激光器

Laser（很少写成l.a.s.e.r.）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，由激光先驱戈登-古尔德在1957年创造的。虽然这个最初的含义表示一种操作原理（利用受激原子或离子的受激发射），但该术语现在主要用于基于激光原理产生光的设备。更具体地说，通常指的是激光振荡器，但有时也包括带有激光放大器的设备，称为主振荡器功率放大器 (MOPA)。更广泛的解释包括非线性设备，如光参量振荡器和拉曼激光器，它们也产生类似激光的光束，通常用激光泵浦，但严格来说它们本身不是激光器。

激光技术是更广泛的光子学领域的核心，主要是因为激光具有一些非常特殊的属性：

激光通常作为定向良好的激光束发射，由于其高度的空间相干性，可以长距离传播而没有太大的发散（通常仅受衍射限制），并且可以聚焦到非常小的光点，从而实现高强度。
它通常具有非常窄的光学带宽（高时间相干性），而例如大多数灯发射的光具有非常宽的光谱。然而，也有宽带激光器，尤其是超快激光器（脉冲宽度在皮秒及更短量级的激光器）。
激光可以连续发射，或者以短或超短脉冲的形式发射，脉冲持续时间从微秒到几飞秒。脉冲能量在时间上的集中，光束的高度聚焦，可以产生更高的强度能量。

这些特性使激光在一系列应用中非常意义，在很大程度上是激光辐射高度时间和空间相干性的结果。

在激光技术中，广泛使用了激光晶体、激光反射镜、偏光片、法拉第隔离器和可调谐滤光片等光学元件；请参阅有关激光光学的文章。

激光的工作原理

基本原理

激光振荡器通常包括一个光学谐振腔（激光谐振腔、激光腔），光可以在其中循环（例如在两个反射镜之间），以及在该谐振腔内的增益介质（例如激光晶体），用于光放大。

如果没有增益介质，循环光会在每个谐振器往返过程中变得越来越弱，因为它有许多损耗，例如光线在镜子上的反射。然而，如果增益足够高，增益介质可以放大循环光，从而补偿损失。增益介质需要一些外部能量供应--它需要被 "泵浦"，例如通过注入光（光泵浦）或电流（电泵浦→半导体激光器），激光放大的原理是受激发射。

一个简单的光学泵浦固体激光器的装置，激光谐振器由一个高反射的曲面镜和一个部分透射的平面镜组成，即输出耦合器，它提取一些循环的激光作为有用的输出。增益介质是激光晶体或激光棒，它被侧面泵浦，例如用激光二极管或闪光灯的光。

如果增益小于谐振器的损耗，激光器就不能工作；这时设备低于所谓的激光阈值，只能发出一些微弱的冷光。只有当泵浦功率高于激光阈值时，才会有明显的功率输出，此时增益可以达到（或暂时超过）谐振器损耗的水平。

如果增益大于损耗，则激光谐振腔中的光功率上升非常快，例如开始来自荧光的低水平光。请注意，谐振腔往返时间通常非常小（例如几纳秒，对于紧凑型激光器甚至更少），因此即使是很小的净往返增益，也意味着腔内的功率快速的以指数级增长。

由于高激光功率通过从增益介质中提取能量而使增益饱和，因此激光功率将在稳态下达到一个水平，使得饱和增益刚好等于谐振器的损耗（增益钳位）。在达到这种稳定状态之前，激光通常会经历弛豫振荡（只是激光动力学的一个方面）。阈值泵浦功率是小信号增益刚好足以产生激光时的泵浦功率。

在谐振器中循环的一部分光功率通常由部分透明的反射镜传输，即所谓的输出耦合器反射镜。由此产生的光束构成了激光器的有用输出。输出耦合镜的传输可以被优化，以达到最大的输出功率（另见：斜率效率）。在大多数情况下，只有一个输出耦合器。

激光辐射的空间相干性

可以实现激光辐射的高度空间相干性，主要是因为光的发射是由腔内辐射（即激光谐振器中循环的光）本身触发（激励）的，而不是以不协调的方式自发发生的。如上所述，空间相干性是形成具有低发散度的定向激光束以及将光聚焦到非常小的光斑的可行性的物理基础。

时间相干性

时间相干性是一个不同的问题，它的起源完全不同。一些激光增益介质只能在一个狭窄的光谱范围内发射光。然而，即使不是这种情况，激光器往往（特别是在连续波操作中）只在一个精确定义的波长或频率上发光，因为条件是，只有该波长的净往返增益可能为零，而其他波长的净往返增益为负。例如通过使用可调腔体带通滤波器（Lyot 滤波器），将激光器调谐到精确的所需波长（在增益介质的发射区域内）。

在极端情况下，激光器的线宽可以限制为低于 1 Hz 的值（使用某些激光器稳定方法）。这比平均频率（数百太赫兹）低许多数量级。光学钟涉及这种高度稳定的激光器。

即使是超短脉冲也可以表现出非常高的时间相干性，在这种情况下，涉及到规则脉冲序列中后续脉冲之间的相干性。这与作为光谱的频率梳的形成有关。虽然光谱总体上可能非常宽，但每条梳状线可能非常窄，并且在频率上有明确的定义。

光脉冲的产生

一些激光器以连续方式运行，而另一些激光器则产生特别强烈的脉冲。有多种（非常不同的）激光器产生脉冲的方法，允许产生持续时间为微秒、纳秒、皮秒甚至几飞秒的脉冲（来自锁模激光器的超短脉冲），通常，激光介质可以在一些“泵浦”时间内积累一定量的能量，以便在更短的时间内释放它。

当只有单个谐振模式可以振荡时，连续操作激光器的光学带宽（或线宽）可能非常小（单频激光器）。在其他情况下，特别是对于锁模激光器，带宽可能非常大--在极端情况下，它可以跨越完整的倍频程。激光辐射的中心频率通常在最大增益的频率附近，但如果谐振器的损耗与频率有关，那么激光波长就可以在有足够增益的范围内进行调整。一些宽带增益介质，例如 Ti:sapphire 和 Cr:ZnSe，允许在数百纳米范围内进行波长调谐。

激光类型

激光技术是一个相当多样化的领域，利用了各种不同类型的激光增益介质、光学元件和技术。常见类型的激光器有：

半导体激光器（主要是激光二极管），电（或有时是光）泵浦，有效地产生非常高的输出功率（但通常光束质量较差），或具有良好空间特性的低功率（例如用于 CD 和 DVD 播放器），或脉冲（例如用于电信应用）具有非常高的脉冲重复率。特殊类型包括量子级联激光器（用于中红外光）和表面发射半导体激光器（VCSELs、VECSELs和PCSELs）。其中一些也适用于产生高功率的脉冲。
基于离子掺杂晶体或玻璃的固体激光器（掺杂绝缘体激光器），用放电灯或激光二极管泵浦，产生高输出功率，或具有非常高的光束质量、光谱纯度和/或稳定性（例如用于测量目的）的较低功率，或具有皮秒或飞秒持续时间的超短脉冲。常见的增益介质有Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:玻璃、Yb:YAG、Yb:玻璃、Ti:蓝宝石、Cr:YAG和Cr:LiSAF。一种特殊类型的离子掺杂玻璃激光器是：
光纤激光器，以光学玻璃纤维为基础，在纤维芯中掺入一些具有激光活性的离子。光纤激光器可以实现极高的输出功率（高达千瓦），具有很高的光束质量，具有较广的波长可调操作，窄线宽操作等。
气体激光器（如氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器和准分子激光器），基于气体，通常用放电激发。经常使用的气体包括 CO2、氩气、氪气和诸如氦氖之类的气体混合物。常见的准分子是 ArF、KrF、XeF 和 F2。就激光过程中涉及的气体分子而言，此类激光器也称为分子激光器。

不太常见的是化学和核泵浦激光器、自由电子激光器和X 射线激光器。

广泛意义上的激光源

有一些光源不是严格意义上的激光，但通常被称为激光源：

在某些情况下，该术语用于在没有输入的情况下放大发射光的设备（不包括种子放大器）。一个例子是 X 射线激光器，它通常是超辐射源，基于自发发射，然后是单程放大。然后没有激光谐振器。
类似的情况也发生在光学参数发生器上，不过，这里的放大不是基于激励发射，而是基于光学非线性的参数放大。
拉曼激光器利用基于受激拉曼散射的放大。

来自此类设备的光可以具有类似激光的特性，例如强定向发射、高空间和时间相干性以及窄光学带宽。

在其他情况下，术语激光源的合理性是因为该源包含激光器以及其他组件。对于激光器和放大器的组合（主振荡器功率放大器），以及基于激光辐射非线性频率转换的源，例如与倍频器或光学参量振荡器。

激光应用

各种不同的激光设备有非常广泛的应用。它们主要基于激光的各种特殊特性，其中许多特性是任何其他类型的光源都无法实现的。特别重要的应用领域是激光材料加工、光学数据传输和存储以及光学计量。

尽管如此，到目前为止，许多潜在的激光应用还无法实际实现，因为激光器的制造成本相对较高——或者更准确地说，因为它们目前主要是用相对昂贵的方法制造的。大多数激光器的制造体积相对较小，自动化程度有限。另一方面是激光在各个方面都相对敏感，例如在光学元件的精确对准、机械振动和灰尘颗粒方面。因此，正在进行研究和开发以寻找更具成本效益和稳健的解决方案。

对于商业成功，不仅要开发高性能、低成本的激光器，而且要确定最适合的应用，或开发最适合特定应用的激光器，这通常是至关重要的。此外，了解应用程序细节也非常重要。例如，在激光材料加工中，了解激光波长、光束质量、脉冲能量、脉冲持续时间等方面的确切要求对于获得最佳加工结果至关重要。