激光器是以液體為工作物質(zhì)的激光器，共兩類：一是有機(jī)染料，另一類是含有稀土金屬離子的無機(jī)化合物。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)。由此造成放電管管壁對(duì)小角度掠射光的菲涅耳反射率很高，于是放電管中可低損耗地傳輸準(zhǔn)橫向電磁波（即波導(dǎo)模）。 ? CO2激光器。氣體流動(dòng)截面大，流動(dòng)路徑短，因此較低的流動(dòng)速度就可達(dá)到與縱向快流同樣的冷卻效果，最佳壓強(qiáng)可高達(dá) 104Pa，這樣的高壓強(qiáng)有利于提高激光輸出功率。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。在最佳放電條件下，激光器的輸出功率約為 50 W/m~ 1 kW/m之間。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。氣體流動(dòng)能夠及時(shí)排除 CO2分子與電子碰撞時(shí)分解出來的 CO氣體，并補(bǔ)充新鮮氣體。 ? CO2激光器結(jié)構(gòu)如圖 。通常也加入少量的 H2O或 H2用做催化劑。 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激光器的種類較多，主要有以下 4類。 ? 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激光器以 CO N2和 He的混合氣體作為工作物質(zhì)，激光躍遷發(fā)生在CO2分子的電子基態(tài)的振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)能級(jí)之間。 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。鑒于這種情況，放電毛細(xì)管材料必須能耐高溫、導(dǎo)熱性好、氣密性好和機(jī)械強(qiáng)度高，常用的放電管采用石英玻璃管或陶瓷毛細(xì)管、金屬管、石墨管等制作，并且還需要通水冷卻。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(duì)管壁的轟擊，有助于延長激光器的壽命。因此 Ar＋激光器必須采用低氣壓、大電流弧光放電激發(fā)，其放電電流比 HeNe激光器高出約 1000倍（管內(nèi)電流密度可高達(dá) 100~1000 A/cm2）。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。 圖 氬離子激光器結(jié)構(gòu)示意圖 ? 氬離子激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖 。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。連續(xù)工作的 Ar+的激光器可產(chǎn)生 9條藍(lán)綠激光譜線，其中以 藍(lán)光和 514. 5 nm綠光譜線最強(qiáng)，占總功率輸出的 30%~40%。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?？梢赃B續(xù)、單色平面偏振光輸出，且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠穩(wěn)定，在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測量、精密計(jì)量、光盤錄放等很多方面具有廣泛的應(yīng)用。 ? 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。在電極兩端加上 2~4 kV的直流高壓，由于氣體放電可使 Ne原子的能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。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。圖 (a)為內(nèi)腔式，即反射鏡和放電管連在一起； (b)為半內(nèi)腔式，一塊反射鏡與放電管相連，另一塊反射鏡與放電管相分離；（ c）為外腔式，反射鏡和放電管為互相分離。 ? 光學(xué)諧振腔是由一對(duì)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％。放電電極大采用冷陰極形式，陰極材料為鋁或鋁合金。放電管一般用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃制成。 ? HeNe激光器的基本結(jié)構(gòu)包括放電管、電極和光學(xué)諧振腔三部分，如圖 。 ? （ 1） HeNe激光器 ? 最早研制成功的氣體激光器。最具有代表性的雙原子氣體激光器是氮分子激光器和三原子氣體的二氧化碳激光器。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)。 CH3OH（乙醇）激光器在波長從幾十微米至亞毫米波區(qū)中，多數(shù)譜線能產(chǎn)生激光振蕩。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。雖然 CO2激光器工作物質(zhì)是氣體，但是由于增益高，所以用作 CO2激光共振腔的反射鏡其反射率沒有必要裝備比其它氣體激光器更高的反射鏡。在 200條振蕩譜線。放電管內(nèi)充以 CO N He的混合氣體，采用輝光放電激發(fā)。 ? 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。 Cu激光器在 。 HeSe激光器在 ~ 50條振蕩譜線。 Pb, Sn等金屬蒸氣中，需混和 He作為緩沖氣體后使用。由于能夠獲得高增益，所以激光效率比較高。氮激光器在 331~ 400nm范圍內(nèi)有幾條紫外譜線，能以l0ns的窄脈沖寬度產(chǎn)生很高的峰功率。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。 ? 原子氣體激光器中應(yīng)用最普遍、最典型的是惰性氣體類中的 He一 Ne激光器和金屬原子蒸氣類中的銅原子激光器。 ? 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(jí)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)。如需獲得從紅光到近紅外的振蕩激光，使用 HeNe氣體激光器；需要獲得從紫外到可見區(qū)振蕩的，使用 Kr+離子激光器， Ar+離子激光器， Xe+離子激光器等。氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦和核泵浦等方式。 ? 氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小，不宜采用光泵浦，而采用氣體放電泵浦方式。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 ? 氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣為工作物質(zhì) ,目前種類最多、波長分布區(qū)域最寬 ,應(yīng)用最廣的一類激光器。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。除調(diào)諧范圍寬，還具有輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，可采用脈沖或連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，可以用半導(dǎo)體激光器激發(fā)，制成小型的波長可變激光器。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。 ? 在摻鈦藍(lán)寶石中，以少量 Ti 4+為激活粒子，能級(jí)如圖 ,有四能級(jí)