激光

激光的最初的中文名叫做“鐳射”或“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發射光擴大"。激光的英文全名已經完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發射”改稱“激光”。

激光產生的三個條件

激光產生的三個條件如下：

(1) 有提供放大作用的增益介質作為激光工作物質，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產生受激輻射的能級結構；

(2) 有外界激勵源，將下能級的粒子抽運到上能級，使激光上下能級之間產生粒子數反轉；

(3) 有光學諧振腔，增長激活介質的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。

激光的特點

激光與普通意義上的光源相比較激光主要有四個特點：方向性好、亮度極高、單色性好、相干性好。

激光器

激光器是一種能發射激光的裝置。1954年制成了第一臺微波量子放大器，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用到光頻范圍，并指出了產生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。

除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產生激光的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩態能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發到激發態，為實現并維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見光學諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質的長度，還能通過改變諧振腔長度來調節所產生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。

激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質、激勵方式、運轉方式等幾個方面進行分類介紹。

(1)按工作物質分類

根據工作物質物態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；②氣體激光器，而進一步區分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液；④半導體激光器；⑤自由電子激光器。

(2)按激勵方式分類

①光泵式激光器；②電激勵式激光器；③化學激光器；④核泵浦激光器。

(3)按運轉方式分類

由于激光器所采用的工作物質、激勵方式以及應用目的的不同，其運轉方式和工作狀態亦相應有所不同，從而可區分為以下幾種主要的類

①連續激光器；②單次脈沖激光器；③重復脈沖激光器；④調激光器；⑤鎖模激光器；⑥單模和穩頻激光器；⑦可調諧激光器。

CO2激光器的原理

1 CO2激光器的基本結構

構成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調節的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

基本結構：

① 激光管

激光器中最關鍵的部分。通常由三部分組成

放電空間（放電管）、水冷套（管）、儲氣管。

放電管通常由硬質玻璃制成，一般采用層套筒式結構。它能夠影響激光的輸出以及激光輸出的功率，放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。一般而言，放電管的粗細對對輸出功率沒有影響。

水冷套管的和放電管一樣，都是由硬質玻璃制成。它的作用是冷卻工作氣體，使得輸出功率穩定。

儲氣管與放電管的兩端相連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經過螺旋形回氣管與放電管相通。它的作用是可以使氣體在放電管中與中循環流動，放電管中的氣體隨時交換。

② 光學諧振腔

光學諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡組成，是CO2激光器的重要組成部分。光學諧振腔通常有三個作用：控制光束的傳播方向，提高單色性；選定模式；增長激活介質的工作長度。

最簡單常用的激光器的光學諧振腔是由相向放置的兩平面鏡（或球面鏡）構成。CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡采用由K8光學玻璃或光學石英加工成大曲率半徑的凹面鏡，在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，使得波長為10.6μm的光反射率達98.8％，且化學性質穩定。我們知道二氧化碳發出的光為紅外光，因此反射鏡需要應用透紅外光的材料。因為普通光學玻璃對紅外光不透，就要求在全反射鏡的中心開一小孔，再密封上一塊能透過10.6μm激光的紅外材料，以封閉氣體，這樣就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。

③電源及泵浦

泵浦源能夠提供能量使工作物質中上下能級間的粒子數翻轉。封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。

2 CO2 激光器基本工作原理

CO2激光的激發過程，主要的工作物質由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入的氦有兩個作用：一個是可以加速010能級熱弛預過程，因此有利于激光能級100及020的抽空；另一個是實現有效的傳熱。氮氣的加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。

泵浦采用連續直流電源激發。它的直流電源原理：直流電壓為把接入的交流電壓，用變壓器提升，經高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。

CO2激光器是一種效率較高的激光器，不易造成工作介質損害，發射出10.6μm波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分為封閉式及循環式，按激勵方式分電激勵，化學激勵，熱激勵，光激勵與核激勵等。在醫療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。

CO2激光器的基本工作原理：與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態；三是分子轉動，即分子為一整體在空間連續地旋轉，分子的這種運動決定了分子的轉動能態。分子運動極其復雜，因此能級也很復雜。

CO2激光器產生激光：在放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發起來。這時受到激發的氮分子便和CO2分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉從而產生激光。

3 CO2激光器的優缺點

與其它激光器相比，CO2激光器有著以下優缺點，如下：

優點：具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。

缺點：CO2激光器的轉換效率是很高的，但最高也不會超過40％，這就是說，將有60％以上的能量轉換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發和激光下能級的熱激發，這都會使粒子的反轉數減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內的CO2分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降，甚至產生“溫度猝滅”。