激光器
什么是激光器？
“Laser”（激光）一词是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（通过受激辐射产生的光放大）的首字母缩写。所有激光器都通过受激辐射过程将输入能量转换成光。
激光器有各种尺寸，从小型半导体设备到充满整个建筑的巨大系统不等。它们还利用从自由电子到固体的多种增益材料。但所有这些不同的激光器都遵循相同的基本原理。
“受激辐射”现象是激光操作的核心。为了创造产生和维持受激辐射的条件，激光器结合了三个关键功能元件。它们是：
- 增益介质：一项支持粒子数反转的功能
- 泵浦源：提供能量以产生粒子数反转
- 谐振腔：提供一种支持放大的反馈机制，并且还决定激光束的空间和光谱特性
然而，这三种元件的形式和实现方式在不同类型的激光器之间存在很大差异。具体来说，这些差异包括使用不同类型的激光材料（支持受激辐射的增益介质）、如何向该材料提供能量、激光腔的形式以及输出特性。
让我们看看这些元件的基本原理，以及它们在各种类型的激光器中所采取的一些形式。
供图：LaserAnimation Sollinger GmbH
激光增益介质
要了解什么是激光增益材料，首先必须了解受激辐射的过程。量子力学告诉我们，原子和分子只能存在于某些特定的、离散的能级上。最低能级称为基态，而较高的能级称为激发态。
通常，材料的温度决定其原子或分子在可能的能级中的分布方式。在典型的热平衡状态下，大多数原子或分子都处于较低能态，而处于激发态的原子或分子会逐渐减少。
在某些材料中，可以提供能量（这个过程称为“泵浦”）来产生粒子数反转。这意味着超过 50% 的原子或分子会处于激发态 – 与正常的热平衡状态相反。
粒子数反转为受激辐射过程创造了有利条件。当一个原子或分子发射光子并从较高能态降至较低能态时，就会发生该过程。这称为自发发射。
第一个光子经过另一个原子或分子附近并刺激它发射第二个光子。第二个光子与激发光子具有相同的能量、方向、相位和偏振。然后，这两个光子会引起另外两个光子的受激辐射 – 所以现在有四个光子。这个过程迅速级联以产生大量相同的光子。这种光子级联（称为放大或增益）是激光作用的基础。它可以将泵浦能量转换为相干激光。
然而，并非所有材料都能支持粒子数反转和受激辐射。能否做到这一点取决于几个因素，包括原子或分子中允许的能级、这些能级之间的跃迁概率、激发态的寿命（原子或分子倾向于保持激发态的时间长短），以及其他若干因素。
能够支持增益的材料几乎具有各种形式 – 固体、液体和气体。按照惯例，这些材料通常分为几类，如表中所示。
激光泵浦
必须从外部源向增益介质提供能量才能产生粒子数反转。（此过程导致受激辐射，进而产生激光输出）。该方法取决于增益介质。最常见的是，以电或光的形式提供能量。一种不太常见的方法是通过放热化学反应释放能量。
所有各种固态晶体和光纤增益介质都是电绝缘体；换句话说，它们不能传导电流。因此，这些激光材料必须进行光学泵浦。也就是说，外部光源聚焦到增益介质中，激光材料的原子或分子吸收该光。结果是：原子或分子达到必要的激发态。
早期的固态激光器使用闪光灯作为泵浦源，并且这些激光器目前仍在某些应用领域使用。它们的主要优点是成本低，能够提供高激光脉冲能量。
但闪光灯会产生广谱光。激光增益材料只能利用这种光的非常窄的光谱，即，对应于基态和最高激发态之间的能量差的波长。事实上，大部分闪光灯泵浦能量都被浪费了，这使得这些激光器的电效率低下，这意味着它们会产生大量废热。因此，需要相当大的冷却系统来消除这些热量。
现在更常使用的是泵浦固态和光纤激光器，以及另一种激光器（通常是二极管或固态激光器）。泵浦激光器的波长经过专门选择，以满足增益介质的吸收条件。这会产生更高的整体泵送效率并降低冷却要求。
使用激光作为泵浦源还有另外一个优点。大多数激光器均产生容易聚焦的光束。这使得泵浦光可以集中在增益介质中能够充分发挥其作用的地方。即，所谓的“模体积”内。这是增益介质内实际上被激光束占据的区域。进入激光介质其他部分的泵浦光则被浪费了。高效填充模体积可以最大限度提高激光效率，并提高输出光束的质量。
使用光纤耦合半导体激光器作为泵浦源的光纤激光器就是能够很好阐释这一原理的一个例子。可以轻松地配置这些激光器，以便根据需要将泵浦光主要引导到增益光纤的纤芯或包层中，从而形成高效的激光系统。
电泵浦可与半导体（二极管）激光器结合使用，因为它们是专门用于导电的设备。特别是，它们由正向偏置的半导体 p-n 结组成。施加的电压提供能量以促进足够的电子从半导体的价带进入其导带以产生粒子数反转。当电子和空穴（价带中没有电子）重新结合时会发射光子，并且粒子数反转能够发生受激辐射。
还可以对半导体激光器进行光泵浦。在这种情况下，另一个半导体激光器的输出会聚焦到二极管的有源区域。这提供了泵能量，而不是使用电流。光泵浦使半导体激光器更加复杂，但可以提供更广泛的激光输出波长选择、更高的输出功率和更好的效率（意味着产生的热量更少）。
气体激光器的电泵浦稍微复杂一些。气体激光器通常由激光管内包含的多种气体组成。高电压用于在激光管内产生电子放电。这些高能电子撞击气体分子并向其传递能量。
对于二氧化碳激光器，电子与氮分子碰撞并通过振动激发它们。这些氮分子随后与二氧化碳分子碰撞，将能量传递给二氧化碳分子以产生粒子数反转。
另一个例子是离子激光器。在离子激光器中，电子放电再次与激光管内的氩气或氪气发生碰撞。第一次碰撞使气体电离。然后，与离子的进一步碰撞提供能量，使它们处于激发态并产生粒子数反转。
谐振腔
通常，谐振腔（或谐振器）用于使光子在离开激光器之前多次穿过增益介质。这对于建立有效的激光输出水平是必要的，因为每次通过增益介质时的放大量相对较小。一个主要的例外是准分子激光器，它即使在少次通过时也能产生非常大的增益（放大）。
最简单类型的谐振腔由两个彼此面对面的镜子构成，激光增益介质放置在它们之间。后视镜的反射率尽可能接近 100%。前镜（称为输出耦合器）的反射率可能在 30% 到 99% 之间，具体取决于增益介质。
在操作中，光在这些镜子之间来回反射，每次穿过激光介质时强度都会得到增强。一些光通过输出耦合器离开谐振器。因此，激光谐振器内的光强度始终远远高于从设备发出的光的强度。
端镜通常具有曲率，以便在空间上限制光线（以防止光子在多次通过后“离开”谐振器）并定义光束的形状。
激光谐振器基础知识
激光谐振器的主要元件。泵浦源将能量提供给放置在两面镜子之间的增益介质。镜子提供反馈，使发射的光子多次穿过增益材料以进行放大。
使用两个平面镜的谐振器结构简单，但对未对准情况非常敏感，因为它会导致光子在少次通过后“离开”谐振器。然而，如果谐振器的物理尺寸很小，那么这不是问题。这种配置通常用于半导体激光器。
使一个或两个镜子凹陷，能够更好地将光束限制在谐振器内，并且还会使产生的激光具有形状良好的小光束。对于许多固态和气体激光器来说，这种谐振器设计上的变化比较常见。
在光纤激光器中，镜子通常是直接集成到光纤中的高反射光纤布拉格光栅 (FGB)。在这种情况下，光纤本身在空间上限制光束并定义其形状。在半导体激光器中，通过劈开半导体器件的端部并在上面涂上光学薄膜，就构成了这些镜子。
激光的独特特性
激光器已成为各种应用中不可或缺的工具。事实上，它们的工作原理和结构提供了一系列任何其他技术都无法复制的独特的光束特性。这里描述了一些最重要的特性。
特性 |
解释 |
应用 |
连贯性 |
受激辐射产生彼此同相的光子。这就是所谓的“相干性”。这一特性使激光能够产生清晰的干涉条纹图案。 |
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方向性 |
受激辐射机制与大多数激光谐振器的特性经常结合起来，能够产生不会在一定距离内快速传播的高度定向的光束。 |
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高强度 |
激光的强度非常高，因为所有激光功率可以轻松地集中（聚焦）到一个小点上。 |
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单色性 |
受激辐射产生的光子都具有相同的单一波长或非常窄的波长范围。 |
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第一台激光器于 1960 年进行了演示。虽然它引起了人们的一些兴趣和些许兴奋，但在最初的几年里，它基本上只能解决一些基础问题。但是，在以后的日子中，激光的实际应用被逐渐开发出来。如今，激光器很常见，并且应用范围极其广泛。
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