摘要：激光器是一种能够产生并发射激光的装置，在诸多领域发挥着关键作用。其独特的结构与精妙的工作原理，共同铸就了激光卓越的特性，使其广泛应用于工业、医疗、科研等领域。下面，让我们一同深入了解激光器的结构与工作原理。
激光器是一种能够产生并发射激光的装置，在诸多领域发挥着关键作用。其独特的结构与精妙的工作原理，共同铸就了激光卓越的特性，使其广泛应用于工业、医疗、科研等领域。下面，让我们一同深入了解激光器的结构与工作原理。
一、激光器的核心结构
激光器主要由三大核心部件构成，这些部件的设计，直接决定了激光的波长、功率、光束质量等重要特性。
1. 增益介质（Active Medium）
◦ 作用：增益介质的主要功能是实现粒子数反转，并对光信号进行放大，这是产生激光的关键环节。
◦ 类型：
▪ 气体：常见的有氦氖（He - Ne）气体、二氧化碳（CO₂）气体等。
▪ 固体：比如掺钕 YAG 晶体、掺镱光纤等。
▪ 半导体：典型的如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等半导体材料。
▪ 液体：像含有罗丹明 B 的有机染料溶液，便是液体增益介质的一种。
◦ 关键特性：增益介质的能级结构，决定了最终输出激光的波长。而其几何形状，例如光纤的细长结构，对散热效果和光束质量有着重要影响。
1. 泵浦源（Pump Source）
◦ 作用：泵浦源的任务是向增益介质注入能量，促使粒子从低能态跃迁到高能态，为实现粒子数反转创造条件。
◦ 类型：
▪ 光泵浦：在固体激光器和光纤激光器中，常采用半导体激光器作为泵浦源。早期的固体激光器则多使用闪光灯进行光泵浦。
▪ 电泵浦：如 He - Ne 激光器通过气体放电实现电泵浦，半导体激光器则是通过电流注入的方式来实现。
▪ 化学泵浦：以 HF 激光器为例，它通过化学反应释放能量，从而实现泵浦。
◦ 效率：在各类泵浦源中，半导体泵浦的效率最高，可达约 50%，而闪光灯泵浦的效率较低，通常小于 5%。
1. 谐振腔（Resonator）
◦ 结构：谐振腔一般由全反射镜和部分反射镜这两个反射镜组成，以此形成光学反馈机制。
◦ 作用：
▪ 增强光放大：光在两个反射镜之间多次往返，延长了与增益介质的相互作用时间，进而增强了光的放大效果。
▪ 选频与模式控制：谐振腔能够限制输出激光的频率，并对横模进行控制，例如实现 TEM₀₀模输出。
◦ 类型：
▪ 直线腔：常见于 He - Ne 激光器。
▪ 环形腔：在光纤激光器中应用较为广泛。
▪ 折叠腔：这种结构在固体激光器中有助于缩短体积。
二、工作原理：从粒子数反转到激光输出
激光器的工作过程，可概括为以下四个关键步骤：
1. 泵浦与粒子数反转
◦ 泵浦源将能量传递给增益介质中的粒子（原子、分子或离子），使粒子从基态跃迁到高能态。
◦ 粒子数反转：在特定条件下，高能态的粒子数超过低能态的粒子数，这种违背热平衡分布的状态，为受激辐射的发生提供了必要条件。
◦ 寿命差异：部分高能态具有较长的寿命，例如亚稳态，这有利于维持粒子数反转状态。
1. 自发辐射与受激辐射
◦ 自发辐射：处于高能态的粒子会随机地跃迁回基态，并释放出光子。这些光子的相位和方向是随机的。
◦ 受激辐射：当外来光子与高能态粒子相互作用时，会诱发高能态粒子跃迁，使其释放出与外来光子频率、相位、方向都相同的光子，这一过程是光放大的核心机制。
◦ 爱因斯坦系数：爱因斯坦系数用于描述自发辐射与受激辐射的概率关系，其中 A 系数对应自发辐射，B 系数对应受激辐射。
1. 光放大与阈值条件
◦ 光子在谐振腔内往返传播时，受激辐射产生的光子数量呈指数增长，实现光的放大（增益）。
◦ 阈值条件：要使激光能够持续输出，增益必须超过损耗，这些损耗包括反射镜的吸收、散射等。
◦ 增益饱和：随着输出功率的不断增加，粒子数反转程度逐渐减小，当达到一定程度时，增益趋于稳定。
1. 激光输出
◦ 部分反射镜允许大约 1% - 5% 的光透过，从而形成激光束输出。
◦ 单色性：谐振腔具有频率选择特性，使得输出激光的带宽极窄，例如 He - Ne 激光器的带宽小于 1kHz。
◦ 方向性：受激辐射产生的光子沿着谐振腔的腔轴方向传播，发散角极小，接近衍射极限。
三、关键技术与典型应用
1. 调 Q 技术
◦ 原理：调 Q 技术通过控制谐振腔的损耗，先将能量存储起来，然后瞬间释放，从而产生高峰值功率脉冲。
◦ 应用：在激光打标、激光测距等领域应用广泛，其脉宽可达纳秒级，峰值功率可达 GW 级。
1. 锁模技术
◦ 原理：锁模技术强迫谐振腔内所有纵模的相位同步，进而形成飞秒量级的超短脉冲。
◦ 应用：常用于眼科手术（如 LASIK）、材料微加工以及光通信等领域。
1. 光纤激光器的独特优势
◦ 结构：光纤激光器中，光纤兼具增益介质和波导的双重功能，集成度高。
◦ 散热：由于光纤的表面积与体积比大，散热效果良好，适合高功率连续输出，功率可达 kW 级。
◦ 应用：在激光切割（如汽车制造领域）、海底光缆通信等方面发挥着重要作用。
四、总结
激光器通过 “泵浦→粒子数反转→受激辐射→光放大” 这一循环过程，将低品质的能量转化为具有优异单色性、相干性和方向性的激光。不同类型的激光器，如 CO₂激光器、光纤激光器、半导体激光器等，因其结构上的差异，在工业加工、医疗、通信等各个领域展现出独特的应用价值。展望未来，随着材料科学和量子技术的不断发展，激光器将朝着更高功率、更短脉冲、更宽波长覆盖的方向持续迈进，为更多领域带来创新与突破。
来源：芯灵贴片机配件
