激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。
用光、电及其他办法对物质进行激励，使得其中一部分粒子激发到能量较高的状态，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用，也就是这种波长的光辐射通过物质时，会发射强度放大并与入射光波位、频率和方向一致的光辐射，这种称为激光放大器。
若把激发的物质放置于共振腔内，光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质，光辐射被放大许多倍，形成一束强度大、方向集中的光束激光，这就是激光振荡器。
激光器工作原理
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。
激光工作物质
是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。
激光器的种类是很多的。可以从激光工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类，下面就九种接触比较多的激光器原理及应用做一下全面介绍。
一、固体激光器
用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
工作物质：固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943埃)、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG,波长1.064微米）、氟化钇锂(LiYF4,简称YLF;Nd:YLF,波长1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF,波长2.06微米)等。
1973年以来又有一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分,因而激活离子浓度高,不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。主要品种有五磷酸钕(NdP5O14)、四磷酸锂钕(NdLiP4O12)和硼酸铝钕【NdAl3(BO4)3】等。它们多用熔盐法生长,晶体尺寸小，可用于小型固体激光器。
已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体,如终端声子跃迁的金绿宝石（Cr:BeAl2O4,波长0.701～0.815微米，室温工作）、掺镍氟化镁（Ni:MgF2,波长1.6～1.8微米，低温工作）、5d4f跃迁的掺铈氟化钇锂（Ce:YLF,波长0.306～0.315微米,用准分子激光器激励，室温工作）和碱卤化物的色心激光晶体（不掺杂或掺杂的氯化钾、氟化锂等，波长0.8～3.9微米，大多在低温下工作）。
激励源：固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。
特性：固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。经调Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。
固体激光器运用Q开关技术（见光调制）,可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。
由于工作物质的光学不均匀性等原因，一般固体激光器的输出为多模。若选用光学均匀性好的工作物质和采取精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限的基横模(TEM00)激光,还可获得单纵模激光。
应用和趋势：固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。
固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。
二、半导体激光器
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
半导体激光（Semiconductorlaser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laserdiode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。
激光二极体的优点有：效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。
工作原理：半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
发光部分：半导体激光器的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂），起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。
应用介绍：半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于）1Gh/。局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统.半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlA。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB一LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.
三、CO2激光器
工作原理：CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。
CO2激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。
光学谐振腔：CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8%，且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。
电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。
CO2激光器应用—CO2激光治疗外伤性面部瘢痕
1、色素沉着的问题：对于这个问题可以选择色素类的激光及强脉冲光来进行治疗，或者是现在较流行的点阵激光也可以（只是要注意它只是用于陈旧性的瘢痕色素的问题起作用，对新鲜瘢痕不建议使用）。
在治疗时应该根据瘢痕表面的色素的深浅（指瘢痕表面色素细胞的多少以及色素所在瘢痕的层次的深浅）、形成色素的时间长短来选择治疗参数，特别是强脉冲光的参数设置上应该选择脉宽、波长较短有利于色素细胞吸收的治疗参数，以免造成新的色素沉着，甚至新的瘢痕。
2、瘢痕表面凹凸不平的问题：针对这个问题的解决首选应该是激光磨削。用于激光磨削的仪器目前有新型的超脉冲CO2激光和铒激光，当然点阵激光严格来说也应该属于这一类激光，只是说相对而言它的损伤较小、恢复较快。
作用机理上新型高能超脉冲CO2激光和铒激光它们采用高峰值短脉冲技术，能使激光在整个短脉冲期保持高峰值能量，可在瞬间准确地汽化瘢痕组织，且其作用于瘢痕组织的时间短于向周围组织的热弛豫时间，因此可最大限度地减少组织热损伤这是从根本上不同于以往的普通CO2激光。超脉冲CO2激光和铒激光对真皮的热作用还能引起真皮胶原收缩、再生和重塑，从某种角度上说激光对瘢痕的磨削治疗可以使瘢痕在创伤后会向更好的方向上发展。
3、瘢痕外伤性的问题：这主要是见于皮肤搽伤及煤炭等异物经爆炸所形成的外伤性文身，针对这个问题主要是运用Q开关Nd:YAG激光来治疗，病变位置比较深，病变体积较大的皮损可以配合超脉冲CO2激光及手术进行治疗。激光治疗原理同于色素激光对太田痣等的治疗原理。
4、普通外科缝合后遗留的针眼瘢痕的问题：可以采用激光磨削的方式就可以完全解决了针眼的问题，至于中间瘢痕的问题要看情况有没有必要手术了。对于新鲜的伤口建议尽快进行激光治疗以及必要的NA物治疗，让针眼瘢痕消失在萌芽状态。
四、准分子激光器
准分子激光，是指受激二聚体所产生的激光。之所以产生称为准分子，是因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十毫微秒。准分激光是一种气体脉冲激光，所产生的是波长为193nm的准分子激光，它是一种超紫外线光波，此波长的激光吸收范围窄，激光的能量几乎完全被角膜上皮细胞和基质吸收，超过这个范围的组织不会吸收到激光，每一个激光脉冲可以切削0.2到0.25um厚度的生物组织，所以周围的组织不会损伤。
准分子激光与生物组织作用时发生的不是热效应，而是光化反应，所谓光化反应，是指组织受到远紫外光激光作用时，会断裂分子之间的结合键，将组织直接分离成挥发性的碎片而消散无踪，对周围组织则没有影响，达到对角膜的重塑目的，能精确消融人眼角膜预计去除的部分空间精确度达细胞水平，不损伤周围组织。它的波长短，不会穿透人的眼角膜，因此对于眼球内部的组织没有任何不良的作用。
准分子激光在医学上主要用于屈光不正的治疗，如用PRK、LASIK、LASEK等方法进行屈光不正的治疗，是目前临床上应用比较普遍、安全、快捷、有效、稳定的屈光不正治疗方法。
准分子激光首先被应用在工业上:
美国IBM公司开始使用并且改进准分子激光技术，主要应用在计算机芯片的制造以及塑料物质上蚀刻精确的图形。
1980年IBM公司应用193nm准分子激光刨光钻石。
1982年IBM将准分子激光技术应用在半导体光刻工艺中.
1986年AT&T贝尔实验室研制出第一台准分子激光分步投影光刻机.
目前准分子激光已广泛应用在临床医学以及科学研究与工业应用方面，如：钻孔、标记表面处理、激光化学气相沉积，物理气相沉积，磁头与光学镜片和硅晶圆的清洁等方面,微机电系统相关的微制造技术.
小结
激光器的分类有很多种方式，根据工作物质，激励方式不同等等，编者这里主要介绍固体激光器、半导体激光器、CO2激光器、准分子激光器工作原理和应用，还有光纤激光器、太赫兹等在下篇文章中继续讲述。
(审核编辑: 智汇张瑜)
