激光產(chǎn)生原理：原子受激輻射的光，故名“激光”。激光：原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再從高能級(jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發(fā)）出來的光子束（激光），其中的光子光學(xué)特性高度一致。因此激光相比普通光源單色性、方向性好，亮度更高。

激光的原理必須要從物質(zhì)中的粒子能量說起，還必須是一些特定物質(zhì)中的特定粒子，有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的能量狀態(tài)，有時(shí)候處在高能狀態(tài)，激昂亢奮，有時(shí)候處在低能狀態(tài)，像早晨兩三點(diǎn)鐘的太陽。

當(dāng)粒子從高能狀態(tài)松懈下來變成低能狀態(tài)時(shí)，損失的能量就會(huì)以光子的形式輻射出來。
 

根據(jù)激光產(chǎn)生原理的分析知道，激光是在“激勵(lì)源”的作用下，原子的高能級(jí)電子數(shù)增多，在停留極短時(shí)間后又躍遷到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出激光。不難知道，一定有很多很多物質(zhì)的原子在“激勵(lì)源”的作用下能夠發(fā)出激光。

粗略地說，想制造出激光發(fā)生器，要有4個(gè)要素：

1.選擇產(chǎn)生激光的工作介質(zhì)。可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體，只要介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就可以獲得激光。

2.選擇“激勵(lì)源”很重要。“激勵(lì)源”要讓介質(zhì)的低能級(jí)電子有效地躍遷到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)所謂的電子數(shù)反轉(zhuǎn)。可以用氣體放電的辦法，利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式都被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。“泵浦”的目的就是要讓高能級(jí)的粒子數(shù)比低能級(jí)的多。

3.構(gòu)造諧振腔也很重要。因?yàn)椤氨闷帧彼�產(chǎn)生的激光強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用，需要讓弱激光與激光諧振起來，讓輸出的激光增強(qiáng)，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。

4.高能激光器需要冷卻系統(tǒng)。因?yàn)橹C振腔內(nèi)是強(qiáng)光，所以諧振腔需要冷卻。

按激光的工作介質(zhì)分類有：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、化學(xué)激光器，現(xiàn)在還有一種“透明陶瓷激光器”。

按激光的輸出方式分類有：連續(xù)激光器、脈沖激光器。

激光器的性能指標(biāo)主要集中在以下幾個(gè)方面：一是所發(fā)激光束的頻率范圍，因?yàn)榧す饪梢宰觥凹��?lì)源”，也可以做頻譜分析光源，所以必須要知道所發(fā)激光的頻譜；二是所發(fā)激光束的功率大小，特別是最大功率，因?yàn)楣β蚀笮�劃定了激光器的�?yīng)用范圍；三是激光束能量集中的照射面積，因?yàn)檎丈涿娣e大小不同的應(yīng)用場合也不同。

一．固體激光器

很多固體物質(zhì)都能制作激光器。特別地，用人工合成的辦法，用制造陶瓷的工藝，可以制造出含有不同成分的晶體，稱為“透明陶瓷激光介質(zhì)”，現(xiàn)在，用人工晶體做出的激光器非常方便實(shí)用。下面介紹常見的3種固體激光器。

1.紅寶石激光器

最早的激光器是紅寶石激光器。1960年7月，梅曼成功制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進(jìn)紅寶石晶體，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束，這一成果震驚全世界，并引發(fā)研制激光器的熱潮。

分析可知，紅寶石是晶體，其基質(zhì)是Al2O3，其中含有0.03-0.4%（重量比)的 Cr2O3（三氧化二鉻），于是可以把這些材料粉末壓制成型，真空燒結(jié)，就可以生產(chǎn)出人造的紅寶石晶體，用人造紅寶石棒制作激光器的性能優(yōu)越，應(yīng)用普遍，人們也對(duì)這種激光介質(zhì)做了充分的研究；特別是“泵浦源”采用較強(qiáng)的脈沖氙燈；諧振腔還是采用老辦法，在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的反射鏡，一塊將激光幾乎全反射到工作介質(zhì)處參與諧振，另一塊將大部分光反射回去諧振，且讓少量的激光透過這塊鏡子射出，射出的是強(qiáng)烈的激光，是用于實(shí)用的激光。

現(xiàn)在，紅寶石激光器的輸出能量可以做出不同等級(jí)的，最大可達(dá)數(shù)千焦耳級(jí)。

2.摻釹釔鋁石榴石晶體激光器

摻釹釔鋁石榴石晶體，是由釔（Y2O3）和鋁（Al2O3）按比例3：5化合并摻入釔（Nd2O3），壓制成型，在真空中1700℃燒結(jié)成晶體，常被應(yīng)用于近遠(yuǎn)紅外固態(tài)激光器，性能優(yōu)越。多采用連續(xù)氪燈或碘鎢燈作為泵浦光源，這正好與3價(jià)的Nd離子的吸收帶相匹配。 摻釹釔鋁石榴石激光器可以是幾十到幾百瓦的，也可以做出大功率的。

3.釹玻璃激光器

以高純度的硅酸鹽玻璃為基質(zhì)摻入釹酸鹽，用這種釹玻璃制作激光器，也有用磷酸鹽等做基質(zhì)摻入釹酸鹽的。

釹玻璃激光器與上述晶體激光器的工作過程類似。

小功率的釹玻璃激光器被有效地用于光纖通信，光纖通信得以發(fā)展的最關(guān)鍵的2項(xiàng)技術(shù)，一是用半導(dǎo)體激光器調(diào)制光信號(hào)，二是用釹玻璃激光器做中繼器（參見科普文章系列，編號(hào)61），信號(hào)光被中繼器所放大，光信號(hào)得以遠(yuǎn)距離傳輸。

大功率的釹玻璃激光器也容易制作。因?yàn)殁S玻璃的光學(xué)均勻性好，容易制備成大體積材料，比晶體容易加工成型，釹玻璃制作成本很低；釹玻璃棒的體積越大，輸出的激光能量越高；所以釹玻璃激光器在實(shí)用中是被首選的固體激光器，它可以是低功率的，也可以是大功率的。

大功率釹玻璃激光器已經(jīng)被用于核聚變實(shí)驗(yàn)中。1974年，上海光機(jī)所研制成功毫微秒10萬兆瓦級(jí)6路高功率釹玻璃激光系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了用激光去產(chǎn)生高溫高密度的等離子體，為核聚變“點(diǎn)火”裝置做出了巨大的貢獻(xiàn)。

二．氣體激光器

氣體激光器有很多種，其中最常用的是二氧化碳激光器和氦-氖激光器。

1.二氧化碳激光發(fā)生器

CO₂激光器，主要使用CO₂氣體，還少量添加氮?dú)夂秃�氣，同樣使用“泵浦源”激發(fā)，使得氣體分子產(chǎn)生能級(jí)躍遷，從而激發(fā)出激光。 

CO₂激光器是激發(fā)分子能級(jí)去獲得激光的，其工作原理比較復(fù)雜，因?yàn)榉肿佑腥�種不同的運(yùn)動(dòng)，一是分子里電子的運(yùn)動(dòng)決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動(dòng)決定了分子的振動(dòng)能態(tài)；三是分子的整體轉(zhuǎn)動(dòng)決定了分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，能級(jí)復(fù)雜，所以激發(fā)分子的能級(jí)躍遷過程也復(fù)雜。

氣體CO₂、少量氮?dú)夂秃�氣被封裝在玻璃做成的“放電管”中；連續(xù)施加某種“泵浦源”，它發(fā)射的電子在管中撞擊氮分子并讓氮分子被激發(fā)起來；氮分子和CO₂分子發(fā)生碰撞，氮分子把能量傳遞給CO₂分子，CO₂分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上；發(fā)出激光。也就是說，CO₂氣體分子發(fā)出激光的 “泵浦源”是二級(jí)激發(fā)，先是電子激發(fā)氮分子振動(dòng)，再是氮分子撞擊CO₂分子。

CO₂分子被激發(fā)出來的是紅外光，還需要諧振加強(qiáng)，加強(qiáng)后的激光還要傳送出去。為了讓紅外光諧振加強(qiáng)，密封玻璃管外測可鍍金構(gòu)成反射鏡；由于一般玻璃是不能透過紅外光的，于是在反射鏡中間開出小孔并用能夠透過紅外光的材料密封，這樣，諧振后的紅外激光就可以通過小孔傳送出來。

幾種激光發(fā)生器

CO₂激光器的激發(fā)源有多種，高壓直流電、高頻交流電、射頻、微波都可以。

常用的CO₂激光器的功率從幾十瓦到近千瓦不等，CO₂激光器在市場上都有售，這些激光器被成功地用于各行各業(yè)中。這些特性使二氧化碳激光器在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上用于多種材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、表面改性、涂覆等; 醫(yī)學(xué)上用于各種外科手術(shù); 軍事上用于激光測距、激光雷達(dá)，乃至定向能武器。

2. 氦-氖激光器

氦-氖激光器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的激光器之一，輸出功率在0.5~100毫瓦之間，具有非常好的光束質(zhì)量，可用于外科醫(yī)療、激光美容、建筑測量、準(zhǔn)直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室也在用它做演示實(shí)驗(yàn)。

氣體激光器與固體激光器比較，一般的，氣體激光器輸出的能量密度比固體激光器小。

三．半導(dǎo)體激光器

目前在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好、應(yīng)用較廣的是GaAs（砷化鎵）二極管半導(dǎo)體激光器。

對(duì)于GaAS（砷化鎵）激光器，用電流激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子與空穴復(fù)合時(shí)便產(chǎn)生激光。

半導(dǎo)體二極管激光器可以發(fā)出可見的激光，也可發(fā)出近紅外光或紫外光。值得說明的是，普通的發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光不是激光，激光二極管（LD）是在發(fā)光二極管的基礎(chǔ)上再增設(shè)諧振腔制成的。

半導(dǎo)體二極管激光器是最實(shí)用最重要的一類激光器。它體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高、壽命長。因?yàn)榭梢圆捎秒妷汉碗娏骷��?lì)，所以它可以與集成電路兼容。它還可以用高達(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。

光纖通信是半導(dǎo)體激光器最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，通信網(wǎng)絡(luò)離不開半導(dǎo)體激光器。

可見光半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用到處可見，例如條碼讀出器、光存貯的讀出和寫入、激光打印、激光印刷、屏幕彩色顯示、高清晰度彩色電視等。

半導(dǎo)體激光器也常用于激光遙感、自由空間通信、大氣窗口、大氣監(jiān)視和化學(xué)光譜分析等方面。

半導(dǎo)體激光器的軍事用途也十分精彩，例如紅外對(duì)抗、激光瞄準(zhǔn)、激光測距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光引信等。

四．化學(xué)激光器

化學(xué)激光器是用化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生激光的。如，氟原子和氫原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，能生成處于激發(fā)狀態(tài)的氟化氫分子。這樣，當(dāng)兩種離子態(tài)氣體迅速混合后，便能產(chǎn)生激光，因此不需要?jiǎng)e的能量，就能直接從化學(xué)反應(yīng)中獲得很強(qiáng)大的光能。

目前，最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置，前者的激光波長在2.6～3.3微米之間；后者的在3.5～4.2微米之間。還有，溴化氫（HBr）激光器，波長為4.0～4.7微米；一氧化碳（CO）激光器，波長4.9～5.8微米；氧碘激光器，1.3微米。這些純化學(xué)激光器目前均可實(shí)現(xiàn)數(shù)兆瓦的輸出，其激光波長范圍在近紅外到中紅外譜區(qū)，這類激光很容易在大氣中或光纖中傳輸。

由于化學(xué)激光器是用化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生激光的，所以這類激光器的體積比較小，也比較適合于野外工作；特別地，可以產(chǎn)生高功率的激光，可用于軍事目的，也可用于核聚變。

微觀化學(xué)的研究直接推動(dòng)了化學(xué)激光器的研究，化學(xué)激光器的發(fā)展方向主要集中于：

1）要求實(shí)際操作化學(xué)反應(yīng)激光的產(chǎn)生，要求功率可控制，間斷時(shí)間可控制；

2）要求整個(gè)發(fā)生器的體積小；

3）要求能夠產(chǎn)生超大功率的激光。