行業(yè)動態(tài)
激光與激光器
1.儲備知識1.光子
光具有能量、動量和質(zhì)量、粒子屬性（能量、動量、質(zhì)量等）和波動屬性（頻率、波矢、偏振等）。
物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞原子核運動。原子中電子的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子將處于一些固定的能量水平，不同的能量水平對應(yīng)于不同的電子能量，遠離原子核的軌道能量越高。此外，不同的軌道最多可以容納不同的電子數(shù)量，如**軌道（也是最近的原子核軌道）最多只能容納2個電子，更高的軌道可以容納8個電子等。
通過吸收或釋放能量，電子可以從一個能級轉(zhuǎn)移到另一個能級。例如，當電子吸收光子時，它可能會從低能級轉(zhuǎn)移到高能級。同樣，高能電子也會通過發(fā)射光子跳到較低的能級。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是等于這兩個能級的能量差。由于光子能決定了光的波長，吸收或釋放的光具有固定的顏色。
使原子產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生跳躍。光子的能量必須等于兩個能級之間的能量差。光子的能量大于或小于這個值，不能使原子產(chǎn)生共振或跳躍。
h為普朗克常量，V光子頻率。
使原子電離，如果原子吸收的能量正好等于電離能，原子正好電離；如果吸收的能量大于電離能，原子電離，電離電子有動能，等于吸收的能量與電離能的差異；如果吸收的能量小于電離能，就不會發(fā)生電離。
實物粒子碰撞：
當兩個粒子碰撞時，如果只交換粒子平移能量，內(nèi)部能量保持不變，則稱為彈性碰撞；原子或分子內(nèi)部能量增減稱為非彈性碰撞
非彈性碰撞分為兩種：如果部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)部能量，刺激原子跳躍，稱為**種非彈性碰撞；如果原子內(nèi)部能量減少，釋放的部分能量轉(zhuǎn)化為平移能量，則稱為第二種非彈性碰撞
如果原子與原子之間的碰撞發(fā)生跳躍，必須使原子的動能比被激發(fā)跳躍的能級值大得多。
電子通過非彈性碰撞使原子躍遷，電子具有的動能必須大于或等于原子兩個能級之差。
(5)跳躍時釋放的光子數(shù)量和類型
4.自發(fā)輻射
它是指高能電子在沒有外部作用的情況下自發(fā)遷移到低能水平，并產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hv=E2-E1.即兩個能級之間的能量差。這種輻射的特點是每個電子的跳躍都是自發(fā)獨立的，其過程沒有外部影響，也沒有關(guān)系。因此，它們的光子狀態(tài)是不同的。光相干性差，方向分散。
受激吸收是指低能原子吸收外部輻射，跳到高能態(tài)。從低能級到高能級，電子可以吸收光子。普通常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等）是由于原子中的電子在受到外部能量（如光能、電能、熱能等）的影響時吸收外部能量，從低能級轉(zhuǎn)移到高能級，即原子受到刺激。激發(fā)過程是一個激發(fā)吸收過程。
受激輻射是指光子中的高能電子 ** 或者在感應(yīng)下，跳到低能級，輻射出與入射光子頻率相同的光子。受激輻射**的特點是受激輻射產(chǎn)生的光子與受激輻射產(chǎn)生的原始光子完全相同。它們的頻率和方向相同，無法區(qū)分兩者之間的差異。這樣，一個光子通過一次受激輻射變成兩個相同的光子。這意味著光被加強，或者光被放大。這是激光產(chǎn)生的基本過程：光子射入物質(zhì)誘導(dǎo)電子從高能級轉(zhuǎn)移到低能級，并釋放光子。入射光子與釋放的光子具有相同的波長和相位，對應(yīng)于兩個能級之間的能量差。一個光子誘導(dǎo)一個原子發(fā)射一個光子，**變成兩個相同的光子。
在原子系統(tǒng)中，總有一些原子處于高能級，有些處于低能級。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子可以去 ** 高能原子產(chǎn)生受激輻射，也可能被低能原子吸收。因此，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在于光與原子系統(tǒng)的相互作用中。
如果你想獲得越來越強的光，即產(chǎn)生越來越多的光子，你必須使受激輻射產(chǎn)生的光子超過受激吸收的光子。在光子的作用下，高能原子產(chǎn)生受激輻射的機會與低能原子相同。這樣，光的放大取決于高低能原子數(shù)量的比例。如果高能原子遠遠超過低能原子，我們就會得到高度放大的光。然而，在通常的熱平衡原子系統(tǒng)中，原子數(shù)量遵循玻爾茲曼的分布規(guī)律。因此，高能級原子數(shù)總是低于低能級原子數(shù)。在這種情況下，為了放大光線，必須在非熱平衡系統(tǒng)中找到。
誘發(fā)光子不僅會引起受激輻射，還會引起受激吸收。因此，只有當高能原子數(shù)量超過低能原子數(shù)量時，受激輻射才能超過受激吸收，并具有優(yōu)勢?？梢钥闯觯瑸榱耸构庠窗l(fā)射激光，而不是發(fā)射普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子在高能級上的數(shù)量遠遠超過低能級，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于**能級(基態(tài))。因此，如何在技術(shù)上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件。那怎樣才能達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要激活媒體。所謂激活媒體(也稱為放大媒體或放大媒體)，是一種能在兩個能級之間反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的物質(zhì)。它可以是氣體、固體或液體。不可能用二能系統(tǒng)激活媒體，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。要獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能系統(tǒng)。
在通常的熱平衡條件下，處于高能級E2上原子數(shù)密度N2.遠低于低能級原子數(shù)密度，因為當能級E的原子數(shù)密度N隨能級E的增加而降低，即N∝exp(-E/kT)，這就是著名的波耳茲曼分布規(guī)律。
因此，兩個能級上的原子數(shù)密度比為：N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 中k是波耳茲曼常量，T絕對溫度。因為E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氫原子基態(tài)能量為E1＝－13.6eV，**個激發(fā)態(tài)能量是E2=-3.4eV，在20℃時，kT≈0.025eV，則N2/N1∝exp（－400）≈0 可見，在20℃幾乎所有的氫原子都處于基態(tài)，要使原子發(fā)光，必須提供能量使原子達到激發(fā)態(tài)，因此，廣義上的發(fā)光包括受激吸收和自發(fā)輻射。一般來說，這種光源輻射光的能量不強，向四面八方發(fā)射會分散能量。
1917年，愛因斯坦在量子理論基礎(chǔ)上提出：物質(zhì)與輻射場相互作用中，構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子可以在光子的激勵下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收。即激光的英文名來源——Light amplification by stimulated emission of radiation,LASER；中文名稱是19 ** 根據(jù)中國著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議，將光受激發(fā)射改為激光。
1960年，梅曼（Theodore H. Mai ** n）世界上**個紅寶石固態(tài)激光器（rugby laser）
1961年，氣體激光器——氦氖激光器；我國**臺紅寶石激光器誕生
1962年，半導(dǎo)體激光器
1963年 ,二氧化碳激光器
1965年，YAG激光器
1980年，準分子Kr激光器
1988年，倍頻泵浦YAG激光器
主要的分類方法是根據(jù)激光分類：
（1）固體激光(Solid state laser)
該激光介質(zhì)是一種與雜質(zhì)混合的絕緣固體，包括晶體激光、玻璃激光和光纖激光。晶體、玻璃和光纖是寄主材料(host ** terial)，取代一些寄主離子的寄主離子「雜質(zhì)(Impurity)」離子是激光的主動介質(zhì)。
例如，紅寶石的寄主是三氧化二鋁晶體(Sapphire；常譯為「藍寶石」) ，主動介質(zhì)是鉻鉻閱讀「各」】離子(Cr3 )。將在下文中使用「Cr3 ：Al2O3」這樣的標志表示主動介質(zhì)和寄主，以及「鉻―氧化鋁激光」激光名稱表示形式標記。在幾種晶體、玻璃和光纖中、玻璃和光纖混合。由于各寄主的電子分布和對稱性不同，同一離子的能階結(jié)構(gòu)和能階差不同，激光波長可能相似，但不完全相同。
比如釹釹讀作「女」】離子(Nd3 )激光接近1μm但波長不相等。以不同材料為寄主的其他區(qū)別在于增益、散熱、可用晶體長度等。這些因素會影響激光的功率，從而影響商品的規(guī)格和價格。
a、紅寶石(Ruby laser)激光 紅寶石激光可產(chǎn)生694.3 nm及692.8 nm激光，但后者增益較低，一般取其694.3 nm的輸出。
b、釹離子(Nd3 )的激光 釹-雅克(Nd-YAG)激光是最著名的。YAG它代表了一種代表性的石榴石(Yttrium aluminum garnet；Y3Al5O12)。主動介質(zhì)是YAG晶體中，取代約１%釔離子(Y3 )釹離子。
c、鈦-藍寶石(Titanium-sapphire)激光等可變頻固體激光 鈦-藍寶石激光的主動介質(zhì)是摻入的Al2O3晶體中的Ti3 用鋁離子代替離子。它有兩個特點:(1)輸出激光的頻率可以是660到180 nm兩者之間的調(diào)變；(2)它能產(chǎn)生不到100 fs超短脈波。(固體激光可調(diào)波長)
d、其它固體激光 其它固體激光
(2)液體激光
液體激光以溶劑染料為主動介質(zhì)，通常稱為染料激光(Dye laser)。染料分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有多個苯環(huán)。在它們的能階中，與每個電子能階相對應(yīng)，有許多間隔精細的振動能階，分布成帶狀，因此一個范圍內(nèi)的頻率可以跳躍并產(chǎn)生激光。另一方面，染料的能階結(jié)構(gòu)也使其能夠吸收相當廣泛的激發(fā)光，主要在紫外線和可見光波段。用不同的激發(fā)波長照射染料會產(chǎn)生不同的激光波長。（薔薇紅6G激光波長數(shù)據(jù))一種可調(diào)激光波長的裝置，能產(chǎn)生多種激光，因此應(yīng)用廣泛。但固體激光在體積、積、功耗、電壓需求、冷卻需求、安全性和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢遠高于染料激光。這些優(yōu)點使固體激光小型化和可移植(Portability)占優(yōu)勢。由于固體可變頻激光的應(yīng)用波長范圍仍然是紅外區(qū)域，雖然放大器和非線性變頻裝置可以產(chǎn)生短波長的高質(zhì)量光束，但仍有許多波長范圍，因此染料激光仍有存在和利用的空間。
(3)氣體激光(Gaseous laser)
以氣體為主動介質(zhì)的激光中，包括中性原子激光、離子氣體激光、金屬蒸汽激光、分子氣體激光、準分子激光。分別介紹如下：
1)稀有氣體元素的中性原子激光和離子氣體激光
a、中性原子激光
中性原子激光和離子氣體激光的區(qū)別在于前者激光來自中性原子能階( 如圖2所示，氦原子和霓原子能階 )后者是離子的能階( 如Ar ,Kr )間之躍遷。因此，氬激光(Argon laser)氬離子激光(Argon ion laser)前者的激光波長屬于紅外波段，后者在可見光和紫外線區(qū)。但氬離子激光一方面很少見，另一方面為了方便稱呼，人們常稱氬離子激光為氬激光。不僅是中文敘述，英文文獻也是如此，氬激光在不混淆的情況下仍然可以稱為氬離子激光。氦霓虹激光是中性原子激光中最常見的激光。它的紅光尤其為大家所熟悉。其光色明顯，常用作非可見光激光中的指引光束(Guiding beam)。同調(diào)性優(yōu)越，操作條件方便(只需氣冷，110V電壓和價格相對較低)，廣泛用于掃描讀碼裝置和全像。
b、離子激光
氬離子激光和氪離子激光是稀有氣體離子激光中最常見的。氬離子激光除直接使用外，還常用紫外線和藍綠光激發(fā)染料激光。20W機型可產(chǎn)生275.4至1090.0 nm一些激光。主要可見光波長為514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。在藍綠常用的藍綠光波段是514.5及488 nm。氪離子激光產(chǎn)生337.4至799.3 nm，最強的是 ** 7.1 nm，其次為413.1及530.9 nm。商品中，有將氬氣與氪氣混合的機型。
2)金屬蒸汽的中性原子激光與離子激光
a、中性原子激光
Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金屬的蒸汽，都是中性原子激光的主動介質(zhì)。它們的蒸汽中，?；烊氲蛪毫Φ亩栊詺怏w，以提高放電效率。銅蒸汽激光商品可產(chǎn)生100W以上的綠光(511 nm)及黃光(578 nm)，金蒸汽激光則可得數(shù)十瓦的紅光 (628 nm)。這兩種激光有很多用途，例如血紫質(zhì)衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光譜的峰值約為628 nm，而癌細胞能吸收此物質(zhì)。此物質(zhì)受到628 nm的激光光照射后會分解，產(chǎn)生可殺死癌細胞的物質(zhì)。不過，銅蒸汽激光激發(fā)染料激光，也可得到這種光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578 nm的激光可以除去某些胎記，效果優(yōu)于用氬離子激光。
b、離子激光
金屬蒸汽離子激光中，氦鎘(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦鋅(He-Zn)等激光為此家族中之成員。氦鎘激光的325 nm紫外線，和441.6 nm藍光，是最常見的輸出。加上特殊設(shè)計時，它可同時產(chǎn)生紅光(635.6及636.0 nm)和綠光(533.7及537.8 nm)。它的短波長成分，在信息處理方面很有用。適當調(diào)配各波長的輸出，幾乎可以產(chǎn)生所有可見光的顏色，因而它的白光激光產(chǎn)品也是有名的。儲存密度及鑒別能力的提高，使它在量度、檢驗、記錄、印刷等方面有許多應(yīng)用。
3)分子氣體
二氧化碳激光和氮氣激光是最常見的分子氣體激光，其主要激光光分屬紅外線(10, ** 0 nm)及紫外線(337 nm)。生物組織中的水分會吸收它的10, ** 0 nm激光光，所以能用于手術(shù)，所需激光光功率約為50W。此外，非金屬材料的加工、金屬表面的熱處理、光譜學(xué)及光化學(xué)研究、環(huán)境遙測、測距、激發(fā)其他激光、產(chǎn)生離子體(俗稱電漿；Plas ** )等，也都可用二氧化碳激光來進行。氮氣激光的紫外線激光光，適合激發(fā)染料激光，及使多種物質(zhì)產(chǎn)生熒光，而可用于檢驗及研究工作。其缺點在于效率及功率均低，每個脈波的能量大約只有10mJ，平均功率約為數(shù)百mW。
4)準分子(Excimer)激光
準分子一詞的原意，是「兩個同種原子組成，而只存在于受激態(tài)的分子」，如稀有氣體分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名為 Excited Dimer 組合成的術(shù)語?，F(xiàn)在已經(jīng)將它的適用范圍放寬，以包括「不存在于基態(tài)，只以受激態(tài)呈現(xiàn)的任何雙原子分子(有時還包括三原子分子)」。重要的準分子激光，以稀有氣體的鹵化物為主動介質(zhì)，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因為受激態(tài)常以星號(*)上標表示，所以有些數(shù)據(jù)上寫成ArF*等。準分子不會自然出現(xiàn)，而是在氣體混合物中放電時形成的。此外，用電子束撞擊，或在導(dǎo)波管型裝置中以微波激發(fā)，也都可以造成準分子。它的激光光來自準分子解離成原子的電子躍遷，所以其激光光屬紫外線，應(yīng)用于精細蝕刻(如電路制程)、化學(xué)蒸著(Chemical vapor deposition)、化學(xué)反應(yīng)研究及醫(yī)療上的用途較多。這些應(yīng)用中，有的是以準分子激光激發(fā)可變頻激光之后進行的。商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等準分子居多，激光光頻率分別是193、249、308、350 nm。
（4）化學(xué)激光(Chemical laser)
由化學(xué)反應(yīng)造成居量反轉(zhuǎn)的激光，稱為化學(xué)激光。在化學(xué)、軍事、材料研究與生物醫(yī)學(xué)方面，都有化學(xué)激光發(fā)揮所長之處。例如氟化氫激光的光束可能是骨科手術(shù)所需要的。氟化氫激光中的反應(yīng)可表示為2F2 + H2 →2HF* + F2，其實它的細部反應(yīng)是鏈式反應(yīng)：F + H2 →HF* + H ，F(xiàn)2 + H → HF* + F，而且可用放電使反應(yīng)啟動。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有類似作用?；瘜W(xué)激光的波長
（5）半導(dǎo)體激光(Semiconductor laser)
半導(dǎo)體激光是用半導(dǎo)體制成的，其構(gòu)造及電性質(zhì)為二極管(Diode)，也就是具有兩個外接電路端點，分別位于其中的p型與n型部分，其間有個接面(Junction)。因此，半導(dǎo)體激光又名半導(dǎo)體二極管激光(Semiconductor diode laser)或二極管激光(Diode laser)。電流較低時，它成為發(fā)光二極管(Light emitting diode；LED)，發(fā)出自發(fā)射的光；電流夠大的時候，才能造成自由電子的居量反轉(zhuǎn)。另一方面，制程中適當?shù)牟襟E使二極管兩端具有相當高的反射率，就具備激光所需要的條件。半導(dǎo)體激光技術(shù)的研發(fā)，使半導(dǎo)體激光成為效率很高的激光，但散熱仍是重要問題。此外，端射型及面射型激光數(shù)組的研發(fā)，使系統(tǒng)產(chǎn)生的光束在能量及控制方面提升許多。隨著半導(dǎo)體種類的擴增，半導(dǎo)體激光能產(chǎn)生的波長，也不斷增加。下表列出幾種室溫下操作的半導(dǎo)體激光的波長數(shù)據(jù)。
半導(dǎo)體激光的例子：半導(dǎo)體激光的介質(zhì)體積小(典型尺寸約為10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作電流及電壓低，消耗能量少，所以為人們所樂于使用。用許多個半導(dǎo)體激光激發(fā)其他的固體激光，是一種很有價值的應(yīng)用。
（6）色中心(Color-center)激光
堿金屬的鹵化物晶體中有某些雜質(zhì)時，受到適當輻射照射后會顯現(xiàn)顏色。鹵化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等，雜質(zhì)則有Li、Na等。這些雜質(zhì)稱為「色中心」。
（7）自由電子 (Free electron) 激光
自由電子激光(FEL)以極高真空中的高速自由電子為主動介質(zhì)。其波長可以調(diào)變，由微波到軟X射線都可能。因此是一部裝置可執(zhí)行多種功能?，F(xiàn)在的研究方向之一，是開發(fā)桌上型的機種，以便擴大應(yīng)用場合，并降低價格。
（8）倍頻(Frequency double)激光
倍頻激光實際上是加上倍頻晶體的激光，但是有些數(shù)據(jù)上用造成倍頻效應(yīng)的晶體稱呼它們，例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此，本文列出這一項，以引起讀者注意KDP及KTP并非激光的主動介質(zhì)，并略為介紹此類晶體。
倍頻是非線性光學(xué)晶體(Nonlinear optical crystal)的功能之一。選用晶體時，產(chǎn)生倍頻波的適用波段及轉(zhuǎn)換效率(Conversion efficiency)是重要指標。其他要注意的項目包括是否會潮解、會造成損壞的光強度、晶體切割方向及鍍膜狀況等。KDP是磷酸二氫鉀(KH2PO4)，為最早使用的倍頻晶體，某些條件下的轉(zhuǎn)換效率很高，但是會潮解，須注意防范。KTP是磷酸鉀鈦氧(KTiOPO4)，性能與KDP相似，但是不會潮解。偏硼酸鋇(Beta barium borate，β-BaB2O4；BBO)是較受重視的一種非線性光學(xué)晶體，它具有一些優(yōu)良性質(zhì)，但與其他晶體相同，并非適用于一切場合。舉例來說，有些晶體適合產(chǎn)生二倍頻，但不適用于三倍頻 。
非接觸加工
熱影響區(qū)小
加工靈活（激光易于聚焦、發(fā)散和導(dǎo)向，不受電磁干擾可在大氣環(huán)境中加工）
微區(qū)加工（光斑可以聚焦到波長級別）
可透過透明介質(zhì)對內(nèi)部工件加工
可加工高硬度高脆性和高熔點的金屬非金屬材料
激光技術(shù)應(yīng)用最重要的三個方面：激光加工、激光通訊、激光醫(yī)療
激光材料去除加工：激光打孔、切割、雕刻和刻蝕
激光材料增長加工：激光焊接、激光燒結(jié)、激光快速成型
激光材料改性：激光熱處理、強化、涂覆、合金化、非晶化、微晶化等
激光微細加工
其他加工：激光清洗、激光復(fù)合加工、激光拋光
激光通信分為有線和無線激光通信兩種，無線通信可分為點對點、點對多點、環(huán)形或網(wǎng)狀通信
點對點的激光通信原理及國內(nèi)外發(fā)展概況：激光大氣通信的發(fā)送設(shè)備主要由：激光器、光調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線、接收設(shè)備主要由光學(xué)接收天線、光檢測器等組成信息發(fā)送時，先轉(zhuǎn)換成電信號，再由光調(diào)制器將其調(diào)制在激光器產(chǎn)生的激光束上，經(jīng)光學(xué)天線發(fā)送出去，信息接收時，光學(xué)接收天線將接收到的光信號聚焦后，送至光檢測器恢復(fù)至電信號，還原為信息。
當輻射場作用于物質(zhì)時，受激輻射、受激吸收、自發(fā)輻射并存；在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)位于基態(tài)粒子束大于處在激發(fā)態(tài)粒子數(shù)，故而吸收入射光多于放大入射光；此時需施加泵浦源反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使受激輻射占主導(dǎo)作用；當光強I（z）沿方向Z入射時，在介質(zhì)作用下以放大系數(shù)放大，而光強放大是以犧牲反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為代價，故增益系數(shù)由于粒子數(shù)減少而趨于增益飽和，最多達到平衡的光強。
以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(tài)（E3）。原子處于受激態(tài)的時間非常短，大約為10－7秒后，它便會落到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)（E2）的中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是10－3秒或更長的時間。原子長時間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此時的狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級系統(tǒng)。
當粒子受外界能量激勵從E1到E3，由于E3能級壽命短，很快轉(zhuǎn)移到E2上，因能級E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級E1為基態(tài)，通?？偸欠e聚著大量的粒子，因此要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵就需要有相當強的能力。而我們所用的YAG激光系統(tǒng)屬于四能級系統(tǒng)。如所示，能級E1為基態(tài)，E2、E3、E4為激發(fā)態(tài)。在外界激勵的條件下，基態(tài)E1上的粒子大量被激發(fā)到E4上，又迅速轉(zhuǎn)移到E3上，E3能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。而E2能級壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態(tài)E1，所以，四能級系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在E3與E2間實現(xiàn)。 也就是說，能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光下能級是E2，不像三能級系統(tǒng)那樣，為基態(tài)E1。因為E2不是基態(tài)，所以在室溫下，E2能級上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)都是對激光器運轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個能級或四個能級。
增益系數(shù)：光放大作用的大小通常用增益系數(shù)G描述，即光通過單位長度激活物質(zhì)后光強增長的百分數(shù)
損耗系數(shù)：光通過單位長度激活物質(zhì)后光強衰減的百分數(shù)
增益飽和效應(yīng)，光強要增加，則反轉(zhuǎn)粒子數(shù)會下降，而增益系數(shù)也會下降，進而光強增長變緩。
常規(guī)激光器包括三部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。
激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵是能在這種介質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常有利的。
為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學(xué)激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。
氣體放電：高電壓下，氣體分子電離放電，與被電場加速電子碰撞，吸收能量后躍遷；
光激勵：光照射工作物質(zhì)，其吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；
熱能激勵：高溫加熱使高能級粒子數(shù)增多，后突然降低溫度，由于高、低能級弛豫時間不同而使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
有了合適的工作物質(zhì)和激勵源后，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應(yīng)用。還需要將輻射的光進行放大，于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進行放大。
所謂光學(xué)諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經(jīng)過放大了的激光；而被反射回工作介質(zhì)的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，直到能量達到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。作用：正反饋，即初始光強往返傳播增加長度選模：即控制腔內(nèi)振蕩光束特征，限制在所決定的少數(shù)本征模式中。分類：穩(wěn)定腔（近軸光束不橫向逸出）、非穩(wěn)定腔（腔的幾何偏折損耗高）、臨界腔
對激光器有不同的分類方法，
一般按工作介質(zhì)的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。
另外，根據(jù)激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，
還可以按發(fā)光功率大小分為：超大功率、大功率、中功率、小功率
在一個截面為橢圓形的腔體內(nèi)，兩個焦點上分別放置激光棒和氪燈，在一個焦點上（氪燈）發(fā)出一定波長的光，經(jīng)過反射腔體內(nèi)壁的反射，會聚在腔體的另一個焦點上（激光棒），使工作物質(zhì)里的粒子受到激發(fā)，粒子受激吸收后，處于低能態(tài)的原子由于吸收了外界輻射而發(fā)生能級躍遷，繼而釋放出激光，產(chǎn)生的激光在全反射鏡片和部分反射鏡片之間進行來回振蕩，當能量達到一定值時，就可以從部分反射鏡片透過，這就實現(xiàn)了激光的輸出。
（1）平均衰減系數(shù)α
表示諧振腔內(nèi)損耗的大小
αr——諧振腔反射鏡的透射損耗引起的衰減系數(shù)
αi——是除諧振腔反射鏡損耗以外的其他所有損耗所引起的衰減系數(shù)
l——光學(xué)諧振腔的兩個反射鏡之間的距離，腔長
r1、r2——腔的兩個反射鏡的功率反射系數(shù)
（2）增益系數(shù)G
表示激活物質(zhì)的放大作用
G表示光通過單位長度的激活物質(zhì)后，光強所增長的百分比。
（3）閾值條件
其中Gt為閾值增益系數(shù)
增益等于損耗為閾值條件，光的強度一定要抵消損耗，才會有多余的光輸出來。
激光器能產(chǎn)生激光振蕩的**限度稱為激光器的閾值條件。
激光器的閾值條件只決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗，損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。
（4） 諧振頻率
原來有一個波，走一圈回到原來的地方，相位差是2π的整數(shù)倍，那么這個波肯定會被加強。
只有滿足公式的波長才能在激光器中不斷被放大，**達到諧振狀態(tài)，抵消損耗了，才會有多余的光輸出來，形成激光。
也就是說要想發(fā)出激光，必須要達到諧振。
而諧振是光學(xué)諧振腔所給定的，給定的光學(xué)諧振腔在兩個反射鏡之間來回反射，**回到原點，相位是2π的整數(shù)倍的時候，這個波就被加強，達到諧振了。
光波如果折射到真空中的話，對應(yīng)的波長我們假設(shè)用 來表示， 表示在激活物質(zhì)內(nèi)部達到諧振狀態(tài)的波長。
那么
諧振波長：
諧振頻率：
其中，
與光學(xué)諧振腔內(nèi)材料的折射率n有關(guān)
q取值不同時（q=1,2，...為整數(shù)），對應(yīng)不同的 值，即有無窮多個諧振頻率。
不同的q對應(yīng)特定的波長/頻率，不是連續(xù)也不是任意的，必須要滿足諧振公式的波才能從諧振腔中發(fā)射出來。
（5）能量轉(zhuǎn)換效率：
輸出的激光功率與輸入的電功率的比值
1、固體激光器
特點：一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。工作介質(zhì)：在作為基質(zhì)材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子，激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同工作能級之間，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達100W以上，脈沖峰值功率可達109W。泵浦：直接倍頻LD輸出獲得紫外激光。通過二次倍頻紅外得到紫外，具有較高的光光轉(zhuǎn)換效率，但要求LD不僅能夠輸出較高，而且還必須實現(xiàn)單頻運；LD泵浦，非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的紫外激光器。該方法主要是利用激光二極管的發(fā)射帶與銣離子的吸收帶符合的很好，減少能量的內(nèi)積，從而降低熱透鏡效應(yīng)，改善光束質(zhì)量，獲得很高的泵浦效率波長范圍：可見光——近紅外波段代表：（1）YAG激光器可分為：Nd-YAG晶體、Ce-Nd-YAG晶體、Yb-YAG晶體、Ho-YAG晶體、Er-YAG晶體。Nd-YAG激光器：固體激光器，10 ** nm，Nd-YAG是目前綜合性能最為優(yōu)異的激光晶體，連續(xù)激光器的**輸出功率1000W，廣泛用于軍事、工業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)。若采用連續(xù)的方式運轉(zhuǎn)，采用一級振蕩可以獲得400W的多模輸出，若要輸出在百瓦級的激光器，采用單燈單棒，200W以上的采用雙燈單棒結(jié)構(gòu)。Nd-YAG激光器不僅適合連續(xù)，而且在高重頻下運轉(zhuǎn)性能也很優(yōu)越。重頻可達100~200次/s，**平均功率可400w。采用多級串聯(lián)來實現(xiàn)高功率輸出，目前平均功率**可達到上600~800瓦，重頻可達80~200次/s，單脈沖能量可達80J。Ce-Nd-YAG激光器：在Nd-AG晶體的基礎(chǔ)上添加Ce離子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce離子能對紫外光譜區(qū)光子能量產(chǎn)生很好的吸收，并且將能量以無輻射躍遷的方式傳遞給Nd離子，從而增加了光譜的利用率，因此效率高、閾值低、重復(fù)頻率特性好。Yb-YAG激光器：Yb3＋摻入YAG基質(zhì)中形成的一種產(chǎn)生1.03um近紅外激光的激光晶體，其與Nd-YAG屬于同一種基質(zhì)，但由于摻雜不同而導(dǎo)致生長工藝有所不同。摻Y(jié)b-YAG由于量子效率高，晶體光譜簡單，無激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，且無熒光濃度猝滅，摻雜濃度高，有較長的熒光壽命，吸收帶帶寬比Nd-YAG寬得多，能與二極管的泵浦波長有效耦合。在相同的輸入功率下，Yb-YAG泵浦生熱僅為Nd-YAG的1/4。而且YAG基質(zhì)的物化特性綜合性能最為優(yōu)良，所以Yb-YAG已成為最引人注目的固體激光介質(zhì)之一，LD泵浦的高功率Yb-YAG固體激光器成為新的研究熱點，并將其視為發(fā)展高效、高功率固體激光器的一個主要方向。Ho-YAG激光器：可產(chǎn)生對人眼安全的2097nm和2091nm激光，主要適用于光通信，雷達和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。Ho-YAG激光器對冷卻和干燥度有嚴格的要求，水冷控制在10攝氏度以下。干燥裝置要確保沒有水蒸氣的影響。處于對人眼安全波段的范圍內(nèi)，由于水吸收大，穿透深度非常淺，大大降低了對人體特別是對眼睛的意外傷害的可能性。Er-YAG激光器：輸出2.9um的波長，能被水吸收，主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中。該晶體主要吸收可見光和紫外光，所以光腔反射鏡的材料多使用又高反射的鋁和銀。目前Er-YAG激光器的**輸出功率可達3瓦，**脈沖輸出可達到5J。是迄今輸出功率**的效率**的長波長固體激光器。人體對2940nm的吸收是10 ** 0nm的十倍，所以激光外科和血管外科有很大的應(yīng)用潛力。（2）紅寶石激光器：紅寶石只能在低溫條件下實現(xiàn)連續(xù)輸出，而且閾值很高，所以至今還沒有造出在室溫下工作的輸出連續(xù)的紅寶石激光器。適合做單次或低重頻的脈沖激光器。單脈沖能量可達1~20J，重頻5~10，單脈沖能量可達1J左右。
?。?）銣玻璃激光器：銣玻璃也在室溫下難以運轉(zhuǎn)。適合做單次或低重頻的脈沖激光器。重頻限制在5次/s，單次脈沖能量可達10~80J。
2、氣體激光器
特點：氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場達60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。工作介質(zhì)：氣體激勵方式：氣體放電激勵，還可以采用電子束激勵、熱激勵、化學(xué)反應(yīng)激勵原理:放電管加上幾千伏高壓后，陰極上射出大量自由電子，與基態(tài)He原子碰撞，使之躍遷至激發(fā)態(tài)21S和23S，處于激發(fā)態(tài)的氦原子又與基態(tài)氖原子碰撞，使它們躍遷到激發(fā)態(tài)3S和2S，于是在3S一2P， 3S- ** 和2S- 2P三對能級之間，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，分別發(fā)射出三種波長的激光，采取抑制其中兩種波長的辦法得到一種波長輸出。波長范圍：真空紫外-遠紅外波段根據(jù)能級躍遷類型，可以分為原子、分子、離子、準分子激光器（1）原子氣體激光器工作物質(zhì)：中性氣體原子典型代表：He-Ne激光器：典型的惰性氣體原子激光器，輸出連續(xù)光，譜線有632.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近來又向短波延伸。這種激光器輸出地功率**能達到1W，但光束質(zhì)量很好，主要用于精密測量，檢測，準直，導(dǎo)向，水中照明，信息處理，醫(yī)療及光學(xué)研究等方面。發(fā)光波長：0.6328μm紅光，3.39μm，1.15μm紅外光輸出功率：較小（幾mW到100mW）能量轉(zhuǎn)換效率：0.01%應(yīng)用：精密計量、準直、測距、通訊、跟蹤及全息照相
（2）離子氣體激光器
工作物質(zhì)：離子氣體輸出波長：大多在紫外和可見光區(qū)域，輸出功率比原子氣體激光器高代表：Ar+激光器Ar離子激光器：典型的惰性氣體離子激光器，是利用氣體放電試管內(nèi)氬原子電離并激發(fā)，在離子激發(fā)態(tài)能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。它發(fā)射的激光譜線在可見光和紫外區(qū)域，在可見光區(qū)它是輸出連續(xù)功率**的器件，商品化的**也達30-50W。它的能量轉(zhuǎn)換率**可達0.6%，頻率穩(wěn)定度在3E-11，壽命超過1000h，光譜在藍綠波段（488/514.5），功率大，主要用于拉曼光譜、泵浦染料激光、全息、非線性光學(xué)等研究領(lǐng)域以及醫(yī)療診斷、打印分色、計量測定材料加工及信息處理等方面。輸出波長：最強的是0.488μm的藍光和0.5145μm的綠光輸出功率：達500MW/cm2，**可達150W，可見光譜中連續(xù)輸出功率**的氣體激光能量轉(zhuǎn)換效率：幾千分之一用途：彩色電視、全息照相、信息存儲、快速排字、理論研究、醫(yī)學(xué)、染料激光器泵浦源（3）分子氣體激光器工作介質(zhì)：中性氣體分子的激光器代表：二氧化碳激光器:波長為9~12um（典型波長10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束質(zhì)量好，功率范圍大（幾瓦之幾萬瓦），既能連續(xù)又能脈沖等多優(yōu)點成為氣體激光器中最重要的，用途最廣泛的一種激光器。主要用于材料加工，科學(xué)研究，檢測國防等方面。常用形式有：封離型縱向電激勵二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、軸快流高功率二氧化碳激光器、橫流高功率二氧化碳激光器。N2分子激光器：氣體激光器，輸出紫外光，峰值功率可達數(shù)十兆瓦，脈寬小于10ns，重復(fù)頻率為數(shù)十至數(shù)千赫，作可調(diào)諧燃料激光器的泵浦源，也可用于熒光分析，檢測污染等方面。輸出波長：10.6μm紅外效率：30%輸出功率：近似與管子長度成正比，很容易從1米長激光器中獲取100W連續(xù)功率輸出脈沖激光器輸出功率可達千兆瓦量級
（4）準分子激光器
工作介質(zhì)：稀有氣體或稀有氣體與鹵素氣體的混合氣體輸出波長：處于紫外波段的高效脈沖激光器，通常作為分光、激光加工、光刻的光源一般稀有氣體非常穩(wěn)定，很難與其他原子結(jié)合形成分子一旦被激發(fā)易與其他原子結(jié)合形成分子——準分子準分子：激發(fā)態(tài)很穩(wěn)定，基態(tài)不穩(wěn)定立即分解，因而可獲得理想的翻轉(zhuǎn)分布稀有氣體與鹵素氣體的不同組合所得激光波長不同以準分子為工作物質(zhì)的一類氣體激光器件。常用電子束（能量大于200千電子伏特）或橫向快速脈沖放電來實現(xiàn)激勵。當受激態(tài)準分子的不穩(wěn)定分子鍵斷裂而離解成基態(tài)原子時，受激態(tài)的能量以激光輻射的形式放出。準分子激光物質(zhì)具有低能態(tài)的排斥性，可以把它有效地抽空，故無低態(tài)吸收與能量虧損，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很容易，增益大，轉(zhuǎn)換效率高，重復(fù)率高，輻射波長短，主要在紫外和真空紫外（少數(shù)延伸至可見光）區(qū)域振蕩，調(diào)諧范圍較寬。它在分離同位素，紫外光化學(xué)，激光光譜學(xué)，快速攝影，高分辨率全息術(shù)，激光武器，物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，光通信，遙感，集成光學(xué)，非線性光學(xué)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)學(xué)，生物學(xué)以及泵浦可調(diào)諧染料激光器等方面已獲得比較廣泛的應(yīng)用，而且可望發(fā)展成為用于核聚變的激光器件。3、半導(dǎo)體激光器
工作介質(zhì)：以半導(dǎo)體材料（主要是化合物半導(dǎo)體）作為工作介質(zhì)。
工作原理是,通過一定的激勵方式,在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶(導(dǎo)帶與價帶)之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)(受主或施主)能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。發(fā)光波長隨禁帶寬度而改變。
波長范圍：近紅外波段
泵浦：電流注入
又可分為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體，異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體、量子阱半導(dǎo)體激光器
激勵方式主要有三種：即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導(dǎo)體激光器一般是由GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦),In ** (銻化銦)等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射；光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。目前最最常用的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器，常見為635紅光；氮化銦鎵 (InGaN) 二極管激光器，常見為532綠光和405藍光。二極管激光器發(fā)射的激光可以用高斯光束來進行描述，其特點是一個長條形的發(fā)射體，且在水平和垂直方向的發(fā)射角不同。通常在水平只有幾度，而垂直可達40度。在大多光耦合技術(shù)中，水平角忽略不計，將垂直的角作為而激光激光器的發(fā)散角。
主要應(yīng)用于電子信息。光纖通信、光傳感、光盤、激光打印、條形掃碼、集成光學(xué)領(lǐng)域。
400~780nm應(yīng)用用于條形掃描、檢測、光存儲、激光打印等。
790~1020nm的應(yīng)用于條形掃碼、激光打印、光存儲等領(lǐng)域。近年來大功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)有長足的進步，連續(xù)輸出功率可達1~20w。
1300 與1550 分別在硅光纖零色散和**損耗窗口，相應(yīng)的半導(dǎo)體主要用于長距離大容量干線光通信。
介于1300與1550之間的1480近年來輸出功率可達50~100mw。
目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術(shù)的發(fā)展大大推動了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。
4、液體激光器 其突出的優(yōu)點是輸出波長可調(diào)諧，它不僅可以獲得從0.3~1.3um光譜內(nèi)的可調(diào)諧的窄帶高功率激光，而且還可以通過混頻技術(shù)獲得從紫外到中紅外的可調(diào)諧相干光，因此目前主要用于光譜學(xué)研究。工作介質(zhì)：液體可分為無機液體和有機液體激光器，波長范圍：紫外-近紅外波段泵浦：波長少短于激光器輸出波長的光泵泵浦方式：橫向泵浦，泵浦光束與染料激光束垂直縱向泵浦：泵浦光束與染料光束同軸傾斜入射式泵浦：泵浦光束與染料激光束成一銳角代表：若丹明6G染料激光器
常用的是染料激光器，采用有機染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，使它也得到廣泛應(yīng)用。
5.自由電子激光器
輸出的激光波長與電子的能量有關(guān)：故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長，這叫做電壓調(diào)諧，其調(diào)諧范圍很寬，原則上可以在任意波長上運轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有的電子槍和加速器的實驗條件下，可以獲得從毫米波到光頻波段范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧的相干輻射。自由電子激光器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應(yīng)強度有關(guān)，它可望成為一種高平均功率、高效率（理論極限達40％）、高分辨率的具有穩(wěn)定功率和頻率輸出的激光器件，采用它能夠避免某些工藝上的麻煩（如激光工作物質(zhì)稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃），另外，它基本上不存在使用壽命問題。自由電子激光器在短波長、大功率、高效率和波長可調(diào)節(jié)這四大主攻方向上，為激光學(xué)科的研究開辟了一條新途徑，它可望用于對凝聚態(tài)物理學(xué)、材料特征、激光武器、激光反導(dǎo)彈、雷達、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線性以及瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，在通訊、激光推進器、光譜學(xué)、激光分子化學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、遙感等領(lǐng)域，它應(yīng)用的前景也很可觀。美國機載激光武器系統(tǒng)機載激光武器系統(tǒng)所使用的就是高能化學(xué)碘氧自由電子激光器（COIL）。
6.光纖激光器
工作物質(zhì)：以摻入某些激活離子的光纖，或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器分類：晶體光纖激光器，稀土類摻雜光纖激光器，塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光學(xué)激光器特點：具有總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長調(diào)諧范圍及器件結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以上轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低；輸出激光波長多：這是因為稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；可調(diào)諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種三維任意空間加工應(yīng)用，使機械系統(tǒng)的設(shè)計變得非常簡單。勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風(fēng)冷。高的電光效率：綜合電光效率高達20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。高功率,目前商用化的光纖激光器可達六千瓦。7.二極管泵浦固體激光器二極管激光器和二極管泵浦的固體激光器現(xiàn)已成為固體激光器發(fā)展的主流，合并轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，可靠性高，是至今**不需維護的激光系統(tǒng)，輸出質(zhì)量高，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等特點。二極管泵浦固體激光器的關(guān)鍵技術(shù)：光耦合技術(shù)，泵浦技術(shù)，冷卻技術(shù)與電源技術(shù)。這種激光器輸出功率可以大范圍變化，即從幾十瓦到幾千瓦，市場上商用**的可達6000w.
（1）單色性
（2）方向性
（3）相干性
（4）高亮度
激光模式分為縱膜和橫膜：
縱膜決定激光波長和頻率，波長對加工有很強影響，材料反射系數(shù)和吸收能量份額均取決于激光波長。
橫膜：決定激光光波場在空間的展開程度，高階膜展開比較寬，較為均勻，低階能量化比較集中。
工作表面某點吸收能量的多少由激光輸出功率和激光輻射時間共同決定。
偏振特性影響材料的吸收特性，進而影響激光加工時材料吸收能量的份額。
入射角小的情況下，材料表面對激光的反射特性和吸收特性受激光偏振特性影響較小。
五、光學(xué)基礎(chǔ)
（1）早期
在公元前5世紀，古希臘人提出“觸覺論”和“發(fā)射論”，觸覺論認為眼睛可“觸摸”問題的亮、暗、顏色等特質(zhì)，像身體其他感官部位一樣；發(fā)射論認為可見物體可發(fā)射光，視覺由光 ** 產(chǎn)生公元10世紀，發(fā)射論替代了觸覺論（2）幾何光學(xué)規(guī)律發(fā)展：公元前3世紀，歐幾里得（Eudid）發(fā)現(xiàn)光的直線傳播、鏡面反射定律一直到公元17世紀，眼鏡、透鏡、成像暗箱等光學(xué)器件出現(xiàn)17世紀，格里馬迪注意到衍射現(xiàn)象胡克發(fā)現(xiàn)了干涉現(xiàn)象牛頓發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán)惠更斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振性質(zhì)關(guān)于光速：伽利略做了一個實驗，即讓兩個人站在山峰上，**個人打開光，當?shù)诙€人看到光后立馬打開他那邊的光，**個人從打開光的時刻計時開始，到看到對面的光時計時結(jié)束。但由于人反應(yīng)大于光速，故實驗失敗而告終羅麥通過天文觀察測得了光速
（3）光的微粒說和波動說：
笛卡爾（牛頓）——微粒說（解釋直線傳播、反射；無法解釋干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象）惠更斯——波動說（光憑借以太波動傳播）——楊氏干涉實驗，提出干涉原理惠更斯菲涅爾原理、麥克斯韋認定光是一種電磁波
（4）波粒二象性：
洛倫茲——洛倫茲坐標變換愛因斯坦——質(zhì)能公式德布羅意——物質(zhì)波薛定諤——物質(zhì)波的波動方程狄拉克——引入了光子海森堡——不確定關(guān)系（5）現(xiàn)階段：在研究光與物質(zhì)微粒相互作用的過程時采用粒子模型；在研究光的傳播過程時采用波動模型。
