神通激光

第五节 兄弟姊妹有特长

　　自从1960年第一台激光器诞生以来，世界上已有各种各样激光器千百种。按照激光器的工作物质不同来分类，可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等几大类。按照激光器中所采用的激励方式不同来分类，可以分为光激励式激光器、电激励式激光器、化学反应激励式激光器、热能激励式激光器及核能激励式激光器等几大类。按照激光器的工作方式不同来分类，可以分为单脉冲式激光器、重复脉冲式激光器、连续式激光器、Q突变式激光器、单模激光器、稳频激光器及锁模激光器等几大类。按照激光器输出激光的波长范围不同来分类，可以分为紫外激光器、近紫外激光器、可见光激光器、近红外激光器、中红外激光器、远红外激光器等几大类。此外，还有其它分类方式。

　　激光器的种类，可以从多种不同方面加以分类，但从本质上来看，按照激光器的工作物质来区分是基本的。激光器的工作物质有几百种材料组态，一旦工作物质选定，可能采取的激励方式、工作状态和输出激光波长范围也就随之确定下来。下面，我们就从激光器工作物质的方面来认识一下激光器的“兄弟姐妹”。

　　固体激光器 这类激光器的工作物质是具有特殊发光能力的高质量的光学晶体或光学玻璃，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。固体激光器通常采用光学激励或光泵激励，就是利用脉冲氙灯或连续氪弧灯这样的气体放电光源作为激励的泵浦光源，通过适当的聚光器系统，把泵浦光会聚到固体工作物质中，使工作物质达到粒子数反转并进而产生激光。在现阶段水平上，常用的固体激光器主要有红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器和钕玻璃激光器等。

　　红宝石激光器是世界上第一种激光器。40多年来，这种激光器一直广泛地应用着。这种激光器的工作物质红宝石是通过把3价铬离子掺入刚玉晶体（Al2O3）而人工制成的。红宝石呈棒状，直径为1厘米左右或更粗，长为几厘米到几十厘米。红宝石的长短粗细，可以根据设计要求来选用。红宝石棒的两个端面磨得很平很光滑，并且相互平行。有的采用单独制成的反射镜作为谐振腔的两个反射镜，有的直接在红宝石棒两个端面上镀反射膜作为反射镜，其中一个反射率为100%，另一个稍低些。这种激光器采取光泵激发方式，可以是连续的，也可以是脉冲的。红宝石激光器发射的激光是波长为0.6943微米（6943埃）的红色光。

　　掺钕钇铝石榴石激光器的工作物质是将3价钕离子掺入钇铝石榴石晶体而人工制成的，是具有4个能级的激活媒质系统，因而所需要的激发能量比红宝石要低。这种激光器的发射波长为1.06微米的近红外激光。这种激光器的工作方式，主要用于连续的或较高重复频率脉冲式的运转，可以获得较高的连续功率或平均功率。

　　钕玻璃激光器的工作物质是把3价钕离子掺入优质光学玻璃而制成的，也是具有4个能级的激活媒质系统，因而所需要的激发能量也比红宝石低。这种激光器的发射波长也是1.06微米的近红外激光。这种激光器的工作方式，主要用于单脉冲式运转。由于工作物质的尺寸可以做得较大，因此可获得较高的脉冲能量和脉冲功率输出。这种器件的规模也可做得很大。

　　固体激光器的优点是输出功率高，广泛地应用于工业加工生产方面，如微型打孔、焊接和切割等。固体激光器可以做得小而坚固，所以很适合在军事上应用，如测距、雷达方面常用重复频率的巨脉冲激光器。固体激光器的缺点是它发出的激光的相干性和频率的稳定性都不如气体激光器。

　　气体激光器 这类激光器的“个性”较为随和，对于“吃穿用”不那么挑剔。气体激光器可采用的工作物质最多，可以采用原子气体、分子气体和离子气体，因此可相应地称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。气体激光器的激励方式也多样化，一般主要利用气体放电进行激励。这种激光器所发射的激光波长分布也最广。目前水平较高的品种有氦氖激光器、二氧化碳激光器、氮激光器、水蒸气激光器、氰化氢激光器等。

　　原子气体激光器的典型代表为氦氖激光器，它的工作物质为氦和氖的混合气体。这种激光器发射波长为0.6328微米的红色激光。这种激光器通常以直流放电激励，连续工作，是目前单色性较好、运转寿命较长、输出连续可见光的常用激光器。

　　分子气体激光器的典型代表是二氧化碳激光器，它的工作物质为二氧化碳分子气体。这种激光器是目前输出功率最高的一种激光器，最高连续输出功率达到几万瓦；效率也高，最高效率达到33%。发射波长为10.6微米的中红外激光，这种输出波长正好处于“大气窗口”中。如前所述，光在大气中传输时，光的能量会被大气中某些物质所吸收。但是，也能找到一些很少被大气吸收的波长范围的光，或者说，这些波长的光能较好地透过大气，因而把这些波长的范围叫做“大气窗口”。例如4.5～5.5微米，7.5～14微米等。这种激光器可作连续工作或脉冲式工作，常用于工业加工和医疗手术等。

　　离子气体激光器的典型代表是氩离子激光器。这种激光器发射蓝——绿色的可见光。它通常以大电流直流放电激励，连续工作。氩离子激光器的主要特点是可以获得可见光谱区的高连续功率输出。

　　气体激光器有许多优点：输出的激光单色性比固体激光器好；输出的激光频率稳定；大多能连续工作；激光谱线波长范围较宽，从紫外到远红外已有数千条可供选用；结构较简单，成本也较低。因此，气体激光器在精密测量、准直、通信、摄影等方面应用很广泛。气体激光器也有缺点，就是它瞬时输出功率不高。

　　液体激光器 这类激光器的工作物质有两种：一种是有机染料溶液，另一种是含有稀土金属离子的无机化合物溶液，这类激光器中的重要品种是有机染料激光器，如著名的若丹明6G染料激光器。通常都采用光泵式激励，以单脉冲或高重复频率脉冲式工作，输出的激光波长随所使用染料种类的不同而有差异，一般处于可见光波段。染料激光器的最大优点是它输出的激光波长可调谐，采用色散选择元件的方法，可在较大范围内连续改变输出激光的波长，因此，在各种光谱测量技术中有着特殊重要的应用价值。

　　半导体激光器 这类激光器的工作物质是半导体，它在一定的激励作用下可实现平衡载流子在一定能级或能带间的粒子数反转，进而产生受激发射。最典型的半导体激光器是以电注入方式进行激励的砷化镓二极管激光器，发射波长约为0.8微米左右的近红外激光，可以连续工作或高重复频率脉冲工作。这种激光器的主要特点是器件体积十分小，重量很轻，成本较低，工作效率高，运行寿命长，特别适宜于飞机上、军舰上、坦克上及士兵随身携带用，可以应用在红外激光通信、测距、制导以及自动控制等方面。例如，在飞机上作为测距仪来瞄准敌机，在宇宙飞船中作为光雷达观测月球表面。但是，半导体激光器输出功率较小。

　　激光器是一种极新颖的光源，激光具有以前任何光源所不具备的优异特点，因而在各行各业得到广泛应用，给各个领域带来了十分广阔的应用前景。