激光產(chǎn)生原理一、激光產(chǎn)生原理

要學(xué)習(xí)激光原理我們需要先了解以下這些概念

1能級(jí)

物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會(huì)處于一些固定的“能級(jí)”，不同的能級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的電子能量，離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個(gè)電子，較高的軌道上則可容納8個(gè)電子等等。

2、躍遷

電子可以通過吸收或釋放能量從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能級(jí)躍遷至一個(gè)較高的能級(jí)。同樣地，一個(gè)位于高能級(jí)的電子也會(huì)通過發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能級(jí)。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級(jí)的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

3、自發(fā)輻射

指高能級(jí)的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級(jí)，并在躍遷時(shí)產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-E1，即兩個(gè)能級(jí)之間的能量差。這種輻射的特點(diǎn)是每一個(gè)電子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關(guān)系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。

4、受激吸收

受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過吸收光子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等的發(fā)光）都是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電子吸收外來能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過程是一個(gè)“受激吸收”過程。

5、受激輻射

受激輻射是指處于高能級(jí)的電子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級(jí)，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個(gè)光子變?yōu)閮蓚€(gè)相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。

光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相位，此波長對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子。

6、受激吸收和受激輻射之間的關(guān)系

那么到底原子吸收外來的光子后，是表現(xiàn)為受激吸收呢還是受激輻射呢？

在一個(gè)原子體系中，總有些原子處于高能級(jí)，有些處于低能級(jí)。而自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子既可以去刺激高能級(jí)的原子使它產(chǎn)生受激輻射，也可能被低能級(jí)的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時(shí)存在的。

如果想獲得越來越強(qiáng)的光，也就是說產(chǎn)生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？我們知道，光子對(duì)于高低能級(jí)的原子是一視同仁的。在光子作用下，高能級(jí)原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會(huì)和低能級(jí)的原子產(chǎn)生受激吸收的機(jī)會(huì)是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級(jí)的原子數(shù)量之比。

若位于高能態(tài)的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能態(tài)的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻爾茲曼分布規(guī)律。因此，位于高能級(jí)的原子數(shù)總是少于低能級(jí)的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。

7、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。

因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。那么如何才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)(也稱為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使某兩個(gè)能級(jí)間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級(jí)的系統(tǒng)來做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級(jí)系統(tǒng)。

8、波爾茲曼分布規(guī)律

在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度N2，遠(yuǎn)比處于低能級(jí)的原子數(shù)密度低，這是因?yàn)樘幱谀芗?jí)E的原子數(shù)密度N的大小時(shí)隨能級(jí)E的增加而指數(shù)減小，即N∝exp(-E/kT)，這就是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。

于是在上、下兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)密度比為：N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k為波耳茲曼常量，T為絕對(duì)溫度。因?yàn)镋2>E1，所以N2《N1。例如，已知?dú)湓踊鶓B(tài)能量為E1＝－，第一激發(fā)態(tài)能量為E2=，在20℃時(shí)，kT≈，則N2/N1∝exp（－400）≈0

可見，在20℃時(shí)，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須外界提供能量使原子到達(dá)激發(fā)態(tài)，所以普通廣義的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)輻射兩個(gè)過程。一般說來，這種光源所輻射光的能量是不強(qiáng)的，加上向四面八方發(fā)射，更使能量分散了。激光產(chǎn)生過程二、激光產(chǎn)生過程

以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(tài)（E3）。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約為10－7秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱為亞穩(wěn)態(tài)（E2）的中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長，大約是10－3秒或更長的時(shí)間。原子長時(shí)間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此時(shí)的狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級(jí)系統(tǒng)。

當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從E1到E3，由于E3能級(jí)壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級(jí)E1為基態(tài)，通?？偸欠e聚著大量的粒子，因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵(lì)就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。

而我們所用的YAG激光系統(tǒng)屬于四能級(jí)系統(tǒng)。如所示，能級(jí)E1為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā)態(tài)。在外界激勵(lì)的條件下，基態(tài)E1上的粒子大量被激發(fā)到E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到E3上，E3能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。而E2能級(jí)壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態(tài)E1，所以，四能級(jí)系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在E3與E2間實(shí)現(xiàn)。

也就是說，能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光下能級(jí)是E2，不像三能級(jí)系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。因?yàn)镋2不是基態(tài)，所以在室溫下，E2能級(jí)上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡(jiǎn)Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級(jí)而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個(gè)能級(jí)或四個(gè)能級(jí)。三、激光器的結(jié)構(gòu)

激光三要素:工作介質(zhì)、激勵(lì)源

1、激光工作介質(zhì)

激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。

2、激勵(lì)源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(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)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。

3、諧振腔

有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。還需要將輻射的光進(jìn)行放大，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達(dá)到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達(dá)到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，直到能量達(dá)到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。

激光器的種類：

對(duì)激光器有不同的分類方法，一般按工作介質(zhì)的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。

1、固體激光器

一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)是在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價(jià)釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W。

2、氣體激光器

氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場(chǎng)達(dá)60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。

3、半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。

4、液體激光器

常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點(diǎn)，使它也得到廣泛應(yīng)用。四、各類激光詳解

按激光光的收激物質(zhì)分類，主要的分類方式來分:

1、絕緣固體激光(Solidstatelaser)

2、液體激光

3、氣體激光(Gaseouslaser)

4、化學(xué)激光(Chemicallaser)

5、半導(dǎo)體激光(Semiconductorlaser)

6、色中心(Color-center)激光

7、自由電子(Freeelectron)激光

8、倍頻(Frequencydouble)激光

1、絕緣固體激光(Solidstatelaser)

這種激光的激光介質(zhì)是摻有雜質(zhì)的絕緣質(zhì)固體，包括晶體激光、玻璃激光與光纖激光。晶體、玻璃與光纖是寄主材料(hostmaterial)，其中取代某些寄主離子的「雜質(zhì)(Impurity)」離子是激光的主動(dòng)介質(zhì)。例如紅寶石的寄主是三氧化二鋁晶體(Sapphire；常譯為「藍(lán)寶石」)，主動(dòng)介質(zhì)是鉻【鉻讀作「各」】離子(Cr3+)。下文中，將用「Cr3+：Al2O3」這樣的記號(hào)表示主動(dòng)介質(zhì)與寄主，以及「鉻―氧化鋁激光」形式的記號(hào)表示激光名稱。

一種主動(dòng)介質(zhì)，可以摻入于幾種晶體、玻璃與光纖中。由于各寄主中的電子分布及對(duì)稱性有差別，所以同一種離子在其中的能階結(jié)構(gòu)及能階差有差異，產(chǎn)生的激光光波長可能相近，但不會(huì)完全相同。例如，釹【釹讀作「女」】離子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波長。以不同材料為寄主的其他差異，在于增益、散熱性、可用之晶體長度等。這些因素會(huì)影響激光能達(dá)到的功率，因而影響商品規(guī)格及價(jià)格。

a、紅寶石(Rubylaser)激光

紅寶石激光可產(chǎn)生nm及nm的激光光，但后者的增益較低，一般都取其nm的輸出。

b、釹離子(Nd3+)的激光

釹離子的激光中，釹-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音譯，它代表釔鋁石榴石(Yttriumaluminumgarnet；Y3Al5O12)。主動(dòng)介質(zhì)是YAG晶體中，取代約１%釔離子(Y3+)的釹離子。（釹離子的相關(guān)激光之波長）

c、鈦-藍(lán)寶石(Titanium-sapphire)激光及其他可變頻固體激光

鈦-藍(lán)寶石激光的主動(dòng)介質(zhì)，是摻入Al2O3晶體中的Ti3+離子，它取代鋁離子。它有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)輸出激光光頻率可在660至1,180nm之間調(diào)變；(2)它可以產(chǎn)生短于100fs的超短脈波。（可調(diào)波長的固體激光）

d、其他固體激光

其他固體激光

2、液體激光

液體激光是以溶于溶劑的染料作為主動(dòng)介質(zhì)，通常稱為染料激光(Dyelaser)。染料分子具有含多個(gè)苯環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它們的能階中，對(duì)應(yīng)于每個(gè)電子能階，有許多間隔細(xì)密的振動(dòng)能階，成帶狀分布，所以一個(gè)范圍內(nèi)的頻率，都能發(fā)生躍遷，而產(chǎn)生激光光。

另一方面，染料的能階結(jié)構(gòu)也使它能吸收頻率范圍相當(dāng)廣的激發(fā)光，這些頻率大多在紫外線和可見光波段。用不同的激發(fā)波長照射一種染料，產(chǎn)生的激光光波長也會(huì)不同。（薔薇紅6G激光光波長數(shù)據(jù)）

一部可調(diào)變激光光波長的裝置，可以產(chǎn)生多種需要的激光光，所以用途相當(dāng)廣。但是固體激光在體積、耗電量、電壓需求、冷卻需求、安全性、穩(wěn)定性方面的優(yōu)點(diǎn)，比染料激光高出許多。這些優(yōu)點(diǎn)使固體激光在小型化及可移植性(Portability)方面占盡優(yōu)勢(shì)。由于固體可變頻激光的適用波長范圍仍多屬紅外線區(qū)，雖然可以藉放大器及非線性變頻裝置，產(chǎn)生波長較短的高質(zhì)量光束，有許多波長范圍仍未可及，所以染料激光在目前仍有存在及利用的空間。

3、氣體激光(Gaseouslaser)

以氣體為主動(dòng)介質(zhì)的激光中，包括中性原子激光、離子氣體激光、金屬蒸汽激光、分子氣體激光、準(zhǔn)分子激光。分別介紹如下：

(1)、稀有氣體元素的中性原子激光與離子氣體激光

a、中性原子激光

中性原子激光與離子氣體激光的差別，在于前者的激光光來自中性原子能階(如圖二所示氦原子與氖原子能階)之間的躍遷，后者是離子的能階(如Ar+,Kr+)間之躍遷。因此，氬激光(Argonlaser)與氬離子激光(Argonionlaser)并不相同，前者的激光光波長屬于紅外線波段，后者則在可見光和紫外線區(qū)。但是，一方面氬激光很少見，另一方面為了便于稱呼，人們常將氬離子激光簡(jiǎn)稱為氬激光。不但中文敘述如此，英文文獻(xiàn)亦見此用法，所以在不致混淆的時(shí)候，仍可用氬激光稱呼氬離子激光。

中性原子激光中，最常見的是氦氖激光。它的紅光尤其為大家所熟悉。它的光色顯著，所以常用作非可見光激光中的指引光束(Guidingbeam)。其優(yōu)越的同調(diào)性及方便的操作條件(只須氣冷、110V的電壓、價(jià)格相對(duì)地低廉)，使它廣用于掃描讀碼裝置及全像等。

b、離子激光

稀有氣體離子激光中，以氬離子激光及氪離子激光為最常見。除了直接利用之外，氬離子激光常以其紫外線及藍(lán)綠光激發(fā)染料激光。20W機(jī)型可產(chǎn)生至nm的一些激光光。主要的可見光波長分別是、、、、、、、、nm。藍(lán)綠光波段中，最強(qiáng)而最常用的是及488nm。

氪離子激光可產(chǎn)生至nm，最強(qiáng)的是nm，其次為及nm。商品中，有將氬氣與氪氣混合的機(jī)型。

(2)、金屬蒸汽的中性原子激光與離子激光

a、中性原子激光

Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金屬的蒸汽，都是中性原子激光的主動(dòng)介質(zhì)。它們的蒸汽中，?；烊氲蛪毫Φ亩栊詺怏w，以提高放電效率。銅蒸汽激光商品可產(chǎn)生100W以上的綠光(511nm)及黃光(578nm)，金蒸汽激光則可得數(shù)十瓦的紅光(628nm)。

這兩種激光有很多用途，例如血紫質(zhì)衍生物(Hemoporphyrinderivative)吸收光譜的峰值約為628nm，而癌細(xì)胞能吸收此物質(zhì)。此物質(zhì)受到628nm的激光光照射后會(huì)分解，產(chǎn)生可殺死癌細(xì)胞的物質(zhì)。不過，銅蒸汽激光激發(fā)染料激光，也可得到這種光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578nm的激光可以除去某些胎記，效果優(yōu)于用氬離子激光。

b、離子激光

金屬蒸汽離子激光中，氦鎘(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦鋅(He-Zn)等激光為此家族中之成員。氦鎘激光的325nm紫外線，和nm藍(lán)光，是最常見的輸出。加上特殊設(shè)計(jì)時(shí)，它可同時(shí)產(chǎn)生紅光及nm)和綠光及nm)。它的短波長成分，在信息處理方面很有用。適當(dāng)調(diào)配各波長的輸出，幾乎可以產(chǎn)生所有可見光的顏色，因而它的白光激光產(chǎn)品也是有名的。儲(chǔ)存密度及鑒別能力的提高，使它在量度、檢驗(yàn)、記錄、印刷等方面有許多應(yīng)用。

(3)、分子氣體

二氧化碳激光和氮?dú)饧す馐亲畛Ｒ姷姆肿託怏w激光，其主要激光光分屬紅外線(10,640nm)及紫外線(337nm)。生物組織中的水分會(huì)吸收它的10,640nm激光光，所以能用于手術(shù)，所需激光光功率約為50W。此外，非金屬材料的加工、金屬表面的熱處理、光譜學(xué)及光化學(xué)研究、環(huán)境遙測(cè)、測(cè)距、激發(fā)其他激光、產(chǎn)生離子體(俗稱電漿；Plasma)等，也都可用二氧化碳激光來進(jìn)行。

氮?dú)饧す獾淖贤饩€激光光，適合激發(fā)染料激光，及使多種物質(zhì)產(chǎn)生熒光，而可用于檢驗(yàn)及研究工作。其缺點(diǎn)在于效率及功率均低，每個(gè)脈波的能量大約只有10mJ，平均功率約為數(shù)百mW。

(4)、準(zhǔn)分子(Excimer)激光

準(zhǔn)分子一詞的原意，是「兩個(gè)同種原子組成，而只存在于受激態(tài)的分子」，如稀有氣體分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名為ExcitedDimer組合成的術(shù)語?，F(xiàn)在已經(jīng)將它的適用范圍放寬，以包括「不存在于基態(tài)，只以受激態(tài)呈現(xiàn)的任何雙原子分子(有時(shí)還包括三原子分子)」。重要的準(zhǔn)分子激光，以稀有氣體的鹵化物為主動(dòng)介質(zhì)，如ArF,KrF,XeF,KrCl,XeCl等。因?yàn)槭芗B(tài)常以星號(hào)(*)上標(biāo)表示，所以有些數(shù)據(jù)上寫成ArF*等。

準(zhǔn)分子不會(huì)自然出現(xiàn)，而是在氣體混合物中放電時(shí)形成的。此外，用電子束撞擊，或在導(dǎo)波管型裝置中以微波激發(fā)，也都可以造成準(zhǔn)分子。它的激光光來自準(zhǔn)分子解離成原子的電子躍遷，所以其激光光屬紫外線，應(yīng)用于精細(xì)蝕刻(如電路制程)、化學(xué)蒸著(Chemicalvapordeposition)、化學(xué)反應(yīng)研究及醫(yī)療上的用途較多。這些應(yīng)用中，有的是以準(zhǔn)分子激光激發(fā)可變頻激光之后進(jìn)行的。

商品以ArF,KrF,XeCl,XeF等準(zhǔn)分子居多，激光光頻率分別是193、249、308、350nm。

4、化學(xué)激光(Chemicallaser)

由化學(xué)反應(yīng)造成居量反轉(zhuǎn)的激光，稱為化學(xué)激光。

在化學(xué)、軍事、材料研究與生物醫(yī)學(xué)方面，都有化學(xué)激光發(fā)揮所長之處。例如氟化氫激光的光束可能是骨科手術(shù)所需要的。氟化氫激光中的反應(yīng)可表示為2F2+H2→2HF*+F2，其實(shí)它的細(xì)部反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：F+H2→HF*+H，F(xiàn)2+H→HF*+F，而且可用放電使反應(yīng)啟動(dòng)。另外的例子是C2N2+O2→2CO+N2+127kcal。DF,HCl,HBr等亦有類似作用。

化學(xué)激光的波長

5、半導(dǎo)體激光(Semiconductorlaser)

半導(dǎo)體激光是用半導(dǎo)體制成的，其構(gòu)造及電性質(zhì)為二極管(Diode)，也就是具有兩個(gè)外接電路端點(diǎn)，分別位于其中的p型與n型部分，其間有個(gè)接面(Junction)。因此，半導(dǎo)體激光又名半導(dǎo)體二極管激光(Semiconductordiodelaser)或二極管激光(Diodelaser)。

電流較低時(shí)，它成為發(fā)光二極管(Lightemittingdiode；LED)，發(fā)出自發(fā)射的光；電流夠大的時(shí)候，才能造成自由電子的居量反轉(zhuǎn)。另一方面，制程中適當(dāng)?shù)牟襟E使二極管兩端具有相當(dāng)高的反射率，就具備激光所需要的條件。

半導(dǎo)體激光技術(shù)的研發(fā)，使半導(dǎo)體激光成為效率很高的激光，但散熱仍是重要問題。此外，端射型及面射型激光數(shù)組的研發(fā)，使系統(tǒng)產(chǎn)生的光束在能量及控制方面提升許多。隨著半導(dǎo)體種類的擴(kuò)增，半導(dǎo)體激光能產(chǎn)生的波長，也不斷增加。下表列出幾種室溫下操作的半導(dǎo)體激光的波長數(shù)據(jù)。

半導(dǎo)體激光的例子：

半導(dǎo)體激光的介質(zhì)體積小(典型尺寸約為10μm×300μm×500μm)、效率高、功率高、操作電流及電壓低，消耗能量少，所以為人們所樂于使用。用許多個(gè)半導(dǎo)體激光激發(fā)其他的固體激光，是一種很有價(jià)值的應(yīng)用。

6、色中心(Color-center)激光

堿金屬的鹵化物晶體中有某些雜質(zhì)時(shí)，受到適當(dāng)輻射照射后會(huì)顯現(xiàn)顏色。鹵化物的例子有KCl、RbCl、LiF、KF等，雜質(zhì)則有Li、Na等。這些雜質(zhì)稱為「色中心」。

7、自由電子(Freeelectron)激光

自由電子激光(FEL)以極高真空中的高速自由電子為主動(dòng)介質(zhì)。其波長可以調(diào)變，由微波到軟X射線都可能。因此是一部裝置可執(zhí)行多種功能?，F(xiàn)在的研究方向之一，是開發(fā)桌上型的機(jī)種，以便擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，并降低價(jià)格。

8、倍頻(Frequencydouble)激光

倍頻激光實(shí)際上是加上倍頻晶體的激光，但是有些數(shù)據(jù)上用造成倍頻效應(yīng)的晶體稱呼它們，例如KDP(Potassiumdihydrogenphosphate)激光及KTP(Potassiumtitanylphosphate)激光。因此，本文列出這一項(xiàng)，以引起讀者注意KDP及KTP并非激光的主動(dòng)介質(zhì)，并略為介紹此類晶體。倍頻是非線性光學(xué)晶體(Nonlinearopticalcrystal)的功能之一。選用晶體時(shí)，產(chǎn)生倍頻波的適用波段及轉(zhuǎn)換效率(Conversionefficiency)是重要指標(biāo)。其他要注意的項(xiàng)目包括是否會(huì)潮解、會(huì)造成損壞的光強(qiáng)度、晶體切割方向及鍍膜狀況等。

KDP是磷酸二氫鉀(KH2PO4)，為最早使用的倍頻晶體，某些條件下的轉(zhuǎn)換效率很高，但是會(huì)潮解，須注意防范。KTP是磷酸鉀鈦氧(KTiOPO4)，性能與