各類激光詳解
按激光光的收激物質(zhì)分類，主要的分類方式來(lái)分:
1、 絕緣固體激光(Solid state laser)
2、 液體激光
3、 氣體激光(Gaseous laser)
4、 化學(xué)激光(Chemical laser)
5、 半導(dǎo)體激光(Semiconductor laser)
6、 色中心(Color-center)激光
7、 自由電子 (Free electron) 激光
8、 倍頻(Frequency double)激光
1、絕緣固體激光(Solid state laser)
這種激光的激光介質(zhì)是摻有雜質(zhì)的絕緣質(zhì)固體，包括晶體激光、玻璃激光與光纖激光。晶體、玻璃與光纖是寄主材料(host material)，其中取代某些寄主離子的「雜質(zhì)(Impurity)」離子是激光的主動(dòng)介質(zhì)。例如紅寶石的寄主是三氧化二鋁晶體(Sapphire；常譯為「藍(lán)寶石」) ，主動(dòng)介質(zhì)是鉻【鉻讀作「各」】離子(Cr3+)。下文中，將用「Cr3+：Al2O3」這樣的記號(hào)表示主動(dòng)介質(zhì)與寄主，以及「鉻―氧化鋁激光」形式的記號(hào)表示激光名稱。
一種主動(dòng)介質(zhì)，可以摻入于幾種晶體、玻璃與光纖中。由于各寄主中的電子分布及對(duì)稱性有差別，所以同一種離子在其中的能階結(jié)構(gòu)及能階差有差異，產(chǎn)生的激光光波長(zhǎng)可能相近，但不會(huì)完全相同。例如，釹【釹讀作「女」】離子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波長(zhǎng)。以不同材料為寄主的其他差異，在于增益、散熱性、可用之晶體長(zhǎng)度等。這些因素會(huì)影響激光能達(dá)到的功率，因而影響商品規(guī)格及價(jià)格。
a、紅寶石(Ruby laser)激光
紅寶石激光可產(chǎn)生694.3 nm及692.8 nm的激光光，但后者的增益較低，一般都取其694.3 nm的輸出。
b、釹離子(Nd3+)的激光
釹離子的激光中，釹-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音譯，它代表釔鋁石榴石(Yttrium aluminum garnet；Y3Al5O12)。主動(dòng)介質(zhì)是YAG晶體中，取代約１%釔離子(Y3+)的釹離子。（釹離子的相關(guān)激光之波長(zhǎng)）
c、鈦-藍(lán)寶石(Titanium-sapphire)激光及其他可變頻固體激光
鈦-藍(lán)寶石激光的主動(dòng)介質(zhì)，是摻入Al2O3晶體中的Ti3+離子，它取代鋁離子。它有兩個(gè)特點(diǎn)：(1)輸出激光光頻率可在660至1,180 nm之間調(diào)變；(2)它可以產(chǎn)生短于100 fs的超短脈波。（可調(diào)波長(zhǎng)的固體激光）
d、其他固體激光
其他固體激光
2、液體激光
液體激光是以溶于溶劑的染料作為主動(dòng)介質(zhì)，通常稱為染料激光(Dye laser)。染料分子具有含多個(gè)苯環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它們的能階中，對(duì)應(yīng)于每個(gè)電子能階，有許多間隔細(xì)密的振動(dòng)能階，成帶狀分布，所以一個(gè)范圍內(nèi)的頻率，都能發(fā)生躍遷，而產(chǎn)生激光光。
另一方面，染料的能階結(jié)構(gòu)也使它能吸收頻率范圍相當(dāng)廣的激發(fā)光，這些頻率大多在紫外線和可見光波段。用不同的激發(fā)波長(zhǎng)照射一種染料，產(chǎn)生的激光光波長(zhǎng)也會(huì)不同。（薔薇紅6G激光光波長(zhǎng)數(shù)據(jù)）
一部可調(diào)變激光光波長(zhǎng)的裝置，可以產(chǎn)生多種需要的激光光，所以用途相當(dāng)廣。但是固體激光在體積、耗電量、電壓需求、冷卻需求、安全性、穩(wěn)定性方面的優(yōu)點(diǎn)，比染料激光高出許多。這些優(yōu)點(diǎn)使固體激光在小型化及可移植性(Portability)方面占盡優(yōu)勢(shì)。由于固體可變頻激光的適用波長(zhǎng)范圍仍多屬紅外線區(qū)，雖然可以藉放大器及非線性變頻裝置，產(chǎn)生波長(zhǎng)較短的高質(zhì)量光束，有許多波長(zhǎng)范圍仍未可及，所以染料激光在目前仍有存在及利用的空間。
3、氣體激光(Gaseous laser)
以氣體為主動(dòng)介質(zhì)的激光中，包括中性原子激光、離子氣體激光、金屬蒸汽激光、分子氣體激光、準(zhǔn)分子激光。分別介紹如下：
(1)、稀有氣體元素的中性原子激光與離子氣體激光
a、中性原子激光
中性原子激光與離子氣體激光的差別，在于前者的激光光來(lái)自中性原子能階( 如圖二所示氦原子與氖原子能階 )之間的躍遷，后者是離子的能階( 如Ar+,Kr+ )間之躍遷。因此，氬激光(Argon laser)與氬離子激光(Argon ion laser)并不相同，前者的激光光波長(zhǎng)屬于紅外線波段，后者則在可見光和紫外線區(qū)。但是，一方面氬激光很少見，另一方面為了便于稱呼，人們常將氬離子激光簡(jiǎn)稱為氬激光。不但中文敘述如此，英文文獻(xiàn)亦見此用法，所以在不致混淆的時(shí)候，仍可用氬激光稱呼氬離子激光。
中性原子激光中，最常見的是氦氖激光。它的紅光尤其為大家所熟悉。它的光色顯著，所以常用作非可見光激光中的指引光束(Guiding beam)。其優(yōu)越的同調(diào)性及方便的操作條件(只須氣冷、110V的電壓、價(jià)格相對(duì)地低廉)，使它廣用于掃描讀碼裝置及全像等。
b、離子激光
稀有氣體離子激光中，以氬離子激光及氪離子激光為最常見。除了直接利用之外，氬離子激光常以其紫外線及藍(lán)綠光激發(fā)染料激光。20W機(jī)型可產(chǎn)生275.4至1090.0 nm的一些激光光。主要的可見光波長(zhǎng)分別是514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。藍(lán)綠光波段中，最強(qiáng)而最常用的是514.5及488 nm。
氪離子激光可產(chǎn)生337.4至799.3 nm，最強(qiáng)的是647.1 nm，其次為413.1及530.9 nm。商品中，有將氬氣與氪氣混合的機(jī)型。
(2)、金屬蒸汽的中性原子激光與離子激光
a、中性原子激光
Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金屬的蒸汽，都是中性原子激光的主動(dòng)介質(zhì)。它們的蒸汽中，?；烊氲蛪毫Φ亩栊詺怏w，以提高放電效率。銅蒸汽激光商品可產(chǎn)生100W以上的綠光(511 nm)及黃光(578 nm)，金蒸汽激光則可得數(shù)十瓦的紅光 (628 nm)。
這兩種激光有很多用途，例如血紫質(zhì)衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光譜的峰值約為628 nm，而癌細(xì)胞能吸收此物質(zhì)。此物質(zhì)受到628 nm的激光光照射后會(huì)分解，產(chǎn)生可殺死癌細(xì)胞的物質(zhì)。不過(guò)，銅蒸汽激光激發(fā)染料激光，也可得到這種光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578 nm的激光可以除去某些胎記，效果優(yōu)于用氬離子激光。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
b、離子激光
金屬蒸汽離子激光中，氦鎘(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦鋅(He-Zn)等激光為此家族中之成員。氦鎘激光的325 nm紫外線，和441.6 nm藍(lán)光，是最常見的輸出。加上特殊設(shè)計(jì)時(shí)，它可同時(shí)產(chǎn)生紅光(635.6及636.0 nm)和綠光(533.7及537.8 nm)。它的短波長(zhǎng)成分，在信息處理方面很有用。適當(dāng)調(diào)配各波長(zhǎng)的輸出，幾乎可以產(chǎn)生所有可見光的顏色，因而它的白光激光產(chǎn)品也是有名的。儲(chǔ)存密度及鑒別能力的提高，使它在量度、檢驗(yàn)、記錄、印刷等方面有許多應(yīng)用。
(3)、分子氣體
二氧化碳激光和氮?dú)饧す馐亲畛Ｒ姷姆肿託怏w激光，其主要激光光分屬紅外線(10,640 nm)及紫外線(337 nm)。生物組織中的水分會(huì)吸收它的10,640 nm激光光，所以能用于手術(shù)，所需激光光功率約為50W。此外，非金屬材料的加工、金屬表面的熱處理、光譜學(xué)及光化學(xué)研究、環(huán)境遙測(cè)、測(cè)距、激發(fā)其他激光、產(chǎn)生離子體(俗稱電漿；Plasma)等，也都可用二氧化碳激光來(lái)進(jìn)行。
氮?dú)饧す獾淖贤饩€激光光，適合激發(fā)染料激光，及使多種物質(zhì)產(chǎn)生熒光，而可用于檢驗(yàn)及研究工作。其缺點(diǎn)在于效率及功率均低，每個(gè)脈波的能量大約只有10mJ，平均功率約為數(shù)百mW。
(4)、準(zhǔn)分子(Excimer)激光
準(zhǔn)分子一詞的原意，是「兩個(gè)同種原子組成，而只存在于受激態(tài)的分子」，如稀有氣體分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名為 Excited Dimer 組合成的術(shù)語(yǔ)。現(xiàn)在已經(jīng)將它的適用范圍放寬，以包括「不存在于基態(tài)，只以受激態(tài)呈現(xiàn)的任何雙原子分子(有時(shí)還包括三原子分子)」。重要的準(zhǔn)分子激光，以稀有氣體的鹵化物為主動(dòng)介質(zhì)，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因?yàn)槭芗B(tài)常以星號(hào)(*)上標(biāo)表示，所以有些數(shù)據(jù)上寫成ArF*等。
準(zhǔn)分子不會(huì)自然出現(xiàn)，而是在氣體混合物中放電時(shí)形成的。此外，用電子束撞擊，或在導(dǎo)波管型裝置中以微波激發(fā)，也都可以造成準(zhǔn)分子。它的激光光來(lái)自準(zhǔn)分子解離成原子的電子躍遷，所以其激光光屬紫外線，應(yīng)用于精細(xì)蝕刻(如電路制程)、化學(xué)蒸著(Chemical vapor deposition)、化學(xué)反應(yīng)研究及醫(yī)療上的用途較多。這些應(yīng)用中，有的是以準(zhǔn)分子激光激發(fā)可變頻激光之后進(jìn)行的。
商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等準(zhǔn)分子居多，激光光頻率分別是193、249、308、350 nm。
4、化學(xué)激光(Chemical laser)
由化學(xué)反應(yīng)造成居量反轉(zhuǎn)的激光，稱為化學(xué)激光。
在化學(xué)、軍事、材料研究與生物醫(yī)學(xué)方面，都有化學(xué)激光發(fā)揮所長(zhǎng)之處。例如氟化氫激光的光束可能是骨科手術(shù)所需要的。氟化氫激光中的反應(yīng)可表示為2F2 + H2 →2HF* + F2，其實(shí)它的細(xì)部反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：F + H2 →HF* + H ，F(xiàn)2 + H → HF* + F，而且可用放電使反應(yīng)啟動(dòng)。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有類似作用。
化學(xué)激光的波長(zhǎng)
5、半導(dǎo)體激光(Semiconductor laser)
半導(dǎo)體激光是用半導(dǎo)體制成的，其構(gòu)造及電性質(zhì)為二極管(Diode)，也就是具有兩個(gè)外接電路端點(diǎn)，分別位于其中的p型與n型部分，其間有個(gè)接面(Junction)。因此，半導(dǎo)體激光又名半導(dǎo)體二極管激光(Semiconductor diode laser)或二極管激光(Diode laser)。
電流較低時(shí)，它成為發(fā)光二極管(Light emitting diode；LED)，發(fā)出自發(fā)射的光；電流夠大的時(shí)候，才能造成自由電子的居量反轉(zhuǎn)。另一方面，制程中適當(dāng)?shù)牟襟E使二極管兩端具有相當(dāng)高的反射率，就具備激光所需要的條件。
半導(dǎo)體激光技術(shù)的研發(fā)，使半導(dǎo)體激光成為效率很高的激光，但散熱仍是重要問(wèn)題。此外，端射型及面射型激光數(shù)組的研發(fā)，使系統(tǒng)產(chǎn)生的光束在能量及控制方面提升許多。隨著半導(dǎo)體種類的擴(kuò)增，半導(dǎo)體激光能產(chǎn)生的波長(zhǎng)，也不斷增加。下表列出幾種室溫下操作的半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。
半導(dǎo)體激光的例子：
半導(dǎo)體激光的介質(zhì)體積小(典型尺寸約為10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作電流及電壓低，消耗能量少，所以為人們所樂(lè)于使用。用許多個(gè)半導(dǎo)體激光激發(fā)其他的固體激光，是一種很有價(jià)值的應(yīng)用。
6、色中心(Color-center)激光
堿金屬的鹵化物晶體中有某些雜質(zhì)時(shí)，受到適當(dāng)輻射照射后會(huì)顯現(xiàn)顏色。鹵化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等，雜質(zhì)則有Li、Na等。這些雜質(zhì)稱為「色中心」。
7、自由電子 (Free electron) 激光
自由電子激光(FEL)以極高真空中的高速自由電子為主動(dòng)介質(zhì)。其波長(zhǎng)可以調(diào)變，由微波到軟X射線都可能。因此是一部裝置可執(zhí)行多種功能。現(xiàn)在的研究方向之一，是開發(fā)桌上型的機(jī)種，以便擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，并降低價(jià)格。
8、倍頻(Frequency double)激光
倍頻激光實(shí)際上是加上倍頻晶體的激光，但是有些數(shù)據(jù)上用造成倍頻效應(yīng)的晶體稱呼它們，例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此，本文列出這一項(xiàng)，以引起讀者注意KDP及KTP并非激光的主動(dòng)介質(zhì)，并略為介紹此類晶體。倍頻是非線性光學(xué)晶體(Nonlinear optical crystal)的功能之一。選用晶體時(shí)，產(chǎn)生倍頻波的適用波段及轉(zhuǎn)換效率(Conversion efficiency)是重要指標(biāo)。其他要注意的項(xiàng)目包括是否會(huì)潮解、會(huì)造成損壞的光強(qiáng)度、晶體切割方向及鍍膜狀況等。
KDP是磷酸二氫鉀(KH2PO4)，為最早使用的倍頻晶體，某些條件下的轉(zhuǎn)換效率很高，但是會(huì)潮解，須注意防范。KTP是磷酸鉀鈦氧(KTiOPO4)，性能與KDP相似，但是不會(huì)潮解。偏硼酸鋇(Beta barium borate，β-BaB2O4； BBO)是較受重視的一種非線性光學(xué)晶體，它具有一些優(yōu)良性質(zhì)，但與其他晶體相同，并非適用于一切場(chǎng)合。舉例來(lái)說(shuō)，有些晶體適合產(chǎn)生二倍頻，但不適用于三倍頻。