常用激光器

    稀土激光材料的应用器件
    YAG∶Nd激光器
    这是用量最多、最成熟的激光晶体，对其需求占激光晶体的90%左右，在未来5年内仍为主体。材料加工是激光器巨大市场之一。CO2激光器与YAG∶Nd激光器在材料加工方面销售量之比为2∶1。
    光存贮激光器
    作为信息高速公路重要组成部分，市场潜力非常巨大，其中一部分属于光存储。提高存储密度的方法是用更短波长的激光，目前最佳选择是808微米的LED泵浦YVO4∶Nd晶体。
    2微米激光器
    Ho和Tm激光器有很大的市场潜力。由于Ho和Tm激光输出波长在2微米左右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。美国已批准20多种2微米激光在医疗临床使用。可治疗多种疾病。2微米激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于YAG∶Nd和CO2激光器。
    LED泵浦的固体激光器
    LED泵浦固体激光器其效率比灯泵浦提高10倍，全固体化可靠性提高100倍，在光存储、微细加工、有线电视、遥感、雷达等科研方面有巨大市场。LED泵浦激光材料主要有YAG∶Nd、YAG∶Tm、YVO4∶Nd、Y2SiO5∶Nd等。

    尽管发展到目前为止，激光器的种类繁多，数目不少，但经常为人们所采用、能定型批量生产或在不同程度上进入实用阶段的激光器件的数目还是很有限的。下面仅就其中最常用和最有代表性的几种分别加以简要介绍。
    红宝石激光器 　这是人们最早研制成功而至今仍被经常采用的一种固体激光器。其工作物质为红宝石晶体，化学表示式为Al2O3:Cr3+，是将作为发光中心的三价铬离子(Cr3+)掺入刚玉(Al2O3)基质中并经人工生长方法而成;整个晶体外观呈暗红色,并通常加工为圆棒状。采用光泵方法激励，室温下输出激光波长约为6943埃。通常情况下,是采用发光亮度较高的脉冲氙灯进行激励,可在较低重复频率下进行脉冲式运转;在某些特殊场合下，亦可采用连续光源激励而实现连续运转。
    红宝石激光器的主要优点是输出可见光波段的激光，可在室温下运转,工作晶体抗激光破坏能力强,器件尺寸可做得比较小，能获得较大功率的脉冲激光输出等;其不足之处是为产生激光振荡所必需的光泵阈值水平较高，激光振荡受工作晶体温度变化影响较为明显，晶体光学质量不够理想等。这种激光器主要用于激光测距、激光加工、激光全息技术、激光医学及实验室基本研究等方面。
    掺钕钇铝石榴石激光器(YAG 激光器) 这种激光器的工作物质是掺有三价钕离子(Nd3+)的钇铝石榴石晶体,其化学表示式为Y3Al5O12:Nd3+,呈浅紫色,通常加工成圆棒状。该种晶体的热传导性能较好，而且激光振荡特性受晶体温升变化又比较小，故这种激光器可在连续光泵(连续氪灯激励)条件下进行连续式运转，或者在较高重复脉冲(脉冲氙灯激励)条件下进行脉冲运转，输出激光波长为1.064微米。
    掺钕钇铝石榴石激光器 (简称为YAG激光器)的主要优点是为产生激光振荡所必需的光泵激励阈值较低，器件的能量转换效率较高，可在室温条件下进行较长期的连续运转或较高重复率(达每秒几十次以上)脉冲式运转;其不足之处是输出激光为人眼看不见的近红外光,因此在许多应用场合下需采用倍频(二次谐波)技术将1.06微米激光转换为0.53微米的绿色激光;此外，工作晶体受人工生长技术的限制不容易做得很大，且晶体本身抗激光破坏的能力不很强，因此不适于用来产生较高功率和较大能量的脉冲输出。这种激光器主要应用于激光测量、激光加工、激光治疗、激光泵浦、非线性光学以及实验室基本研究等方面。
    钕玻璃激光器工作物质是掺有三价钕离子 (Nd3+)的优质光学玻璃(常用者为硅酸盐玻璃),呈淡紫红色,通常情况下加工成圆棒状，特殊要求场合下亦可成片状或其他几何形状(见彩图)。采用光泵(脉冲氙灯)激励，输出激光波长为1.06微米，可在室温或高于室温的较大范围内进行单次脉冲运转或较低重复率情况下的重复脉冲运转。　钕玻璃激光器的主要优点是成本较低、器件的能量转换效率较高，特别是用现有方法可制备大体积、高质量、抗激光破坏能力强的钕玻璃工作物质，故可制成较大尺寸的器件，用来获得较高功率或较大能量(高于几千焦耳)的近红外脉冲激光输出。其不足之处是玻璃工作物质的热传导性能较差，故不适于作连续运转或较高重复率的脉冲运转。这种激光器主要应用于激光加工、激光治疗、激光测量、非线性光学与激光等离子体研究方面。
    氦氖激光器 　是一种典型的原子气体激光器，也是人们最早研制成功而且目前仍然是应用最广的一种气体激光器。工作物质为惰性气体氦(He)与氖(Ne)的混合物，通常采用直流气体放电进行激励，其中氦原子起能量转移作用，而氖原子起粒子数反转和发射激光的作用，通常输出为6328埃的红色可见激光，也可制成近红外波段的激光输出，工作状态为连续运转。
    氦氖激光器的主要优点是装置简单、成本低廉、操作简便、可长时间稳定运转以及输出为单色性较好的可见激光等;其主要不足之处是连续输出的激光功率水平较低(通常在毫瓦量级)。这种激光器主要用于激光准直、激光显示、精密测量与计量标准、全息照相与激光通信等方面。
    氩离子激光器 　这是一种典型的离子激光器，工作物质为惰性气体氩，工作气压一般在1托以下,以大电流直流放电进行激励,在氩离子(Ar+)的3p44p至3p44s电子组态间实现粒子数反转并产生相应的多条可见激光谱线发射，其中最强的激光谱线波长为4880埃和5145埃。
    氩离子激光器的主要优点是可以获得较高功率(几十瓦以上)的连续运转可见激光输出;不足之处是器件结构复杂、成本较高、能量转换效率较低等。这种激光器主要用于激光显示、信息处理、激光泵浦、全息照相以及激光光谱学研究等方面。
    二氧化碳激光器 　这是一种典型的分子气体激光器，工作物质为二氧化碳(CO2)分子气体,通常情况下采用气体放电进行激励;当器件用于连续运转时，工作物质气压较低(10托以下)，当器件用于脉冲状态时，工作物质气压较高(大于大气压);输出激光波长主要在10.6微米附近的中红外光谱区。
    二氧化碳激光器的主要优点是器件的能量转换效率较高(可达20%)，在脉冲运转情况下可获得大能量(几千焦耳以上)脉冲激光输出。这种激光器主要用于激光加工、激光治疗、激光通信、非线性光学激光光谱学与激光等离子体研究等方面。
    氮分子激光器　是一种工作在紫外波段的脉冲气体激光器。工作物质为氮分子(N2)气体，采用快速大电流脉冲放电进行激励，在氮分子的电子能级间实现粒子数反转和产生波长较短的激光发射，其输出波长主要分布在近紫外光谱区，其中以3371埃激光谱线为最常用;输出激光脉冲的时间宽度较窄,一般为纳(10-9)秒数量级;输出激光的脉冲峰值功率也较高,可达兆瓦量级以上;输出脉冲重复率可达每秒几十到几百次。
    氮分子激光器的主要优点是输出为近紫外激光，脉冲功率较高。困此适用于激光荧光分析、制造集成电路、激光育种、激光治疗、探测污染、激光泵浦以及用于非线性光学方面的基础研究等。
    准分子激光器 　这是一种特殊类型并且主要工作在紫外波段的气体激光器，工作物质为准分子气体。准分子是一种不稳定的处于激发状态的复合分子，通常情况下它从产生到消失所经历的时间很短(几十纳秒量级)。可产生激光作用的准分子气体大体可分为三类：即惰性气体准分子(如Xe2、Ar2等),惰性气体原子与卤素气体原子结合而成的准分子(如XeF、KrF、XeCl等)，以及金属原子与卤素原子结合而成的准分子 (如HgCl、CUF等)。这种激光器采用快放电激励或脉冲电子束注入激励;输出多条激光谱线且主要分布在光谱波段的近紫外区和真空紫外区。
    准分子激光器的主要优点是输出激光位于近紫外与真空紫外区，可获得较高功率和较大能量的脉冲激光输出，器件的能量转换效率较高。这种激光器的应用范围与氮分子激光器大致相同。
    可调谐染料激光器　这是一种典型的液体激光器，工作物质为有机染料溶液，可采用脉冲氙灯或由其他激光器发出的激光进行光泵激励;由于对选定的某种染料溶液而言，常常具有较宽的荧光发射谱带和相应的激光增益带宽，因此在激光器内采用适当的色散元件对振荡频率进行选择性控制之后，可在较宽光谱范围内(通常可达几百埃以上)获得单色性较好的可调谐激光输出;若进一步变换所使用的染料媒质的种类或组合方式，则可在更加宽广的光谱范围内(可达千埃以上)实现可调谐激光振荡。染料激光器可分别采用连续或重复脉冲两种方法运转，在以激光进行光泵激励的情况下，器件有较高的能量转换效率。在可见光谱区运转的染料激光器所使用的典型工作物质为若丹明 6G、若丹明B等类染料溶液。
    可调谐染料激光器主要应用于激光光谱学和非线性光学研究领域;此外,在激光显示、信息记录与存储、激光医学与生物学研究等方面也有其特殊的应用价值。
    半导体二极管激光器 　这是人们最早研制成功的一种典型的半导体激光器，其工作原理如图所示。在本质上，这种装置类似于一种单向(正)偏压发光二极管,在N区导带的底部集居着电子,而在P区价带的顶部集居着空穴;在正向偏压作用下，电子由N区进入P区，并在PN结(交界)区与空穴相复合而产生发光，发光光子能量约等于导带与价带之能量差;如果对PN结二极管施加的正向注入电流密度超过一定的阈值，使在PN结区由复合发光所决定的增益远大于各种可能的光损耗，就可以形成相干的激光振荡;此时，光学共振腔，可由垂直于结平面的两个平行晶体解理面构成。
    半导体PN结二极管激光器的主要优点是体积小、重量轻、成本低、效率高和使用寿命长。目前效果最好和使用最普遍的是双异质结型砷化镓(GaAs/GaAlAs)二极管激光器(见彩图)，可在室温条件下以较高重复脉冲率运转或连续运转，输出激光在0.8微米附近的近红外区,并可按一定方式在有限的光谱范围内进行调谐。
    半导体二极管激光器在激光通信、信息存储、处理与显示、激光测距、制导、夜视及激光光谱学研究等领域均有重要应用价值(见激光、激光器、激光单元技术)。