激光器（LASER）作为一种能产生高度相干光的特殊装置，其技术发展与应用拓展已深度渗透至电子制造、医疗、科研等多个领域。从 1960 年世界上第一台红宝石激光器诞生至今，不同类型的激光器凭借各自独特的结构与性能，在不同场景中发挥着不可替代的作用。了解激光器的核心构成、分类逻辑、性能参数及典型应用，是深入掌握这一技术的基础。
激光器的实现依赖于明确的结构组成与严谨的物理原理，其核心要素与工作机制共同决定了激光的产生与输出特性。
一、激光器的核心构成与工作原理
激光器的基本结构由工作介质、泵浦源和谐振腔三部分构成，三者协同作用，基于 “受激发射” 物理过程实现激光输出。
（一）核心组成部分
- 工作介质：作为激光产生的核心载体，负责实现光子的受激辐射放大，其材质直接决定激光器的类型与性能。常见的工作介质包括固体（如红宝石晶体、钇铝石榴石）、气体（如氦氖混合气体、二氧化碳）、液体（如有机染料溶液）及半导体材料（如砷化镓）等。
- 泵浦源：承担能量供给功能，通过光激励、电激励或化学能激励等方式，将工作介质中的粒子从基态激发至高能级，为粒子数反转创造条件。例如固体激光器常采用脉冲氙灯作为光泵浦源，半导体激光器则多通过电注入实现激励。
- 谐振腔：通常由两块表面镀有介质膜的反射镜组成，其中一块为全反镜，另一块为半反镜。其主要作用是形成光反馈，使受激辐射产生的光子在腔内多次反射并不断放大，最终满足阈值条件后形成稳定激光束从半反镜输出。
（二）基本工作原理
激光的产生需满足三个核心条件：实现粒子数反转、提供光反馈及满足激光振荡阈值。首先，泵浦源向工作介质输入能量，使介质中处于高能级的粒子数量超过低能级粒子，形成 “粒子数反转”；随后，自发辐射产生的光子在谐振腔内来回反射，引发大量粒子产生受激辐射，实现光的放大；当光放大强度超过腔内损耗时，即达到振荡阈值，激光便从谐振腔的半反镜端稳定输出。
二、激光器的多元分类体系
激光器的分类方式丰富多样，可根据工作方式、技术特性及工作介质等维度进行划分，不同分类标准下的激光器具有截然不同的性能特点。
（一）按工作方式划分
- 连续工作激光器：能够持续稳定地发射激光，仅需连续电源供电，但因长时间工作易产生大量热量，必须配备高效冷却装置。其工作物质需具备阈值低、热稳定性好的特点，如连续电激励的气体激光器和半导体激光器，适用于需要持续能量输出的场景。
- 脉冲工作激光器：以脉冲形式输出激光，具有较高增益和超阈输入承受能力。根据工作频率可分为单次工作（每隔数分钟工作一次）和重复频率工作（每分钟数次至每秒数百次）两类，适用于需要高峰值能量的应用场景。
（二）按激光技术划分
基于不同激光调控技术，可分为静态脉冲激光器、调 Q 激光器、锁模激光器等类型：
- 静态脉冲激光器：谐振腔 Q 值保持不变，输出脉冲能量较大但峰值功率不高，常用于激光打孔、焊接等工业加工领域；
- 调 Q 激光器：通过内置 Q 开关调节腔内 Q 值，可产生高能量、短脉冲激光束，广泛应用于激光测距、激光雷达等场景；
- 锁模激光器：利用锁模技术使腔内各振荡模相位同步，输出脉宽极窄、峰值功率极高的超短脉冲，是受控核聚变、光通信等领域的关键设备；
- 可调谐激光器：能够在一定波长范围内连续调节输出波长，涵盖气体、液体、固体等多种类型，适用于光谱学研究等需要灵活波长的场景。
（三）按工作介质划分
这是最常用的分类方式，可将激光器分为七大主要类型，其特性与应用各有侧重：
- 固体激光器：以玻璃或晶体为工作介质，具有体积小、效率高、输出功率大、波段覆盖广等优点，工作方式灵活多样，适用于工业加工、医疗等多个领域；
- 气体激光器：以气体或金属蒸汽为介质，激光振荡谱线最为丰富，具备结构简单、造价低廉、光束质量优秀、可长时间连续工作等特点，如氦氖激光器、二氧化碳激光器均属此类；
- 液体激光器：多以有机染料溶液为介质，最大优势是波长可在 0.3-1.3μm 范围内连续调谐，能获得窄带高功率激光，但介质寿命较短，输出功率受限；
- 半导体激光器：以半导体材料为工作介质，通过电注入等方式激励，具有体积小、质量轻、寿命长、结构坚固等优点，特别适用于飞机、宇宙飞船等移动平台，是电子信息、光通信领域的核心器件；
- 化学激光器：利用化学反应能量实现粒子数反转，无需外部泵浦源，可直接将化学能转化为激光能，在无电源环境下仍能工作；
- 光纤激光器：以掺稀土元素的玻璃光纤为介质，搭配正反馈回路构成谐振腔，具有转换效率高、散热性好、易与光纤系统连接等优势，在通信、工业制造中应用广泛；
- 自由电子激光器：以高能电子流为工作介质，通过调节电子速度和磁场周期可实现远紫外至毫米波段的波长调谐，调谐范围远超其他类型激光器。
三、激光器的关键性能指标
性能指标是衡量激光器适用性的核心依据，主要包括输出功率、波长、脉冲宽度等参数，这些指标共同决定了激光器的应用范围与工作效果。
（一）能量与功率相关指标
- 输出功率：分为平均功率（单位为瓦特 W）和峰值功率，连续波激光器以平均功率衡量，脉冲激光器则需同时考量峰值功率与脉冲能量（单位为焦耳 J），脉冲能量与平均功率成正比，与重复频率成反比；
- 重复频率：指单位时间内发射脉冲的次数，单位为赫兹（Hz）。低重复频率激光器适用于高能量单脉冲需求场景，如激光打孔；高重复频率激光器则适用于激光打印等高速加工场景。
（二）波长与时间特性指标
- 波长：决定光子能量，不同应用需匹配特定波长。例如氦氖激光器波长为 632.8nm（红光），Nd:YAG 激光器为 1064nm（红外），二氧化碳激光器为 10.6μm（远红外）；
- 脉冲宽度：描述脉冲激光器输出脉冲的时间长度，单位从纳秒（ns）到阿秒（as）不等。纳秒激光器适用于材料加工，皮秒、飞秒激光器则因超短脉冲特性，可实现高精度加工与超快光学研究。
（三）光束质量与稳定性指标
- 光束质量：以 M² 因子衡量，数值越接近 1 表示光束质量越好，发散性越小，聚焦性能越优异，直接影响加工精度与能量利用率；
- 能量稳定性：包括时间稳定性（连续工作时输出能量波动程度）和空间稳定性（光束能量在目标表面的均匀分布程度），稳定性差会导致加工质量下降或检测误差增大；
- 光斑直径：指激光束在目标表面形成的横截面直径，受发散角度、聚焦系统焦距等因素影响，较小的光斑直径可实现更高的加工分辨率。
四、典型激光器及其应用场景
不同类型的激光器因结构与性能差异，在各领域形成了明确的应用分工，以下为几种具有代表性的激光器及其应用特点。
（一）固体激光器典型代表
- 红宝石激光器：世界上第一台激光器，以红宝石晶体为介质，输出波长 694.3nm，虽光电转换率仅 0.1%，但荧光寿命长、脉冲峰值功率高，早期广泛用于激光切割、钻孔，且因 694nm 波长易被黑色素吸收，也用于色素性皮肤病变治疗；
- Nd:YAG 激光器：以掺钕的钇铝石榴石为介质，输出波长 1064nm，最大连续输出功率可达 1000W。采用激光二极管泵浦后，实现了高效率与长寿命，可用于外科手术、血管瘤治疗等医疗场景，也适用于工业加工。
（二）气体激光器典型代表
- 氦氖激光器：以氦氖混合气体为介质，可输出红、绿、黄等多种波长激光，其中 632.8nm 红光最为常用。虽输出功率较低，但光束质量优异、稳定性强，是精密计量、准直检测等领域的理想设备；
- 二氧化碳激光器：以二氧化碳混合气体为介质，输出 9.6μm 和 10.6μm 远红外光，能量转换率高，输出功率覆盖几瓦至几万瓦，可连续或脉冲输出，在材料加工、医疗、科研等领域应用广泛。
（三）半导体与光纤激光器
- 砷化镓激光器：典型的半导体激光器，1962 年研制成功，适用于中短距离光纤通信系统，凭借小巧坚固的结构，在电子信息设备中应用普遍；
- 光纤激光器：以掺稀土元素光纤为介质，结合高转换效率与良好散热性，可与光纤系统无缝连接，在激光通信、工业造船、汽车制造、激光雕刻等领域发挥着重要作用。
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