1.储备知识1.光子

  光具有能量、动量和质量、粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）。

  物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕原子核运动。原子中电子的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子将处于一些固定的能量水平，不同的能量水平对应于不同的电子能量，远离原子核的轨道能量越高。此外，不同的轨道最多可以容纳不同的电子数量，如**轨道（也是最近的原子核轨道）最多只能容纳2个电子，更高的轨道可以容纳8个电子等。

  通过吸收或释放能量，电子可以从一个能级转移到另一个能级。例如，当电子吸收光子时，它可能会从低能级转移到高能级。同样，高能电子也会通过发射光子跳到较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是等于这两个能级的能量差。由于光子能决定了光的波长，吸收或释放的光具有固定的颜色。

  使原子产生共振，从而产生跳跃。光子的能量必须等于两个能级之间的能量差。光子的能量大于或小于这个值，不能使原子产生共振或跳跃。

  h为普朗克常量，V光子频率。

  使原子电离，如果原子吸收的能量正好等于电离能，原子正好电离；如果吸收的能量大于电离能，原子电离，电离电子有动能，等于吸收的能量与电离能的差异；如果吸收的能量小于电离能，就不会发生电离。

  实物粒子碰撞：

    当两个粒子碰撞时，如果只交换粒子平移能量，内部能量保持不变，则称为弹性碰撞；原子或分子内部能量增减称为非弹性碰撞

  非弹性碰撞分为两种：如果部分能量转化为内部能量，刺激原子跳跃，称为**种非弹性碰撞；如果原子内部能量减少，释放的部分能量转化为平移能量，则称为第二种非弹性碰撞

  如果原子与原子之间的碰撞发生跳跃，必须使原子的动能比被激发跳跃的能级值大得多。

 电子通过非弹性碰撞使原子跃迁，电子具有的动能必须大于或等于原子两个能级之差。 

(5)跳跃时释放的光子数量和类型

4.自发辐射

  它是指高能电子在没有外部作用的情况下自发迁移到低能水平，并产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为hv=E2-E1.即两个能级之间的能量差。这种辐射的特点是每个电子的跳跃都是自发独立的，其过程没有外部影响，也没有关系。因此，它们的光子状态是不同的。光相干性差，方向分散。

  受激吸收是指低能原子吸收外部辐射，跳到高能态。从低能级到高能级，电子可以吸收光子。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等）是由于原子中的电子在受到外部能量（如光能、电能、热能等）的影响时吸收外部能量，从低能级转移到高能级，即原子受到刺激。激发过程是一个激发吸收过程。

受激辐射是指光子中的高能电子 ** 或者在感应下，跳到低能级，辐射出与入射光子频率相同的光子。受激辐射**的特点是受激辐射产生的光子与受激辐射产生的原始光子完全相同。它们的频率和方向相同，无法区分两者之间的差异。这样，一个光子通过一次受激辐射变成两个相同的光子。这意味着光被加强，或者光被放大。这是激光产生的基本过程：光子射入物质诱导电子从高能级转移到低能级，并释放光子。入射光子与释放的光子具有相同的波长和相位，对应于两个能级之间的能量差。一个光子诱导一个原子发射一个光子，**变成两个相同的光子。

  在原子系统中，总有一些原子处于高能级，有些处于低能级。自发辐射产生的光子可以去 ** 高能原子产生受激辐射，也可能被低能原子吸收。因此，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在于光与原子系统的相互作用中。

如果你想获得越来越强的光，即产生越来越多的光子，你必须使受激辐射产生的光子超过受激吸收的光子。在光子的作用下，高能原子产生受激辐射的机会与低能原子相同。这样，光的放大取决于高低能原子数量的比例。如果高能原子远远超过低能原子，我们就会得到高度放大的光。然而，在通常的热平衡原子系统中，原子数量遵循玻尔兹曼的分布规律。因此，高能级原子数总是低于低能级原子数。在这种情况下，为了放大光线，必须在非热平衡系统中找到。

诱发光子不仅会引起受激辐射，还会引起受激吸收。因此，只有当高能原子数量超过低能原子数量时，受激辐射才能超过受激吸收，并具有优势。可以看出，为了使光源发射激光，而不是发射普通光的关键是发光原子在高能级上的数量远远超过低能级，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于**能级(基态)。因此，如何在技术上实现粒子数反转是激光产生的必要条件。那怎样才能达到粒子数反转状态呢？这需要激活媒体。所谓激活媒体(也称为放大媒体或放大媒体)，是一种能在两个能级之间反转粒子数的物质。它可以是气体、固体或液体。不可能用二能系统激活媒体，实现粒子数反转。要获得粒子数反转，必须使用多能系统。 

  在通常的热平衡条件下，处于高能级E2上原子数密度N2.远低于低能级原子数密度，因为当能级E的原子数密度N随能级E的增加而降低，即N∝exp(-E/kT)，这就是著名的波耳兹曼分布规律。

因此，两个能级上的原子数密度比为：N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 中k是波耳兹曼常量，T绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，**个激发态能量是E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0  可见，在20℃几乎所有的氢原子都处于基态，要使原子发光，必须提供能量使原子达到激发态，因此，广义上的发光包括受激吸收和自发辐射。一般来说，这种光源辐射光的能量不强，向四面八方发射会分散能量。

  1917年，爱因斯坦在量子理论基础上提出：物质与辐射场相互作用中，构成物质的原子和分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收。即激光的英文名来源——Light amplification by stimulated emission of radiation,LASER；中文名称是19 ** 根据中国著名科学家钱学森的建议，将光受激发射改为激光。

  1960年，梅曼（Theodore H. Mai ** n）世界上**个红宝石固态激光器（rugby laser）

  1961年，气体激光器——氦氖激光器；我国**台红宝石激光器诞生

  1962年，半导体激光器

  1963年 ,二氧化碳激光器

  1965年，YAG激光器

  1980年，准分子Kr激光器

  1988年，倍频泵浦YAG激光器

 主要的分类方法是根据激光分类：

（1）固体激光(Solid state laser) 

  该激光介质是一种与杂质混合的绝缘固体，包括晶体激光、玻璃激光和光纤激光。晶体、玻璃和光纤是寄主材料(host  ** terial)，取代一些寄主离子的寄主离子「杂质(Impurity)」离子是激光的主动介质。

  例如，红宝石的寄主是三氧化二铝晶体(Sapphire；常译为「蓝宝石」) ，主动介质是铬铬阅读「各」】离子(Cr3 )。将在下文中使用「Cr3 ：Al2O3」这样的标志表示主动介质和寄主，以及「铬―氧化铝激光」激光名称表示形式标记。在几种晶体、玻璃和光纤中、玻璃和光纤混合。由于各寄主的电子分布和对称性不同，同一离子的能阶结构和能阶差不同，激光波长可能相似，但不完全相同。

  比如钕钕读作「女」】离子(Nd3 )激光接近1μm但波长不相等。以不同材料为寄主的其他区别在于增益、散热、可用晶体长度等。这些因素会影响激光的功率，从而影响商品的规格和价格。

  a、红宝石(Ruby laser)激光 红宝石激光可产生694.3 nm及692.8 nm激光，但后者增益较低，一般取其694.3 nm的输出。

  b、钕离子(Nd3 )的激光 钕-雅克(Nd-YAG)激光是最著名的。YAG它代表了一种代表性的石榴石(Yttrium aluminum garnet；Y3Al5O12)。主动介质是YAG晶体中，取代约１%钇离子(Y3 )钕离子。

  c、钛-蓝宝石(Titanium-sapphire)激光等可变频固体激光 钛-蓝宝石激光的主动介质是掺入的Al2O3晶体中的Ti3 用铝离子代替离子。它有两个特点:(1)输出激光的频率可以是660到180 nm两者之间的调变；(2)它能产生不到100 fs超短脉波。(固体激光可调波长)

  d、其它固体激光  其它固体激光

(2)液体激光

  液体激光以溶剂染料为主动介质，通常称为染料激光(Dye laser)。染料分子结构复杂，含有多个苯环。在它们的能阶中，与每个电子能阶相对应，有许多间隔精细的振动能阶，分布成带状，因此一个范围内的频率可以跳跃并产生激光。另一方面，染料的能阶结构也使其能够吸收相当广泛的激发光，主要在紫外线和可见光波段。用不同的激发波长照射染料会产生不同的激光波长。（蔷薇红6G激光波长数据)一种可调激光波长的装置，能产生多种激光，因此应用广泛。但固体激光在体积、积、功耗、电压需求、冷却需求、安全性和稳定性方面的优势远高于染料激光。这些优点使固体激光小型化和可移植(Portability)占优势。由于固体可变频激光的应用波长范围仍然是红外区域，虽然放大器和非线性变频装置可以产生短波长的高质量光束，但仍有许多波长范围，因此染料激光仍有存在和利用的空间。

(3)气体激光(Gaseous laser) 

  以气体为主动介质的激光中，包括中性原子激光、离子气体激光、金属蒸汽激光、分子气体激光、准分子激光。分别介绍如下：

  1)稀有气体元素的中性原子激光和离子气体激光

  a、中性原子激光

  中性原子激光和离子气体激光的区别在于前者激光来自中性原子能阶( 如图2所示，氦原子和霓原子能阶 )后者是离子的能阶( 如Ar ,Kr  )间之跃迁。因此，氩激光(Argon laser)氩离子激光(Argon ion laser)前者的激光波长属于红外波段，后者在可见光和紫外线区。但氩离子激光一方面很少见，另一方面为了方便称呼，人们常称氩离子激光为氩激光。不仅是中文叙述，英文文献也是如此，氩激光在不混淆的情况下仍然可以称为氩离子激光。氦霓虹激光是中性原子激光中最常见的激光。它的红光尤其为大家所熟悉。其光色明显，常用作非可见光激光中的指引光束(Guiding beam)。同调性优越，操作条件方便(只需气冷，110V电压和价格相对较低)，广泛用于扫描读码装置和全像。

  b、离子激光

  氩离子激光和氪离子激光是稀有气体离子激光中最常见的。氩离子激光除直接使用外，还常用紫外线和蓝绿光激发染料激光。20W机型可产生275.4至1090.0 nm一些激光。主要可见光波长为514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。在蓝绿常用的蓝绿光波段是514.5及488 nm。氪离子激光产生337.4至799.3 nm，最强的是 ** 7.1 nm，其次为413.1及530.9 nm。商品中，有将氩气与氪气混合的机型。

　　2)金属蒸汽的中性原子激光与离子激光

　　a、中性原子激光

　　Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金属的蒸汽，都是中性原子激光的主动介质。它们的蒸汽中，常混入低压力的惰性气体，以提高放电效率。铜蒸汽激光商品可产生100W以上的绿光(511 nm)及黄光(578 nm)，金蒸汽激光则可得数十瓦的红光 (628 nm)。这两种激光有很多用途，例如血紫质衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光谱的峰值约为628 nm，而癌细胞能吸收此物质。此物质受到628 nm的激光光照射后会分解，产生可杀死癌细胞的物质。不过，铜蒸汽激光激发染料激光，也可得到这种光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578 nm的激光可以除去某些胎记，效果优于用氩离子激光。

　　b、离子激光

　　金属蒸汽离子激光中，氦镉(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦锌(He-Zn)等激光为此家族中之成员。氦镉激光的325 nm紫外线，和441.6 nm蓝光，是最常见的输出。加上特殊设计时，它可同时产生红光(635.6及636.0 nm)和绿光(533.7及537.8 nm)。它的短波长成分，在信息处理方面很有用。适当调配各波长的输出，几乎可以产生所有可见光的颜色，因而它的白光激光产品也是有名的。储存密度及鉴别能力的提高，使它在量度、检验、记录、印刷等方面有许多应用。 

　　3)分子气体

　　二氧化碳激光和氮气激光是最常见的分子气体激光，其主要激光光分属红外线(10, ** 0 nm)及紫外线(337 nm)。生物组织中的水分会吸收它的10, ** 0 nm激光光，所以能用于手术，所需激光光功率约为50W。此外，非金属材料的加工、金属表面的热处理、光谱学及光化学研究、环境遥测、测距、激发其他激光、产生离子体(俗称电浆；Plas ** )等，也都可用二氧化碳激光来进行。氮气激光的紫外线激光光，适合激发染料激光，及使多种物质产生荧光，而可用于检验及研究工作。其缺点在于效率及功率均低，每个脉波的能量大约只有10mJ，平均功率约为数百mW。

　　4)准分子(Excimer)激光

　　准分子一词的原意，是「两个同种原子组成，而只存在于受激态的分子」，如稀有气体分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名为 Excited Dimer 组合成的术语。现在已经将它的适用范围放宽，以包括「不存在于基态，只以受激态呈现的任何双原子分子(有时还包括三原子分子)」。重要的准分子激光，以稀有气体的卤化物为主动介质，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因为受激态常以星号(*)上标表示，所以有些数据上写成ArF*等。准分子不会自然出现，而是在气体混合物中放电时形成的。此外，用电子束撞击，或在导波管型装置中以微波激发，也都可以造成准分子。它的激光光来自准分子解离成原子的电子跃迁，所以其激光光属紫外线，应用于精细蚀刻(如电路制程)、化学蒸着(Chemical vapor deposition)、化学反应研究及医疗上的用途较多。这些应用中，有的是以准分子激光激发可变频激光之后进行的。商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等准分子居多，激光光频率分别是193、249、308、350 nm。

（4）化学激光(Chemical laser) 

　　由化学反应造成居量反转的激光，称为化学激光。在化学、军事、材料研究与生物医学方面，都有化学激光发挥所长之处。例如氟化氢激光的光束可能是骨科手术所需要的。氟化氢激光中的反应可表示为2F2 + H2 →2HF* + F2，其实它的细部反应是链式反应：F + H2 →HF* + H ，F2 + H → HF* + F，而且可用放电使反应启动。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有类似作用。化学激光的波长

（5）半导体激光(Semiconductor laser) 

　　半导体激光是用半导体制成的，其构造及电性质为二极管(Diode)，也就是具有两个外接电路端点，分别位于其中的p型与n型部分，其间有个接面(Junction)。因此，半导体激光又名半导体二极管激光(Semiconductor diode laser)或二极管激光(Diode laser)。电流较低时，它成为发光二极管(Light emitting diode；LED)，发出自发射的光；电流够大的时候，才能造成自由电子的居量反转。另一方面，制程中适当的步骤使二极管两端具有相当高的反射率，就具备激光所需要的条件。半导体激光技术的研发，使半导体激光成为效率很高的激光，但散热仍是重要问题。此外，端射型及面射型激光数组的研发，使系统产生的光束在能量及控制方面提升许多。随着半导体种类的扩增，半导体激光能产生的波长，也不断增加。下表列出几种室温下操作的半导体激光的波长数据。

　　半导体激光的例子：半导体激光的介质体积小(典型尺寸约为10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作电流及电压低，消耗能量少，所以为人们所乐于使用。用许多个半导体激光激发其他的固体激光，是一种很有价值的应用。

（6）色中心(Color-center)激光

　　碱金属的卤化物晶体中有某些杂质时，受到适当辐射照射后会显现颜色。卤化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等，杂质则有Li、Na等。这些杂质称为「色中心」。

 （7）自由电子 (Free electron) 激光

　　自由电子激光(FEL)以极高真空中的高速自由电子为主动介质。其波长可以调变，由微波到软X射线都可能。因此是一部装置可执行多种功能。现在的研究方向之一，是开发桌上型的机种，以便扩大应用场合，并降低价格。

（8）倍频(Frequency double)激光

　　倍频激光实际上是加上倍频晶体的激光，但是有些数据上用造成倍频效应的晶体称呼它们，例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此，本文列出这一项，以引起读者注意KDP及KTP并非激光的主动介质，并略为介绍此类晶体。

　　倍频是非线性光学晶体(Nonlinear optical crystal)的功能之一。选用晶体时，产生倍频波的适用波段及转换效率(Conversion efficiency)是重要指标。其他要注意的项目包括是否会潮解、会造成损坏的光强度、晶体切割方向及镀膜状况等。KDP是磷酸二氢钾(KH2PO4)，为最早使用的倍频晶体，某些条件下的转换效率很高，但是会潮解，须注意防范。KTP是磷酸钾钛氧(KTiOPO4)，性能与KDP相似，但是不会潮解。偏硼酸钡(Beta barium borate，β-BaB2O4；BBO)是较受重视的一种非线性光学晶体，它具有一些优良性质，但与其他晶体相同，并非适用于一切场合。举例来说，有些晶体适合产生二倍频，但不适用于三倍频 。

　　非接触加工

　　热影响区小

　　加工灵活（激光易于聚焦、发散和导向，不受电磁干扰可在大气环境中加工）

　　微区加工（光斑可以聚焦到波长级别）

　　可透过透明介质对内部工件加工

　　可加工高硬度高脆性和高熔点的金属非金属材料

　　激光技术应用最重要的三个方面：激光加工、激光通讯、激光医疗

　　激光材料去除加工：激光打孔、切割、雕刻和刻蚀

　　激光材料增长加工：激光焊接、激光烧结、激光快速成型

　　激光材料改性：激光热处理、强化、涂覆、合金化、非晶化、微晶化等

　　激光微细加工

　　其他加工：激光清洗、激光复合加工、激光抛光

　　激光通信分为有线和无线激光通信两种，无线通信可分为点对点、点对多点、环形或网状通信

　　点对点的激光通信原理及国内外发展概况：激光大气通信的发送设备主要由：激光器、光调制器、光学发射天线、接收设备主要由光学接收天线、光检测器等组成信息发送时，先转换成电信号，再由光调制器将其调制在激光器产生的激光束上，经光学天线发送出去，信息接收时，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后，送至光检测器恢复至电信号，还原为信息。

　　当辐射场作用于物质时，受激辐射、受激吸收、自发辐射并存；在热平衡状态下，物质位于基态粒子束大于处在激发态粒子数，故而吸收入射光多于放大入射光；此时需施加泵浦源反转粒子数，使受激辐射占主导作用；当光强I（z）沿方向Z入射时，在介质作用下以放大系数放大，而光强放大是以牺牲反转粒子数为代价，故增益系数由于粒子数减少而趋于增益饱和，最多达到平衡的光强。

　　以红宝石激光器为例，原子首先吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。原子处于受激态的时间非常短，大约为10－7秒后，它便会落到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是10－3秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是粒子数反转。其产生的结果就导致使通过受激辐射由亚稳回到基态（E1）的原子，比通过受激吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证介质内的光子可以增多，从而形成激光。这就是典型的激光三能级系统。

　　当粒子受外界能量激励从E1到E3，由于E3能级寿命短，很快转移到E2上，因能级E2为亚稳态，在E2、E1间实现粒子数反转分布。由于下能级E1为基态，通常总是积聚着大量的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到E2上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。而我们所用的YAG激光系统属于四能级系统。如所示，能级E1为基态，E2、E3、E4为激发态。在外界激励的条件下，基态E1上的粒子大量被激发到E4上，又迅速转移到E3上，E3能级为亚稳态，寿命较长。而E2能级寿命很短，E2上的粒子又很快跃迁到基态E1，所以，四能级系统中，粒子数反转是在E3与E2间实现。  也就是说，能实现粒子数反转的激光下能级是E2，不像三能级系统那样，为基态E1。因为E2不是基态，所以在室温下，E2能级上的粒子数非常少。因而粒子数反转在四能级系统比三能级系统容易实现。常见激光器中，除掺钕钇铝石榴石（简Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或四个能级。

　　增益系数：光放大作用的大小通常用增益系数G描述，即光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数

　　损耗系数：光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分数

　　增益饱和效应，光强要增加，则反转粒子数会下降，而增益系数也会下降，进而光强增长变缓。

　　常规激光器包括三部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

　　激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。显然，亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。

　　为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

　　气体放电：高电压下，气体分子电离放电，与被电场加速电子碰撞，吸收能量后跃迁；

　　光激励：光照射工作物质，其吸收光能后产生粒子数反转；

　　热能激励：高温加热使高能级粒子数增多，后突然降低温度，由于高、低能级弛豫时间不同而使粒子数反转。

　　有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。还需要将辐射的光进行放大，于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。

所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去，部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的，经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。作用：正反馈，即初始光强往返传播增加长度选模：即控制腔内振荡光束特征，限制在所决定的少数本征模式中。分类：稳定腔（近轴光束不横向逸出）、非稳定腔（腔的几何偏折损耗高）、临界腔

　　对激光器有不同的分类方法，

　　一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。

　　另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，

　　还可以按发光功率大小分为：超大功率、大功率、中功率、小功率

　　在一个截面为椭圆形的腔体内，两个焦点上分别放置激光棒和氪灯，在一个焦点上（氪灯）发出一定波长的光，经过反射腔体内壁的反射，会聚在腔体的另一个焦点上（激光棒），使工作物质里的粒子受到激发，粒子受激吸收后，处于低能态的原子由于吸收了外界辐射而发生能级跃迁，继而释放出激光，产生的激光在全反射镜片和部分反射镜片之间进行来回振荡，当能量达到一定值时，就可以从部分反射镜片透过，这就实现了激光的输出。

（1）平均衰减系数α

表示谐振腔内损耗的大小

　　αr——谐振腔反射镜的透射损耗引起的衰减系数

　　αi——是除谐振腔反射镜损耗以外的其他所有损耗所引起的衰减系数

　　l——光学谐振腔的两个反射镜之间的距离，腔长

　　r1、r2——腔的两个反射镜的功率反射系数

（2）增益系数G

　　表示激活物质的放大作用

　　G表示光通过单位长度的激活物质后，光强所增长的百分比。

（3）阈值条件

　　其中Gt为阈值增益系数

　　增益等于损耗为阈值条件，光的强度一定要抵消损耗，才会有多余的光输出来。

　　激光器能产生激光振荡的**限度称为激光器的阈值条件。

　　激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗，损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。

（4） 谐振频率

　　原来有一个波，走一圈回到原来的地方，相位差是2π的整数倍，那么这个波肯定会被加强。

　　只有满足公式的波长才能在激光器中不断被放大，**达到谐振状态，抵消损耗了，才会有多余的光输出来，形成激光。

　　也就是说要想发出激光，必须要达到谐振。

　　而谐振是光学谐振腔所给定的，给定的光学谐振腔在两个反射镜之间来回反射，**回到原点，相位是2π的整数倍的时候，这个波就被加强，达到谐振了。

　　光波如果折射到真空中的话，对应的波长我们假设用 来表示， 表示在激活物质内部达到谐振状态的波长。

　　那么

　　谐振波长：

　　谐振频率：

　　其中，

与光学谐振腔内材料的折射率n有关

　　q取值不同时（q=1,2，...为整数），对应不同的 值，即有无穷多个谐振频率。

　　不同的q对应特定的波长/频率，不是连续也不是任意的，必须要满足谐振公式的波才能从谐振腔中发射出来。

 （5）能量转换效率：

输出的激光功率与输入的电功率的比值

1、固体激光器 

特点：一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。工作介质：在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子，激光跃迁发生在激活离子的不同工作能级之间，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。泵浦：直接倍频LD输出获得紫外激光。通过二次倍频红外得到紫外，具有较高的光光转换效率，但要求LD不仅能够输出较高，而且还必须实现单频运；LD泵浦，非线性光学频率转换的紫外激光器。该方法主要是利用激光二极管的发射带与铷离子的吸收带符合的很好，减少能量的内积，从而降低热透镜效应，改善光束质量，获得很高的泵浦效率波长范围：可见光——近红外波段代表：（1）YAG激光器可分为：Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、Er-YAG晶体。Nd-YAG激光器：固体激光器，10 ** nm，Nd-YAG是目前综合性能最为优异的激光晶体，连续激光器的**输出功率1000W，广泛用于军事、工业和医疗等行业。若采用连续的方式运转，采用一级振荡可以获得400W的多模输出，若要输出在百瓦级的激光器，采用单灯单棒，200W以上的采用双灯单棒结构。Nd-YAG激光器不仅适合连续，而且在高重频下运转性能也很优越。重频可达100~200次/s，**平均功率可400w。采用多级串联来实现高功率输出，目前平均功率**可达到上600~800瓦，重频可达80~200次/s，单脉冲能量可达80J。Ce-Nd-YAG激光器：在Nd-AG晶体的基础上添加Ce离子形成Ce-Nd-YAG。利用Ce离子能对紫外光谱区光子能量产生很好的吸收，并且将能量以无辐射跃迁的方式传递给Nd离子，从而增加了光谱的利用率，因此效率高、阈值低、重复频率特性好。Yb-YAG激光器：Yb3＋掺入YAG基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体，其与Nd-YAG属于同一种基质，但由于掺杂不同而导致生长工艺有所不同。掺Yb-YAG由于量子效率高，晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭，掺杂浓度高，有较长的荧光寿命，吸收带带宽比Nd-YAG宽得多，能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下，Yb-YAG泵浦生热仅为Nd-YAG的1/4。而且YAG基质的物化特性综合性能最为优良，所以Yb-YAG已成为最引人注目的固体激光介质之一，LD泵浦的高功率Yb-YAG固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。Ho-YAG激光器：可产生对人眼安全的2097nm和2091nm激光，主要适用于光通信，雷达和医学应用。Ho-YAG激光器对冷却和干燥度有严格的要求，水冷控制在10摄氏度以下。干燥装置要确保没有水蒸气的影响。处于对人眼安全波段的范围内，由于水吸收大，穿透深度非常浅，大大降低了对人体特别是对眼睛的意外伤害的可能性。Er-YAG激光器：输出2.9um的波长，能被水吸收，主要应用在医学中。该晶体主要吸收可见光和紫外光，所以光腔反射镜的材料多使用又高反射的铝和银。目前Er-YAG激光器的**输出功率可达3瓦，**脉冲输出可达到5J。是迄今输出功率**的效率**的长波长固体激光器。人体对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应用潜力。（2）红宝石激光器：红宝石只能在低温条件下实现连续输出，而且阈值很高，所以至今还没有造出在室温下工作的输出连续的红宝石激光器。适合做单次或低重频的脉冲激光器。单脉冲能量可达1~20J，重频5~10，单脉冲能量可达1J左右。

　　（3）铷玻璃激光器：铷玻璃也在室温下难以运转。适合做单次或低重频的脉冲激光器。重频限制在5次/s，单次脉冲能量可达10~80J。

2、气体激光器 

特点：气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一种。工作介质：气体激励方式：气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励原理:放电管加上几千伏高压后，阴极上射出大量自由电子，与基态He原子碰撞，使之跃迁至激发态21S和23S，处于激发态的氦原子又与基态氖原子碰撞，使它们跃迁到激发态3S和2S，于是在3S一2P， 3S-  ** 和2S- 2P三对能级之间，形成粒子数反转，分别发射出三种波长的激光，采取抑制其中两种波长的办法得到一种波长输出。波长范围：真空紫外-远红外波段根据能级跃迁类型，可以分为原子、分子、离子、准分子激光器（1）原子气体激光器工作物质：中性气体原子典型代表：He-Ne激光器：典型的惰性气体原子激光器，输出连续光，谱线有632.8nm（最常用），1015nm，3390nm，近来又向短波延伸。这种激光器输出地功率**能达到1W，但光束质量很好，主要用于精密测量，检测，准直，导向，水中照明，信息处理，医疗及光学研究等方面。发光波长：0.6328μm红光，3.39μm，1.15μm红外光输出功率：较小（几mW到100mW）能量转换效率：0.01%应用：精密计量、准直、测距、通讯、跟踪及全息照相

（2）离子气体激光器

工作物质：离子气体输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高代表：Ar+激光器Ar离子激光器：典型的惰性气体离子激光器，是利用气体放电试管内氩原子电离并激发，在离子激发态能级间实现粒子数反转而产生激光。它发射的激光谱线在可见光和紫外区域，在可见光区它是输出连续功率**的器件，商品化的**也达30-50W。它的能量转换率**可达0.6%，频率稳定度在3E-11，寿命超过1000h，光谱在蓝绿波段（488/514.5），功率大，主要用于拉曼光谱、泵浦染料激光、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。输出波长：最强的是0.488μm的蓝光和0.5145μm的绿光输出功率：达500MW/cm2，**可达150W，可见光谱中连续输出功率**的气体激光能量转换效率：几千分之一用途：彩色电视、全息照相、信息存储、快速排字、理论研究、医学、染料激光器泵浦源（3）分子气体激光器工作介质：中性气体分子的激光器代表：二氧化碳激光器:波长为9~12um（典型波长10.6um）的CO2激光器因其效率高，光束质量好，功率范围大（几瓦之几万瓦），既能连续又能脉冲等多优点成为气体激光器中最重要的，用途最广泛的一种激光器。主要用于材料加工，科学研究，检测国防等方面。常用形式有：封离型纵向电激励二氧化碳激光器、TEA二氧化碳激光器、轴快流高功率二氧化碳激光器、横流高功率二氧化碳激光器。N2分子激光器：气体激光器，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。输出波长：10.6μm红外效率：30%输出功率：近似与管子长度成正比，很容易从1米长激光器中获取100W连续功率输出脉冲激光器输出功率可达千兆瓦量级

（4）准分子激光器

工作介质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体输出波长：处于紫外波段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激光加工、光刻的光源一般稀有气体非常稳定，很难与其他原子结合形成分子一旦被激发易与其他原子结合形成分子——准分子准分子：激发态很稳定，基态不稳定立即分解，因而可获得理想的翻转分布稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。准分子激光物质具有低能态的排斥性，可以把它有效地抽空，故无低态吸收与能量亏损，粒子数反转很容易，增益大，转换效率高，重复率高，辐射波长短，主要在紫外和真空紫外（少数延伸至可见光）区域振荡，调谐范围较宽。它在分离同位素，紫外光化学，激光光谱学，快速摄影，高分辨率全息术，激光武器，物质结构研究，光通信，遥感，集成光学，非线性光学，农业，医学，生物学以及泵浦可调谐染料激光器等方面已获得比较广泛的应用，而且可望发展成为用于核聚变的激光器件。3、半导体激光器 

工作介质：以半导体材料（主要是化合物半导体）作为工作介质。

工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。发光波长随禁带宽度而改变。

波长范围：近红外波段

泵浦：电流注入

又可分为同质结半导体，异质结半导体、量子阱半导体激光器

激励方式主要有三种：即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),In ** (锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射；光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。目前最最常用的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器，常见为635红光；氮化铟镓 (InGaN) 二极管激光器，常见为532绿光和405蓝光。二极管激光器发射的激光可以用高斯光束来进行描述，其特点是一个长条形的发射体，且在水平和垂直方向的发射角不同。通常在水平只有几度，而垂直可达40度。在大多光耦合技术中，水平角忽略不计，将垂直的角作为而激光激光器的发散角。

　　主要应用于电子信息。光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形扫码、集成光学领域。

　　400~780nm应用用于条形扫描、检测、光存储、激光打印等。

　　790~1020nm的应用于条形扫码、激光打印、光存储等领域。近年来大功率半导体激光器已经有长足的进步，连续输出功率可达1~20w。

　　1300 与1550 分别在硅光纤零色散和**损耗窗口，相应的半导体主要用于长距离大容量干线光通信。

介于1300与1550之间的1480近年来输出功率可达50~100mw。

目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。

4、液体激光器 其突出的优点是输出波长可调谐，它不仅可以获得从0.3~1.3um光谱内的可调谐的窄带高功率激光，而且还可以通过混频技术获得从紫外到中红外的可调谐相干光，因此目前主要用于光谱学研究。工作介质：液体可分为无机液体和有机液体激光器，波长范围：紫外-近红外波段泵浦：波长少短于激光器输出波长的光泵泵浦方式：横向泵浦，泵浦光束与染料激光束垂直纵向泵浦：泵浦光束与染料光束同轴倾斜入射式泵浦：泵浦光束与染料激光束成一锐角代表：若丹明6G染料激光器

常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。

5.自由电子激光器

输出的激光波长与电子的能量有关：故改变电子束的加速电压就可以改变激光波长，这叫做电压调谐，其调谐范围很宽，原则上可以在任意波长上运转。在现有的电子枪和加速器的实验条件下，可以获得从毫米波到光频波段范围内的连续调谐的相干辐射。自由电子激光器的输出功率与电子束的能量、电流密度以及磁感应强度有关，它可望成为一种高平均功率、高效率（理论极限达40％）、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件，采用它能够避免某些工艺上的麻烦（如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃），另外，它基本上不存在使用寿命问题。自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长可调节这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，它应用的前景也很可观。美国机载激光武器系统机载激光武器系统所使用的就是高能化学碘氧自由电子激光器（COIL）。

6.光纤激光器

工作物质：以掺入某些激活离子的光纤，或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器分类：晶体光纤激光器，稀土类掺杂光纤激光器，塑料光纤激光器和非线性光学效应光学激光器特点：具有总增益高、阈值低、能量转换效率高、很宽的波长调谐范围及器件结构紧凑等突出特点光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势；玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故；玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低；输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多；可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种三维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。高功率,目前商用化的光纤激光器可达六千瓦。7.二极管泵浦固体激光器二极管激光器和二极管泵浦的固体激光器现已成为固体激光器发展的主流，合并转换效率高，稳定性好，可靠性高，是至今**不需维护的激光系统，输出质量高，体积小，结构紧凑等特点。二极管泵浦固体激光器的关键技术：光耦合技术，泵浦技术，冷却技术与电源技术。这种激光器输出功率可以大范围变化，即从几十瓦到几千瓦，市场上商用**的可达6000w.

 （1）单色性

 （2）方向性

 （3）相干性

 （4）高亮度

　　激光模式分为纵膜和横膜：

　　纵膜决定激光波长和频率，波长对加工有很强影响，材料反射系数和吸收能量份额均取决于激光波长。

　　横膜：决定激光光波场在空间的展开程度，高阶膜展开比较宽，较为均匀，低阶能量化比较集中。

　　工作表面某点吸收能量的多少由激光输出功率和激光辐射时间共同决定。

　　偏振特性影响材料的吸收特性，进而影响激光加工时材料吸收能量的份额。

　　入射角小的情况下，材料表面对激光的反射特性和吸收特性受激光偏振特性影响较小。

五、光学基础

（1）早期

在公元前5世纪，古希腊人提出“触觉论”和“发射论”，触觉论认为眼睛可“触摸”问题的亮、暗、颜色等特质，像身体其他感官部位一样；发射论认为可见物体可发射光，视觉由光 ** 产生公元10世纪，发射论替代了触觉论（2）几何光学规律发展：公元前3世纪，欧几里得（Eudid）发现光的直线传播、镜面反射定律一直到公元17世纪，眼镜、透镜、成像暗箱等光学器件出现17世纪，格里马迪注意到衍射现象胡克发现了干涉现象牛顿发现了牛顿环惠更斯发现了光的偏振性质关于光速：伽利略做了一个实验，即让两个人站在山峰上，**个人打开光，当第二个人看到光后立马打开他那边的光，**个人从打开光的时刻计时开始，到看到对面的光时计时结束。但由于人反应大于光速，故实验失败而告终罗麦通过天文观察测得了光速

（3）光的微粒说和波动说：

笛卡尔（牛顿）——微粒说（解释直线传播、反射；无法解释干涉、衍射、偏振等现象）惠更斯——波动说（光凭借以太波动传播）——杨氏干涉实验，提出干涉原理惠更斯菲涅尔原理、麦克斯韦认定光是一种电磁波

（4）波粒二象性：

洛伦兹——洛伦兹坐标变换爱因斯坦——质能公式德布罗意——物质波薛定谔——物质波的波动方程狄拉克——引入了光子海森堡——不确定关系（5）现阶段：在研究光与物质微粒相互作用的过程时采用粒子模型；在研究光的传播过程时采用波动模型。