急:激光器輸出功率與波長及精度的關(guān)系

【專家解說】：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)射的激光波長已達(dá)數(shù)千種，最長的波長為微波波段的0.7毫米，最短波長為遠(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（見光學(xué)諧振腔）3部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(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)生的氣體放電過程來實(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)過程來實(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機(jī)化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機(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射線波段過渡到微波區(qū)域，因此具有很誘人的前景。

按激勵(lì)方式分類①光泵式激光器。指以光泵方式激勵(lì)的激光器，包括幾乎是全部的固體激光器和液體激光器，以及少數(shù)氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。②電激勵(lì)式激光器。大部分氣體激光器均是采用氣體放電（直流放電、交流放電、脈沖放電、電子束注入）方式進(jìn)行激勵(lì)，而一般常見的半導(dǎo)體激光器多是采用結(jié)電流注入方式進(jìn)行激勵(lì)，某些半導(dǎo)體激光器亦可采用高能電子束注入方式激勵(lì)。③化學(xué)激光器。這是專門指利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)的激光器，反希望產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)可分別采用光照引發(fā)、放電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)。④核泵浦激光器。指專門利用小型核裂變反應(yīng)所釋放出的能量來激勵(lì)工作物質(zhì)的一類特種激光器，如核泵浦氦氬激光器等。

按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式以及應(yīng)用目的的不同，其運(yùn)轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類型。①連續(xù)激光器，其工作特點(diǎn)是工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光輸出，可以在一段較長的時(shí)間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進(jìn)行，以連續(xù)光源激勵(lì)的固體激光器和以連續(xù)電激勵(lì)方式工作的氣體激光器及半導(dǎo)體激光器，均屬此類。由于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中往往不可避免地產(chǎn)生器件的過熱效應(yīng)，因此多數(shù)需采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。②單次脈沖激光器，對(duì)這類激光器而言，工作物質(zhì)的激勵(lì)和相應(yīng)的激光發(fā)射，從時(shí)間上來說均是一個(gè)單次脈沖過程，一般的固體激光器、液體激光器以及某些特殊的氣體激光器，均采用此方式運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)器件的熱效應(yīng)可以忽略，故可以不采取特殊的冷卻措施。③重復(fù)脈沖激光器，這類器件的特點(diǎn)是其輸出為一系列的重復(fù)激光脈沖，為此，器件可相應(yīng)以重復(fù)脈沖的方式激勵(lì)，或以連續(xù)方式進(jìn)行激勵(lì)但以一定方式調(diào)制激光振蕩過程,以獲得重復(fù)脈沖激光輸出,通常亦要求對(duì)器件采取有效的冷卻措施。④調(diào)激光器,這是專門指采用一定的開關(guān)技術(shù)以獲得較高輸出功率的脈沖激光器，其工作原理是在工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)形成后并不使其產(chǎn)生激光振蕩(開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài))，待粒子數(shù)積累到足夠高的程度后，突然瞬時(shí)打開開關(guān)，從而可在較短的時(shí)間內(nèi)（例如10～10秒）形成十分強(qiáng)的激光振蕩和高功率脈沖激光輸出（見技術(shù)'"class=link>激光調(diào)技術(shù)）。⑤鎖模激光器，這是一類采用鎖模技術(shù)的特殊類型激光器，其工作特點(diǎn)是由共振腔內(nèi)不同縱向模式之間有確定的相位關(guān)系，因此可獲得一系列在時(shí)間上來看是等間隔的激光超短脈沖（脈寬10～10秒）序列，若進(jìn)一步采用特殊的快速光開關(guān)技術(shù)，還可以從上述脈沖序列中選擇出單一的超短激光脈沖（見激光鎖模技術(shù)）。⑥單模和穩(wěn)頻激光器，單模激光器是指在采用一定的限模技術(shù)后處于單橫模或單縱模狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，穩(wěn)頻激光器是指采用一定的自動(dòng)控制措施使激光器輸出波長或頻率穩(wěn)定在一定精度范圍內(nèi)的特殊激光器件，在某些情況下，還可以制成既是單模運(yùn)轉(zhuǎn)又具有頻率自動(dòng)穩(wěn)定控制能力的特種激光器件（見激光穩(wěn)頻技術(shù)）。⑦可調(diào)諧激光器，在一般情況下，激光器的輸出波長是固定不變的，但采用特殊的調(diào)諧技術(shù)后，使得某些激光器的輸出激光波長，可在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可控地發(fā)生變化，這一類激光器稱為可調(diào)諧激光器（見激光調(diào)諧技術(shù)）。

按輸出波段范圍分類根據(jù)輸出激光波長范圍之不同，可將各類激光器區(qū)分為以下幾種。①遠(yuǎn)紅外激光器，輸出波長范圍處于25～1000微米之間,某些分子氣體激光器以及自由電子激光器的激光輸出即落入這一區(qū)域。②中紅外激光器，指輸出激光波長處于中紅外區(qū)(2.5～25微米)的激光器件,代表者為CO分子氣體激光器(10.6微米)、CO分子氣體激光器（5～6微米）。③近紅外激光器,指輸出激光波長處于近紅外區(qū)（0.75～2.5微米）的激光器件，代表者為摻釹固體激光器（1.06微米）、CaAs半導(dǎo)體二極管激光器(約0.8微米)和某些氣體激光器等。④可見激光器，指輸出激光波長處于可見光譜區(qū)（4000～7000?；?.4～0.7微米）的一類激光器件，代表者為紅寶石激光器（6943埃）、氦氖激光器（6328埃）、氬離子激光器（4880埃、5145埃）、氪離子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可調(diào)諧染料激光器等。⑤近紫外激光器，其輸出激光波長范圍處于近紫外光譜區(qū)（2000～4000埃），代表者為氮分子激光器(3371埃)氟化氙(XeF)準(zhǔn)分子激光器（3511埃、3531埃）、氟化氪(KrF)準(zhǔn)分子激光器(2490埃)以及某些可調(diào)諧染料激光器等⑥真空紫外激光器,其輸出激光波長范圍處于真空紫外光譜區(qū)(50～2000埃）代表者為（H）分子激光器(1644～1098埃)、氙(Xe)準(zhǔn)分子激光器（1730埃）等。⑦X射線激光器,指輸出波長處于X射線譜區(qū)（0.01～50埃）的激光器系統(tǒng)，目前軟X射線已研制成功，但仍處于探索階段

激光器的發(fā)明
激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數(shù)量極大、運(yùn)動(dòng)極混亂的分子和原子的發(fā)光過程，從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。

激光器的誕生史大致可以分為幾個(gè)階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎(chǔ)。這一理論指出，處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)之間能量差的光子的作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個(gè)光子，同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個(gè)光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。

此后，量子力學(xué)的建立和發(fā)展使人們對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了更深入的認(rèn)識(shí)，微觀粒子的能級(jí)分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產(chǎn)生進(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代末，量子電子學(xué)誕生后，被很快應(yīng)用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應(yīng)的器件。這些科學(xué)理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。

如果一個(gè)系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，就出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。那么只要有一個(gè)光子引發(fā)，就會(huì)迫使一個(gè)處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個(gè)與之相同的光子，這兩個(gè)光子又會(huì)引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實(shí)現(xiàn)了光的放大；如果加上適當(dāng)?shù)闹C振腔的反饋?zhàn)饔帽阈纬晒庹袷帲瑥亩l(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。

然而上述的微波波譜學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究大都屬于“純科學(xué)”，對(duì)于激光器到底能否研制成功，在當(dāng)時(shí)還是很渺茫的。
但科學(xué)家的努力終究有了結(jié)果。1954年，前面提到的美國物理學(xué)家湯斯終于制成了第一臺(tái)氨分子束微波激射器，成功地開創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。

湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了1.25厘米波長的微波，功率很小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動(dòng)科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)理，以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的光源。1958年，湯斯與姐夫阿瑟·肖洛將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合起來，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預(yù)防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。

此后，世界上許多實(shí)驗(yàn)室都被卷入了一場(chǎng)激烈的研制競賽，看誰能成功制造并運(yùn)轉(zhuǎn)世界上第一臺(tái)激光器。

1960年，美國物理學(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn)室里，勉強(qiáng)贏得了這場(chǎng)世界范圍內(nèi)的研制競賽。他用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽還高的溫度。

“梅曼設(shè)計(jì)”引起了科學(xué)界的震驚和懷疑，因?yàn)榭茖W(xué)家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。

盡管梅曼是第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家，但在法庭上，關(guān)于到底是誰發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“激光”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發(fā)明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位時(shí)提出了這個(gè)詞。與此同時(shí)，微波激射器的發(fā)明者湯斯與肖洛也發(fā)展了有關(guān)激光的概念。經(jīng)法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個(gè)月而成為勝者。不過梅曼的激光器的發(fā)明權(quán)卻未受到動(dòng)搖。

1960年12月，出生于伊朗的美國科學(xué)家賈萬率人終于成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了全世界第一臺(tái)氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。1966年，科學(xué)家們又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網(wǎng)的化學(xué)激光器等紛紛問世。

由于激光器具備的種種突出特點(diǎn)，因而被很快運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測(cè)量和探測(cè)、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領(lǐng)域引起了革命性的突破。比如，人們利用激光集中而極高的能量，可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工，能夠做到在一個(gè)針頭上鉆200個(gè)孔；激光作為一種在生物機(jī)體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應(yīng)的手段，已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用上取得了良好效果；在通信領(lǐng)域，一條用激光柱傳送信號(hào)的光導(dǎo)電纜，可以攜帶相當(dāng)于2萬根電話銅線所攜帶的信息量；激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測(cè)距等方面外，多種激光武器和激光制導(dǎo)武器也已經(jīng)投入實(shí)用。

今后，隨著人類對(duì)激光技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，激光器的性能和成本將進(jìn)一步降低，但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)擴(kuò)大，并將發(fā)揮出越來越巨大的作用。