激光器（LASER）是一种产生激光的装置，它通常由工作介质、泵浦源和谐振腔三部分组成。其工作原理基于“受激发射”的物理过程。利用能够对光子产生受激辐射放大作用的工作介质，通过谐振腔或其他途径形成光反馈，从而产生光振荡并发射出激光。激光产生的条件可以归纳为实现粒子数反转、提供光反馈以及满足激光振荡的阈值条件。
自1951年C.H.查尔斯·汤斯提出微波激射器概念至1954年其制成第一台微波量子放大器，获得高度相干的微波束。再到1958年A.L.肖洛和汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，标志着激光器的雏形。1960年由T.H.西奥多·梅曼制成的世界上第一台激光器是一个重要的里程碑。不久后，A.Javan于同年成功研制了第一台氦气体激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了化镓半导体激光器。之后，激光器的种类就越来越多。
根据其工作介质的不同可以分为，固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、光纤激光器和自由电子激光器等。
激光器常见应用有工业领域中的激光打孔、激光切割；医学领域中的激光医疗、激光美容；军事领域中的激光武器、激光雷达等。
发展沿革
激光（Laser）一词的原意是“受激辐射放大所产生的光”，是英文“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写。激光科学的发展历程凝聚了众多科学家的智慧，其中美国物理学家查尔斯·汤斯（Charles Hard Townes）和肖洛（Arthur L. Schawlow）的开创性工作突出。他们在量子电子学领域的基础研究推动了微波激射器和激光器的发明。
激光发明的理论基础可以追溯到1916年阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出的光子受激辐射的概念。然而，当时的科学技术和生产发展还没有提出对激光的实际需求。1928年，德国物理学家鲁道夫·拉登堡（Rudolf W. Ladenburg）证实了受激辐射的存在，提出了负吸收的概念。1939年，苏联物理学家法布里坎特（Valentin A. Fabrikant）预测了短波的受激辐射放大。1947年，美国科学家兰姆（Willis E. Lamb）和英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（R.C. Retherford）在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射现象，首次验证了受激辐射。1950年，法国物理学家阿尔弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）提出了光学泵浦的方法，两年后由Brossel、Kastler和Winter通过实验证明了这一点。直到20世纪50年代初，电子学和微波技术的应用迫切需要强相干光源，才促使人们开始研究激光技术。
1951年，汤斯（Charles Hard Townes）提出了微波激射器（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，MASER）的概念。经过几年的努力，1954年，美国贝尔实验室的汤斯和苏联的普罗霍罗夫（Aleksandr Mikhailovich Prokhorov）以及巴索夫（Nicolay Gennadiyevich Basov）分别成功实现了氨分子束的粒子数反转，从而观察到了微波的受激发射，为后来激光器的发明奠定了基础。微波激光器的问世启发了科学家们对输出波长更短激光器的探索。汤斯等科学家认为，可以将微波推进到红外区甚至可见光波段，从而制造出更短波长的激光器。
1956年，尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）提出了利用光泵浦三能级原子系统实现粒子束反转分布的新构思。这一理论为后来激光器的发明提供了重要的思路和基础。
1958年，贝尔实验室的科学家肖洛（Arthur L. Schawlow）与汤斯合作提出了利用法布里——珀罗干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想。并发表了在可见光频段工作的激光器的设计方案和理论计算，首次描述了以光学频率产生激光的条件。此外，他们还提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现激光器的新思路。这些工作为激光器的发明奠定了重要的理论基础。同年，苏联莫斯科的普罗霍洛夫（A.M. Prokhorov）和巴索夫（N.G. Basov）几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。这一研究推动了激光技术的发展，并将激光研究推上了一个新的阶段。
1960年5月15日，世界上第一台激光器由美国科学家西奥多·梅曼（T.H. Maiman）在加州休斯实验室制成，采用了红宝石晶体作为发光材料，通过用发光度很高的脉冲灯作为激发光源，成功产生了人类历史上的第一束激光，其波长为694.3纳米。这一里程碑事件实现了汤斯和肖洛在1958年的预言。不久之后，也是在1960年，A.Javan成功研制了第一台氦氖激光器。1961年9月，中国科学院长春光学精密机械研究所成功研制了中国国内第一台激光器。1962年，第一个半导体激光器问世，由GE公司霍尔（Hall）制造，是一种结构简单的同质结（p-n结）激光器，谐振腔由两个镜面组成。
1965年，世界上第一台可产生大功率激光的二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台X射线激光器成功研制。在随后的几十年间，人们制造了输出各种不同波长的激光器，从中红外到深紫外，甚至是可调谐激光器。大功率激光器的研制成功开拓了新的领域，为工业、医学、科学研究等领域带来了更多可能性。
2013年，南非科学与工业研究委员会国家激光中心的研究人员开发出了世界首个数字激光器，为激光技术的应用开辟了新的前景。现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋、军事等领域，标志着新技术革命的发展，为人类的生活和工作带来了巨大的变革和便利。
原理
激光器通常由工作介质、泵浦源和谐振腔三部分组成。其工作原理基于光子的受激发射跃迁过程。当物质受到光的辐照时，光与物质相互作用，导致电子从一个能级跃迁到另一个能级，这个过程中释放出的光子如果被特定的介质（增益介质）吸收并再次以相干的方式发射出来，就形成了激光。可以将激光的产生条件归纳为实现粒子数反转、提供光反馈和满足激光振荡的阈值条件。
增益介质：激光器的核心是增益介质，它可以是固体（如晶体）、液体（如染料溶液）或气体（如氦氖气体）。增益介质中的原子或分子具有特定的能级结构，这些能级决定了激光的波长。
泵浦源：为了使增益介质产生激光，需要一个外部能量源，称为泵浦源或称激励系统。泵浦源可以是闪光灯、激光二极管或其他类型的光源，它的作用是将能量传递给增益介质中的原子或分子，使它们从低能级跃迁到高能级。
粒子数反转：当增益介质中的原子或分子吸收了泵浦源的能量后，它们会处于一个激发态。为了产生激光，需要这些激发态的粒子数超过基态的粒子数，这种状态称为粒子数反转。这是激光放大的基础。
受激辐射：当一个光子通过增益介质时，如果它的能量与激发态原子或分子的能量差匹配，这些激发态的粒子可以被诱导回到基态，同时释放出一个与入射光子频率、相位、方向和偏振状态相同的光子。这个过程称为受激辐射。
激光放大：由于受激发射产生的新光子与原始光子具有相同的特性，因此这个过程可以放大通过增益介质的光强度。随着光子在增益介质中来回反射，每次通过都会产生更多的光子，从而实现光的放大。
谐振腔：为了形成激光，还需要一个光学谐振腔，它由两个镜子组成，一个镜子对光高度透射，另一个镜子高度反射。谐振腔确保光子在增益介质中来回反射，增加与增益介质相互作用的机会，从而增强光的强度。
激光输出：当增益介质中的光强度达到一定程度，满足激光振荡的阈值条件时，激光器就可以产生激光输出。通过调整输出镜子的透射率，可以控制激光的输出功率。
激光器分类
激光器的种类很多，对激光器也有不同的分类方法，可根据激光工作方式、激光技术和激光工作介质的不同等分类。
按工作方式划分
依据工作方式的不同可以将激光器分为连续工作和脉冲工作两大类。
（1）连续工作激光器：能够持续发射激光的激光器，其特点是仅需使用连续电源而不需要储能电容和充电电源。然而，由于连续工作会产生较多的热量，因此激光器必须配备有效的冷却装置，并且选用阈值低、热稳定性好且具有良好热导性的工作物质，以确保激光器的稳定性和性能。
（2）脉冲工作激光器：以脉冲形式产生激光的激光器，具有较高的增益，能够接受较高的超阈输入。根据工作频率的不同，可以分为单次工作和重复频率工作两类。单次工作激光器指的是每隔数分钟工作一次的激光器，而重复频率工作激光器则指的是每分钟工作数次到每秒钟数百次的激光器。
按激光技术划分
依据激光技术的不同可以将激光器分为静态脉冲激光器（谐振腔的Q值不变）、调Q激光器、锁模激光器或称锁相激光器、倍频（激光波长成倍变化）激光器、可调谐激光器、单模（单纵模和单横膜）和多模激光器等。
（1）静态脉冲激光器：指在工作过程中，其谐振腔内的Q值保持不变的激光器。适用于需要较大脉冲能量但峰值功率不需要很高的场合，例如打孔、焊接等应用场景。
（2）调Q激光器：指在激光谐振腔内加入一个Q开关的激光器。通过调节谐振腔内的Q值，实现产生高能量、短脉冲的激光束，通常用于激光测距、激光制导和各种激光雷达等应用领域。
（3）锁模激光器： 利用锁模技术，使激光腔内各振荡模的相位同步，产生周期性的窄时间包络光脉冲的激光器。其输出脉宽极窄、峰值功率很高，被称为超短脉冲技术，广泛应用于受控核聚变、光通信、光谱学等领域。
（4）倍频激光器： 利用非线性光学效应将入射光的频率增加一倍，产生二次谐波的激光器。近年来，采用半导体激光器直接注入非线性晶体或参量振荡技术产生可调谐倍频激光束，具有高效率和小体积的优点。
（5）可调谐激光器： 能够在一定波长范围内连续或间断地调节输出光波长的激光器。包括气体、液体和固体等不同类型的激光器。
（6）单模激光器：能够产生单一纵模或单一横模的激光输出的激光器。通过调整波长选择元件与谐振腔的长度以保持同步谐调，可以实现连续谐调单模输出。
（7）多模激光器： 利用增益线型函数和空间烧孔效应，使得各个纵模之间发生强烈耦合，从而在增益凹陷处产生多个纵模振荡的激光器。
按工作介质划分
依据工作介质的不同可以将激光器分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、光纤激光器和自由电子激光器。
（1）固体激光器：以玻璃等固体作为工作介质。与其他类型的激光器相比，固体激光器具有多种优点，包括体积小、效率高、寿命长、波段覆盖广、坚固耐用、工作方式多样、输出功率大等。
（2）气体激光器：以金属蒸汽等气体作为工作介质。相比其他类型的激光器，气体激光器的激光振荡谱线最为丰富。其具有结构简单、造价低廉、操作方便、工作介质均匀、光束质量优秀、长时间稳定连续工作等特点。
（3）液体激光器：以有机染料等液体作为工作介质。相比其他激光器，液体激光器最大的优点是其激光波长可调谐，范围在0.3到1.3之间，能获得连续可调谐的窄带高功率激光。
（4）半导体激光器：以半导体材料作为工作介质，可通过光泵浦或电激励来激发。相较于其他激光器，半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固的优点，特别适用于飞机、车辆、宇宙飞船等环境。
（5）化学激光器：利用化学反应建立粒子反转，例如氟化氢（HF）等。相比其他激光器，其主要优点是能直接将化学能转换为激光能，无需外部电源或光源作为泵浦源，在无电源的情况下也能发挥作用。
（6）光纤激光器：以掺稀土元素的玻璃光纤等作为工作介质。适当加入正反馈回路（构成谐振腔），即可实现激光振荡输出。相较于其他类型的激光器，光纤激光器具有高转换效率、良好的散热性和便于与光纤系统连接等优点。
（7）自由电子激光器：以电子工作介质。利用高能电子流的能量转换为激光能量，产生受激辐射。其辐射波长可通过调节电子速度和磁场极性变换的周期进行调谐，理论上可覆盖远紫外到毫米波段的调谐范围，远超其他可调谐激光器。
经典激光器
红宝石激光器
红宝石激光器是世界上第一台激光器，由美国科学家梅曼（T.H. Maiman）于1960年5月15日在加州休斯实验室制造成功。这台激光器采用了红宝石晶体作为发光材料，是一个三能级系统。在激发方面，梅曼使用了发光度很高的脉冲氙灯作为激发光源。该激光器发射了人类有史以来的第一束激光，其波长为694.3。
氦氖激光器
氦-氖（He-Ne）激光器是一种典型的气体激光器，常用于各种领域。它利用混合气体中的氖原子产生激光，而氦则提高泵浦效率。尽管输出功率通常较低，但光束质量优异，具有小发散角度和良好的单色性。因此，在精密计量、检测、准直、医疗等领域有广泛应用。
二氧化碳激光器
二氧化碳激光器（）是混合气体激光器，以为激光物质，辅助气体如氮气、一氧化碳等增强输出。经过数十年技术进步，其性能和可靠性大幅提升，功率范围从几瓦到几万瓦，可连续或脉冲输出，成为最重要的气体激光器之一。在材料加工、医疗、科研、检测、国防等领域广泛应用。
连续波染料激光器
连续波染料激光器常用离子激光器或离子激光器作为泵浦源。采用高效的纵向离轴泵浦方式。连续波染料激光器主要优点是：线宽窄可达兆赫量级，平均功率较高，可达到瓦级，有较宽的连续调谐性能，可以获得脉宽很窄的超短脉冲。故这类染料激光器在光谱学等领域有重要的应用价值。
砷化镓激光器
砷化镓（GaAs）激光器是一种半导体激光器。在1962年，梅贝格（S. Mayburg）报告了可以从CsAs PN结中获得100%的荧光量子效率。GaAs激光器是通用器件，除适用于中短距离和中小容量的光纤通信系统外，还有其它许多应用，特别是军事方面的应用。
氧碘化学激光器
氧碘化学激光器具有高效率和输出功率，已进入工业使用阶段。目前，其输出功率已经超过了激光器，成为输出功率最大的激光器之一。由于化学激光器是一种自带泵浦能源的激光器，因此它是唯一能够被用于卫星平台的激光器。此外，由于其高转换效率和连续输出功率，氧碘化学激光器被广泛视为太空防御计划中的首选激光器。
激光器应用
工业领域
激光器焊接
在金属焊接领域，高功率半导体激光器得到了广泛应用，特别是在汽车工业中的点焊、热传导焊接以及车身精密焊等方面。针对金属薄片的焊接，通常要求半导体激光器的功率在300到3000瓦之间，光斑大小为0.4到1.5毫米，光束质量为40到150毫米·毫弧度。半导体激光器焊接具有速度快、效率高、形变小和热量低等优点，有望逐步取代传统的焊接方法。
激光器切割
激光切割的应用可以追溯到上个世纪九十年代，在计件加工企业和生产企业的批量加工中已经开始使用。直到2008年，第一台玻璃激光平板式切割设备上市之前，Trumpf公司推出了以光泵Nd:YAG激光器为基础的光纤耦合平板式激光切割设备，其光束质量仅为12mm*mrad。尽管基于大功率半导体激光的切割设备起步较晚，但效果较好。
激光器熔覆
为了提高金属的表面特性，增加其表面耐磨损程度等，激光熔覆加工已被广泛应用。目前国际市场上主要采用的激光熔覆技术以半导体激光为主，占据熔覆市场的约90%份额。与电弧焊、热喷涂等熔覆方式相比，大功率半导体激光熔覆技术在质量和工艺方面具有多项优势。
信息处理领域
激光器通信
在光通信系统中使用可调谐激光器作为光源，可以满足一个光源替代多个固定波长光源，或者为多个光源做备份的需求。此外，如果是可调谐光纤激光器，它本身具有与光纤系统天然兼容的优势，可以用来测试无源光纤器件的特性。
激光器传感
在光传感领域，波长可调谐光纤激光器不仅可用作分布式光纤光栅传感器的扫描光源，实现单点、多点及传感阵列的实时监测。此外，基于光纤光栅的短腔光纤激光器（如分布反馈式或分布布拉格反射式光纤激光器），利用其产生的双波长激光间隔随外界物理量（如温度、应变等）变化而改变的特性，能实现更低成本、更高性能的传感监测。
军事领域
激光器制导
激光制导技术在半导体激光器的应用方面取得了显著的进展。几十年前，一些国家就对激光制导技术进行了高度关注，并将其应用于战略导弹。根据其控制方式的不同，激光制导技术主要可分为激光驾束制导、半主动式主动引导、主动式引导和传输指令制导。
激光器引信
半导体激光器在引信系统中得到广泛应用。炸弹的引信系统需要考虑体积和电源等问题，而半导体激光器则是一种非常适合的选择。配备激光引信系统的导弹能够精确控制引爆的时间和地点，具有高可靠性和强抗电磁干扰能力，这些特点是传统电子线路引爆系统无法比拟的。
激光器雷达
半导体激光器在雷达应用中具有许多优点，使其成为激光雷达无法比拟的选择。其中一些优点包括体积小、高精度、成像功能以及强大的信息处理能力。特别是波长为820至850的单管及其阵列在雷达技术中处于主导地位。
医学应用
激光器医疗
波长为805左右的半导体激光器很适合于人体的手术治疗。用激光作手术与通常的手术刀和电刀相比具有出血少、愈合快、不易感染等特点，用激光进行手术应包括使手术部位的组织迅速汽化和切开或切除的组织迅速凝固和止血。
激光器美容
目前，半导体激光器因其轻巧、使用灵活方便和寿命较长等优点，在医美领域得到了广泛的临床应用。例如，中功率的脉冲半导体激光器可用于进行去粉刺、痤疮、除皱和脱毛等。
生活领域
激光打印机
780nm的半导体激光器在激光打印方面有着重要应用。在早期，光源多采用气体激光器，后来，半导体激光器开始被用于小型打印机。这一技术的应用推动了激光打印机的小型化和普及化，为打印技术带来了革命性的变革。
激光唱片
激光唱片是信息存储的载体，其记录着连续的数字信号，这些信号以“坑点”的形式被刻在唱片上的轨迹中。通过激光束扫描这些“坑点”，根据反射的变化来获取数字信号，随后通过解码和数字模拟转换过程将其转换为模拟声音。
参考资料
激光器.术语在线.2024-03-21