神通激光

第五節 兄弟姊妹有特長

　　自從1960年第一台激光器誕生以來，世界上已有各種各樣激光器千百種。按照激光器的工作物質不同來分類，可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器等幾大類。按照激光器中所采用的激勵方式不同來分類，可以分為光激勵式激光器、電激勵式激光器、化學反應激勵式激光器、熱能激勵式激光器及核能激勵式激光器等幾大類。按照激光器的工作方式不同來分類，可以分為單脈衝式激光器、重複脈衝式激光器、連續式激光器、Q突變式激光器、單模激光器、穩頻激光器及鎖模激光器等幾大類。按照激光器輸出激光的波長範圍不同來分類，可以分為紫外激光器、近紫外激光器、可見光激光器、近紅外激光器、中紅外激光器、遠紅外激光器等幾大類。此外，還有其它分類方式。

　　激光器的種類，可以從多種不同方麵加以分類，但從本質上來看，按照激光器的工作物質來區分是基本的。激光器的工作物質有幾百種材料組態，一旦工作物質選定，可能采取的激勵方式、工作狀態和輸出激光波長範圍也就隨之確定下來。下麵，我們就從激光器工作物質的方麵來認識一下激光器的“兄弟姐妹”。

　　固體激光器 這類激光器的工作物質是具有特殊發光能力的高質量的光學晶體或光學玻璃，裏麵摻入具有發射激光能力的金屬離子。固體激光器通常采用光學激勵或光泵激勵，就是利用脈衝氙燈或連續氪弧燈這樣的氣體放電光源作為激勵的泵浦光源，通過適當的聚光器係統，把泵浦光會聚到固體工作物質中，使工作物質達到粒子數反轉並進而產生激光。在現階段水平上，常用的固體激光器主要有紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器和釹玻璃激光器等。

　　紅寶石激光器是世界上第一種激光器。40多年來，這種激光器一直廣泛地應用著。這種激光器的工作物質紅寶石是通過把3價鉻離子摻入剛玉晶體（Al2O3）而人工製成的。紅寶石呈棒狀，直徑為1厘米左右或更粗，長為幾厘米到幾十厘米。紅寶石的長短粗細，可以根據設計要求來選用。紅寶石棒的兩個端麵磨得很平很光滑，並且相互平行。有的采用單獨製成的反射鏡作為諧振腔的兩個反射鏡，有的直接在紅寶石棒兩個端麵上鍍反射膜作為反射鏡，其中一個反射率為100%，另一個稍低些。這種激光器采取光泵激發方式，可以是連續的，也可以是脈衝的。紅寶石激光器發射的激光是波長為0.6943微米（6943埃）的紅色光。

　　摻釹釔鋁石榴石激光器的工作物質是將3價釹離子摻入釔鋁石榴石晶體而人工製成的，是具有4個能級的激活媒質係統，因而所需要的激發能量比紅寶石要低。這種激光器的發射波長為1.06微米的近紅外激光。這種激光器的工作方式，主要用於連續的或較高重複頻率脈衝式的運轉，可以獲得較高的連續功率或平均功率。

　　釹玻璃激光器的工作物質是把3價釹離子摻入優質光學玻璃而製成的，也是具有4個能級的激活媒質係統，因而所需要的激發能量也比紅寶石低。這種激光器的發射波長也是1.06微米的近紅外激光。這種激光器的工作方式，主要用於單脈衝式運轉。由於工作物質的尺寸可以做得較大，因此可獲得較高的脈衝能量和脈衝功率輸出。這種器件的規模也可做得很大。

　　固體激光器的優點是輸出功率高，廣泛地應用於工業加工生產方麵，如微型打孔、焊接和切割等。固體激光器可以做得小而堅固，所以很適合在軍事上應用，如測距、雷達方麵常用重複頻率的巨脈衝激光器。固體激光器的缺點是它發出的激光的相幹性和頻率的穩定性都不如氣體激光器。

　　氣體激光器 這類激光器的“個性”較為隨和，對於“吃穿用”不那麽挑剔。氣體激光器可采用的工作物質最多，可以采用原子氣體、分子氣體和離子氣體，因此可相應地稱為原子氣體激光器、分子氣體激光器和離子氣體激光器。氣體激光器的激勵方式也多樣化，一般主要利用氣體放電進行激勵。這種激光器所發射的激光波長分布也最廣。目前水平較高的品種有氦氖激光器、二氧化碳激光器、氮激光器、水蒸氣激光器、氰化氫激光器等。

　　原子氣體激光器的典型代表為氦氖激光器，它的工作物質為氦和氖的混合氣體。這種激光器發射波長為0.6328微米的紅色激光。這種激光器通常以直流放電激勵，連續工作，是目前單色性較好、運轉壽命較長、輸出連續可見光的常用激光器。

　　分子氣體激光器的典型代表是二氧化碳激光器，它的工作物質為二氧化碳分子氣體。這種激光器是目前輸出功率最高的一種激光器，最高連續輸出功率達到幾萬瓦；效率也高，最高效率達到33%。發射波長為10.6微米的中紅外激光，這種輸出波長正好處於“大氣窗口”中。如前所述，光在大氣中傳輸時，光的能量會被大氣中某些物質所吸收。但是，也能找到一些很少被大氣吸收的波長範圍的光，或者說，這些波長的光能較好地透過大氣，因而把這些波長的範圍叫做“大氣窗口”。例如4.5～5.5微米，7.5～14微米等。這種激光器可作連續工作或脈衝式工作，常用於工業加工和醫療手術等。

　　離子氣體激光器的典型代表是氬離子激光器。這種激光器發射藍——綠色的可見光。它通常以大電流直流放電激勵，連續工作。氬離子激光器的主要特點是可以獲得可見光譜區的高連續功率輸出。

　　氣體激光器有許多優點：輸出的激光單色性比固體激光器好；輸出的激光頻率穩定；大多能連續工作；激光譜線波長範圍較寬，從紫外到遠紅外已有數千條可供選用；結構較簡單，成本也較低。因此，氣體激光器在精密測量、準直、通信、攝影等方麵應用很廣泛。氣體激光器也有缺點，就是它瞬時輸出功率不高。

　　液體激光器 這類激光器的工作物質有兩種：一種是有機染料溶液，另一種是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液，這類激光器中的重要品種是有機染料激光器，如著名的若丹明6G染料激光器。通常都采用光泵式激勵，以單脈衝或高重複頻率脈衝式工作，輸出的激光波長隨所使用染料種類的不同而有差異，一般處於可見光波段。染料激光器的最大優點是它輸出的激光波長可調諧，采用色散選擇元件的方法，可在較大範圍內連續改變輸出激光的波長，因此，在各種光譜測量技術中有著特殊重要的應用價值。

　　半導體激光器 這類激光器的工作物質是半導體，它在一定的激勵作用下可實現平衡載流子在一定能級或能帶間的粒子數反轉，進而產生受激發射。最典型的半導體激光器是以電注入方式進行激勵的砷化镓二極管激光器，發射波長約為0.8微米左右的近紅外激光，可以連續工作或高重複頻率脈衝工作。這種激光器的主要特點是器件體積十分小，重量很輕，成本較低，工作效率高，運行壽命長，特別適宜於飛機上、軍艦上、坦克上及士兵隨身攜帶用，可以應用在紅外激光通信、測距、製導以及自動控製等方麵。例如，在飛機上作為測距儀來瞄準敵機，在宇宙飛船中作為光雷達觀測月球表麵。但是，半導體激光器輸出功率較小。

　　激光器是一種極新穎的光源，激光具有以前任何光源所不具備的優異特點，因而在各行各業得到廣泛應用，給各個領域帶來了十分廣闊的應用前景。