激光基礎(chǔ)

能發(fā)射激光的裝置。1954年制成了第一臺(tái)微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應(yīng)用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。以后，激光器的種類就越來(lái)越多。按工作介質(zhì)分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器4大類。近來(lái)還發(fā)展了自由電子激光器，其工作介質(zhì)是在周期性磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的高速電子束，激光波長(zhǎng)可覆蓋從微波到X射線的廣闊波段。按工作方式分，有連續(xù)式、脈沖式、調(diào)Q和超短脈沖式等幾類。大功率激光器通常都是脈沖式輸出。各種不同種類的激光器所發(fā)射的激光波長(zhǎng)已達(dá)數(shù)千種，最長(zhǎng)的波長(zhǎng)為微波波段的0.7毫米，最短波長(zhǎng)為遠(yuǎn)紫外區(qū)的210埃，X射線波段的激光器也正在研究中。

除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，裝置的必不可少的組成部分包括激勵(lì)（或抽運(yùn)）、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)和諧振腔（ 見(jiàn)光學(xué)諧振腔）3部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干性。

激光工作物質(zhì) 是指用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時(shí)也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對(duì)激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級(jí)間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個(gè)激光發(fā)射作用過(guò)程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性。

激勵(lì)(泵浦)系統(tǒng) 是指為使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來(lái)源的機(jī)構(gòu)或裝置。根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵(lì)方式和激勵(lì)裝置，常見(jiàn)的有以下四種。①光學(xué)激勵(lì)(光泵)。是利用外界光源發(fā)出的光來(lái)輻照工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。②氣體放電激勵(lì)。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個(gè)激勵(lì)裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學(xué)激勵(lì)。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。④核能激勵(lì)。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。

光學(xué)共振腔 通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對(duì)腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個(gè)反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對(duì)組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對(duì)腔內(nèi)不同行進(jìn)方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。

分類 激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)范圍等幾個(gè)方面進(jìn)行分類介紹。

按工作物質(zhì)分類 根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體（晶體和玻璃）激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過(guò)把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的；②氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的不同，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機(jī)熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無(wú)機(jī)化合物液體（如SeOCl）則起基質(zhì)的作用；④半導(dǎo)體激光器，這類激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用，其原理是通過(guò)一定的激勵(lì)方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間，通過(guò)激發(fā)非平衡載流子而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用；⑤自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過(guò)渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。