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激光是什么？激光器分类根据什么？

作者:奥固鸿已有:N多人关注

激光是60年代初出现的一种新颖光源。它的发光方式不同于普通光源。普通光源的发光是由于原子核周围的电子从高能极向低能级迁时放出光子而发光。在一般情况下，原子核周围的电子处于自然状态——低能态（或称基态），这时电子所处位置称为低能级，物体并不发光。当原子受到外界影响（如加热、放电、光照等）时，处于低能级的电子就跳到高能级，使原子处于高能状态。电子在高能级是一种不稳定状态，它要自发地向低能级跃迁，同时辐射出光子，使物体发光。这种发光状态叫做自发辐射。普通的白炽灯、水银灯等都属于这种状态。在普通的发光体里，处于高能态的原子数量较低能态的原子数量总是要少，因而它的发光能力总是不会很高。但对某些所谓激光物质，当它受到外界影响（如光照）时，大量处于低能级的电子跳到高能级，使处于高能态的原子数量较低能态的要多，即所谓“粒子数反转”，这时如有适当能量的外来光子刺激（感应）处于高能状态的原子，就会引起高能级上的电子向低能级跃迁，并发出和外来光子相同的光子，使物体发光。由于这种发光状态是受外来刺激而辐射出来的，因此称为受激辐射（激光）。辐射出来的光子为外来光子和电子跃迁时放出的光子，也就是说辐射出来的光要较外来光亮的多，这就是所谓光放大。激光器的英文名称Laser即英文受激辐射放大的缩写。当然，实际上激光器的工作不仅仅是上述一次放大，而是通过激光器内谐振腔的作用，反复进行放大、振荡，然后输出，因而有很大的亮度。下图是常见的氦氖气体激光器示意图，放电管2用硬质玻璃或石英玻璃制成，内充氦氖气体。储气套3使激光器有较长工作寿命。4为圆筒形阴极，6为阳极。1、5为反射镜（构成谐振腔），其中一块用于输出激光的窗口、反射率为93.5~99%，另一块要求反射率在99%以上。两块反射镜的反射面要严格平行。当玻璃管内的两个电极没有接通时，氦氖气体的原子处于基态，没有光辐射。给两个电极机上电压，使气体放电，产生光辐射。这时的光辐射还是属于一般光辐射，光子的方向是杂乱无章的，其中有些逸出管外；有的垂直射到反射镜表面。这些垂直射到反射镜表面的光子被反射回去，成为“初始信号”，它们激发工作气体的原子成高能态，再放出光子，然后再被反射镜反射回去，再激发工作气体放出光子，循环往复而使反射光不断地被放大到一定程度后，其中一部分光线透过反射率稍低的那块反射镜射出，另一部分仍被反射回去，再激发工作物质而发射光子。当然，反射光的放大并不是无限的，它受各种因素的影响而到一定程度就不能再增大。但较普通光源来说，由于多次的光放大而变得非常强。

由于只有垂直射到反射镜表面的光子才能在两反射镜之间来回反射，直到最后输出，因此，输出光束的发散角很小，即方向性好，能量也非常集中，这也是激光高亮度的原因之一。激光的单色性好也与谐振腔有关。从图可以看出，谐振腔的两块反射镜类似于前面介绍过的多光束干涉的两块反射镜。设两块反射镜之间的距离为L，激光的某一束光纤在反射镜之间来回反射，就形成了一组平行光，从反射镜输出后都是相干光。任意两条相邻的相干光的光程差Δ彼此相等，即
Δ=2nLcosα
式中α为反射光束与镜面法线间的夹角，取α≈0，则的cosα=1。谐振腔内气体折射率近似取为1，则公式就称为
Δ=2L
当Δ=2L=kλ时（k=0,1,2,…..）,光束相干后得到最大光强度。由此可见，能够被增强的光束的波长与谐振腔的长度L有关，即
λ=2L/K
或者根据λ=c/ν改写为
ν=Kc/2L
称为共振（谐振）条件或驻波条件。频率ν称为谐振频率或共振频率，也称纵模。至于那些满足多光束干涉光强度极小条件的波，则被滤掉而无输出。适当选择谐振腔的长度和采取一系列的选频稳频措施，就可使激光器实现单模输出，即输出光纤具有良好的单色性。
以上以氦氖气体（原子状态）为工作物质的气体激光器为例，简要地介绍了激光器的工作原理。气体激光器是目前种类最多，应用最广泛的一种激光器。
激光器发展迅速，种类繁多，下表列出了四类激光器及其中一些激光器的名称。

类别		名称
气体激光器	中性原子激光器	氦氖激光器
	离子激光器	氩离子激光器、氪离子激光器
	分子激光器	二氧化碳激光器、氯化氢激光器、H2O激光器
固体激光器	晶体激光器	红宝石激光器、钇铝石榴石（YAG）激光器
	非晶体（玻璃）激光器	钕玻璃激光器
	塑料激光器
液体激光器	无机液体激光器	二氯氧化硒（SeOCl2）激光器
液体激光器	有机液体激光器	螯合物激光器、燃料激光器
半导体激光器	P-n结激光器	G2A3、aSb激光器
	电子束激励激光器	CdS,ZnS激光器
	光激励半导体激光器	G2As PbTe激光器