激光

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激光（laser）是英文“受激辐射产生的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写，指透过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的具有同调性的增强光子束。其特点包括发散度极小、亮度（功率）很高、单色性好、相干性好等。产生激光需要“激发来源”、“增益介质”、“共振结构”这三个要素。

## 历史

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阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此之后人们很长时间都在猜测，这个现象可否被用来加强光场，因为前提是介质必须存在着群数反转（或译居量反转/粒子数反转）的状态。在一个纯粹的二级系统中，基于热力学的分配函数，这是不可能达到的。故人们首先想到用三级系统，而且计算证实了辐射的稳定性。

1958年，美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光—激光。他们为此发表了重要论文，并分别获得1964年和1981年的诺贝尔物理学奖。

肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。

1960年5月16日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。他的方案是，利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上是一种掺有铬原子的刚玉，当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，这孔使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，这称为红宝石激光。当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。

半导体激光器的发现：前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

在1980年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。

在1990年代，高功率的激光激发原理得到实现，比如片状激光和光纤激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中，从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG激光。

现在，激光器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。

### 中文名称来源

1960年7月7日，美国科学家梅曼发明了第一台激光器，1961年，中国大陆第一台激光器在中国科学院长春光机所由王之江等人研制成功。但当时中国并没有“激光”一词，中国科学界对它的英文翻译多种多样，例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”，这些名字显然太长，不利于称呼。还有一些音译，如“莱塞”或者“激光”。

命名的混乱给科学界和教育界带来极大的不便。1964年冬天，中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开，研究并通过对专有名词的统一翻译和命名。会议召开前，《光受激发射情报》杂志编辑部给著名物理学家钱学森写了一封信，请他给laser取一个中文名字。不久，钱学森回信建议命名为“激光”。这一名字表现出光的本质、又描述了这类光和传统光的不同，即“激”体现了受激发生、激发态等意义。这一名称在会上受到了与会者的一致赞同，因此中国大陆对laser有了统一的汉语名称。

在港澳地区“激光”和“激光”两词都通用。台湾官方、民间只使用“激光”这一名称。新加坡有时也音译为“镭射”，但激光的性质实际上和镭这种放射性重金属的裂变射线毫无关系。

## 原理

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- 辐射

电子的运动状态可以分为不同的能级，电子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的电磁波（所谓自发辐射）。一般的发光体中，这些电子释放光子的动作是随机的，所释放出的光子也没有相同的特性，例如钨丝灯发出的光。

当外加能量以电场、光子、化学等方式注入到一个能级系统并为之吸收的话，会导致电子从低能级向高能级跃迁，当自发辐射产生的光子碰到这些因外加能量而跃上高能级的电子时，这些高能级的电子会因受诱导而迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射），受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射包括：频率、相位、前进方向等会是一样的，这些受激辐射的光子碰到其他因外加能量而跃上高能级的电子时，又会再产更多同样的光子，最后光的强度越来越大（即光线能量被放大了），而与一般的光不同的是所有的光子都有相同的频率、相位(同调性)、前进方向。

要做到光放大，就要产生一个高能级电子比低能量级电子数目多的环境，即居量反转，这样才有机会让高能级电子碰上光子来释放新的光子，而不是随机释放。

一般激光产生器有三个基本要素：

“激发来源”（pumping source）：又称“泵浦源”，把能量供给低能级的电子，激发使其成为高能级电子，能量供给的方式有电荷放电、光子、化学作用等。

“增益介质”（gain medium）：被激发、释放光子的电子所在的物质，其物理特性会影响所产生激光的波长等特性。

“共振腔”（optical cavity/optical resonator）：是两面互相平行的镜子，一面全反射，一面半反射。作用是把光线在反射镜间来回反射，目的是使被激发的光多次经过增益介质以得到足够的放大，当放大到可以穿透半反射镜时，激光便从半反射镜发射出去。因此，此半反镜也被称为输出耦合镜（output coupler）。两镜面之间的距离也对输出的激光波长有着选择作用，只有在两镜间的距离能产生共振的波长才能产生激光。

- 居量反转（population inversion）

在一个二级系统中，一个电子自低能级向高能级跃迁和自高能级向低能级跃迁的概率是一样的。为了达到光放大的作用，在高能级必须有更多的电子，使得受激辐射发生的概率更高。这个状态称为居量反转。出于这个原因，所以以光子激发的二级系统是无法实现激光的，所以激光一般是以通过三级系统和四级系统得到实现。在三级系统中，电子受激跃迁到高能级后，便很快转为亚稳态。由此激光媒介被激发为高能态，居量反转得到实现。

## 激光器

激光器是利用受激辐射原理发射激光的器件，不同结构的激光器的工作原理不尽相同。

通过光、电或其他办法对物质进行激发，使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用，也就是这种波长的光辐射通过物质时，发射强度会放大，并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射，这种称为激光放大器。

若把激发的物质放置于共振腔内，光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质，光辐射被放大许多倍，形成一束强度大、方向集中的激光，这就是激光振荡器。

半导体泵浦固体激光（DPSS）具有效率高、结构紧凑、光束质量好、性能稳定、寿命长等优点，日益引起人们的广泛重视。尤其是单频运转，在光谱学、相干通讯、激光雷达、引力波深测、光学数据存储等领域有广泛的应用。

激光器的分类有很多方式，例如按照工作状态、工作物质的种类、输出波长的波段、输出激光波长是否可以调节、激光器的用途等特点分类。

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### 按工作状态分

- 连续激光器(Continuous Wave Laser,CW Laser)
- 脉冲激光器(Pulse Laser)
- 调Q(Q-Switch), 又称Q开关，通过改变谐振腔的Q值，把储存在激活媒质中的能量瞬时释放出来，以获得一定脉冲宽度的激光强辐射的方法, 又可分为主动式及被动式两种。Q代表品质因数(Q factor)，用来表示谐振腔的质量，其定义为(2π/周期)*（谐振腔内储存的能量/每秒损失的能量）, 此作法输出的脉宽可以达到纳秒级别。
- 电光调Q
- 声光调Q
- 染料调Q
- 锁模技术（输出脉宽可以达到飞秒级别）
- 脉冲泵浦（泵浦源本身是脉冲）

### 按工作物质分

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根据产生激光的媒质，可以把激光器分为液体激光器、气体激光器和固体激光器等。而现在最常见的半导体激光器算是固体激光器的一种。

#### 气体激光器

介质是气体的激光器，此种激光器通过放电得到激发。

- 氦氖激光器：最重要的红光放射源（632.8 nm）。一般功率比较低（0.5~50 mW）。
- 二氧化碳激光器：波长约10.6 μm（红外线），重要的工业激光。
- 一氧化碳激光器：波长约6-8 μm（红外线），只在冷却的条件下工作。
- 氮气激光器：337.1 nm（紫外线）。
- 氩离子激光器：具有多个波长，457.9 nm（8%）、476.5 nm（12%）、488.0 nm（20%）、496.5 nm（12%）、501.7 nm（5%）、514.5 nm（43%，由蓝光到绿光）。功率从15mW到50W。激光表演中最常用的。
- 氦镉激光器：最重要的蓝光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。
- 氪离子激光器：具有多个波长，350.7nm、356.4nm、476.2nm、482.5nm、520.6nm、530.9nm、586.2nm、647.1nm（最强）、676.4nm、752.5nm、799.3nm（从蓝光到深红光）。功率可到6W，能耗较大，价格较高。
- 氧离子激光器
- 氙离子激光器
- 混合气体激光器：不含纯气体，而是几种气体的混合物（一般为氩、氪等）。
- 准分子激光器：比如KrF（248 nm）、XeF（351-353 nm）、ArF（193 nm）、XeCl（308 nm）、F2（157 nm，均为紫外线)。
- 金属蒸汽激光器：比如铜蒸汽激光器，波长介于510.6-578.2 nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。
- 金属卤化物激光器：比如溴化铜激光器，波长介于510.6-578.2 nm之间。由于很好的加强性，可以不用谐振镜。

化学激发激光器是一种特殊的形式。激发通过媒介中的化学反应来进行。媒介是一次性的，使用后就被消耗掉了。对于高功率的条件及军事领域是非常理想的。

- 盐酸激光器
- 碘激光器

#### 固体激光器

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介质是固体的激光器，此种工作物质通过灯、半导体激光器阵列、其他激光器光照泵浦得到激发。热透镜效应是大多数固体激光器的一项缺陷。

- 红宝石激光器：世界上第一台激光器，1960年7月7日，美国青年科学家梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，这台激光器就是红宝石激光器。
- 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器：最常用的固体激光器，工作波长一般为1064 nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。常透过KTP, BBO, LBO 等非线性晶体转换为 532 nm, 355 nm, 266 nm 波长光源。
- 掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）激光器：低功率应用最广泛的固体激光器，工作波长一般为1064nm，可以通过KTP,LBO非线性晶体倍频后产生532nm的激光进行波长的转换。
- 掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）激光器：适用于高功率输出，这种材料的碟片激光器在激光工业加工领域有很强优势。
- 钛蓝宝石激光器：具有较宽的波长调节范围（670nm～1200nm）
- 光纤激光器：用掺有稀土元素的玻璃(SiO2)光纤作为增益介质。

#### 半导体激光器

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半导体激光器是电驱动的二极管。施加电流产生的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用的光增益。在晶体的解理面端点处的反射形成光学谐振腔，通常是利用两种不同的材料来形成共振腔，尽管有些设计是把共振腔放在半导体晶体的外面。

商业激光二极管的发射波长是从375nm到3500nm。低到中等功率激光二极管被应用于激光打印机、CD/DVD播放机和激光指示器。应用于工业切割焊接，工业激光二极管的最高功率已经达到了10 kW (70dBm)。

#### 染料激光器

染料激光器使用有机染料作为增益介质。

#### 自由电子激光器

自由电子激光器（Free electron lasers），或FEL，是以自由电子为工作物质，将高能电子束的能量转换成激光的装置，具有短波长、大功率、高效率和波长可调节的特性，波长从微波，到太赫兹辐射和红外线，到可见光谱，到软X-射线。

#### Bio laser

活细胞可以基因改造工程产生绿色萤光蛋白（GFP）。绿色萤光蛋白（GFP）被用作激光的“增益介质”，光放大就发生在GFP。

## 构成

激光器大多由激发系统、激光介质和光学谐振腔三部分组成。激发系统就是产生光能、电能或化学能的装置，如激光电源。目前使用的激发手段，主要有光照、通电或化学反应等。激光介质是能够产生激光的物质，如红宝石、钕玻璃、氖气、半导体、有机染料等。光学谐振腔的作用，是用来放大加强输出激光的亮度(强度)，调节和选定激光的波长和方向等。

## 应用

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激光应用很广泛，主要有光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光唱片、激光扫描、激光灭蚊器等。

第一次在大众日常生活中使用激光是超市条码扫描仪，于1974年推出。光盘在1978年推出，是包括激光的第一个成功的消费产品，但光盘播放器是第一个装备有激光器的常见设备。紧接着，在1982年开始出现激光打印机。

一些其他用途有：

- 医学：无血手术、激光治疗、手术治疗、肾结石治疗、激光矫视、牙科
- 工业：切割、焊接、材料热处理、打标记、非接触性测量
- 军事：目标标记、弹药制导、导弹防御、激光武器
- 司法：指纹鉴定、超速取缔
- 科研：光谱学
- 生产/商业应用：激光打印机、光盘、条码扫描仪、激光指示器
- 激光灯光显示：激光灯光秀
- 美容手术皮肤治疗：激光美容
- 建筑：激光水平仪、激光测距仪

2004年，不包括二极管激光器，约有131,000个激光器被售出，价值为21.9亿美元。同年，共售出约7.33亿二极管激光器，价值为32亿美元。

## 安全性

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即使是第1级的激光也被认为有潜在性的危险。西奥多·梅曼创造的第一个激光器只有“吉列”的功率，它只能灼热吉列刮胡刀的刀片。但是，几毫瓦的低功率照射，都足以危害到人眼的视力。如果该激光的波长在眼角膜和透镜可以良好聚焦在视网膜的范围内，就意味着这种相干性低的发散的激光会被眼睛聚焦在视网膜上极小的区域，只要几秒钟或更短的时间，就会造成视网膜局部的烧灼和永久性的伤害，有机会引致视网膜穿洞（网膜出现裂孔）及严重情况出现视网膜脱落。

激光器通常都会标示有着安全等级编号的激光警示标签：

- 第1级（Class I/1）：在装置内是安全的。通常是因为光束被完全的封闭在内，例如在CD播放器内。
- 第2级（Class II/2）：在正常使用状况下是安全的，眼睛的眨眼反射可以避免受到伤害。这类设备通常功率低于1mW，例如激光指示器。
- 第3 a/R级（Class IIIa/3R）：功率通常会达到5mW，并且在眨眼反射的时间内会有对眼睛造成伤害的小风险。注视这种光束几秒钟会对视网膜造成立即的伤害。
- 第3b/B级（Class IIIb/3B）：在暴露下会对眼睛造成立即的损伤。
- 第4级（Class IV/4）：激光会烧灼皮肤，在某些情况下，即使散射的激光也会对眼睛和皮肤造成伤害。许多工业和科学用的激光都属于这一级。

这种标示的功率是针对可见光和连续波长的激光，对脉冲激光和不可见光激光还有其它适用的限制。对使用第3B级和第4级激光工作的人，还需要可以吸收特定波长光的护目镜保护他们眼睛的安全。

某些波长超过1.4 μm的红外线激光通常被归类为对“眼睛安全”的。这是因为水分子的内在分子震动对这一波段附近的频谱有着强烈的吸收，因此这些波长的激光在通过眼角膜时会被稀释，完全没有办法残留的光线会被透镜聚焦到达视网膜。但是"眼睛安全"的标签可能会造成误导，因为它只适用于低功率的连续光束，任何高功率或有Q开关的激光，在这种波长一样可以烧灼眼角膜，造成眼睛严重的损伤。

## 外部链接

- 《物理园》：激光是什么？