激光是受激輻射光放大的縮寫(xiě)。當(dāng)然，激光器*初是由分立元件組成的。*基本的激光器由含有激光介質(zhì)的圓柱體組成，激光介質(zhì)是一種當(dāng)暴露于外部能量源時(shí)會(huì)發(fā)光的材料。增益介質(zhì)可以是氣體、液體、固體或等離子體。**個(gè)工作激光器采用摻雜合成紅寶石棒作為增益介質(zhì)。如今，許多激光器都采用氣體激光介質(zhì)。

該圓柱體被稱為光學(xué)腔，其尺寸被設(shè)計(jì)成能夠在所需的光頻率下諧振。圓柱體的兩端各有一面鏡子。鏡子的反射面朝內(nèi)并且彼此**對(duì)準(zhǔn)。反射表面允許光子通過(guò)增益介質(zhì)來(lái)回反射，它們的能量從外部能量源(稱為泵)上升。一面鏡子是完全反光的。另一個(gè)通常具有 95% 的反射率，允許發(fā)射一部分光子以形成相干激光束。

激光發(fā)射過(guò)程從將能量泵入增益介質(zhì)開(kāi)始。激發(fā)機(jī)制通常是光。泵浦使大部分增益介質(zhì)分子進(jìn)入激發(fā)態(tài)。一些泵入的能量存儲(chǔ)在受激分子內(nèi)的電子中。當(dāng)電子自發(fā)下降到較低狀態(tài)或基態(tài)時(shí)，這種能量就會(huì)被釋放。這種自發(fā)發(fā)射釋放的一些光子通過(guò)側(cè)面離開(kāi)增益介質(zhì)，而其他光子則充當(dāng)產(chǎn)生受激發(fā)射的觸發(fā)器，當(dāng)釋放的光子經(jīng)過(guò)仍處于激發(fā)態(tài)的分子附近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生受激發(fā)射。

受激發(fā)射釋放的光子是相干的并且沿同一方向傳播。因此，當(dāng)光穿過(guò)活性介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光子雪崩。光子撞擊部分反射鏡，使一部分光以激光束的形式射出。其余的光反射回增益介質(zhì)。只要能量被泵入增益介質(zhì)并且分子保持在激發(fā)態(tài)，激光發(fā)射過(guò)程就會(huì)持續(xù)下去。

然而，也有一些變化。在一些設(shè)計(jì)中，鏡子被省略，因?yàn)楣庾釉趩未瓮ㄟ^(guò)中獲得足夠的能量。

激光器可分為連續(xù)模式或脈沖模式，具體取決于輸出是否始終開(kāi)啟或是否以固定占空比運(yùn)行。連續(xù)模式激光器可以在脈沖模式下工作，但脈沖模式激光器通常不能在連續(xù)模式下以額定功率工作，因?yàn)樗鼤?huì)很快過(guò)熱。脈沖模式激光器的一個(gè)基本原理是，與連續(xù)模式激光器相比，它能夠發(fā)出更強(qiáng)大的短脈沖。激光器有許多不同類(lèi)型，主要根據(jù)激光介質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。氣體激光器很常見(jiàn)，尤其是氦氖 (HeNe) 激光器，它可以在多種頻率下工作。大多數(shù)設(shè)計(jì)為在 633 nm 下運(yùn)行。它們相對(duì)便宜并且在光學(xué)研究設(shè)施中普遍存在。

二氧化碳 (CO 2 ) 激光器可以輸出數(shù)百瓦的功率，這些功率可以集中在一個(gè)小目標(biāo)上，從而導(dǎo)致巨大的溫升。發(fā)射的是紅外光，波長(zhǎng)為 10.6 μm，效率相對(duì)較高，通常大于 30%。主要應(yīng)用是金屬切割和焊接。

金屬離子氣體激光器，例如氦銀 (HeAg) 和氖銅 (NeCu)，在紫外線區(qū)域運(yùn)行。增益介質(zhì)具有窄(0.5 pm)光譜發(fā)射，因此它們用于專(zhuān)門(mén)的光譜應(yīng)用。

化學(xué)激光器由化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力，本質(zhì)上是爆炸，因此其中許多都是一次性設(shè)備。

具有晶體或摻雜玻璃棒的固態(tài)激光器是原始鉻摻雜紅寶石激光器的后繼者。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)生在摻雜劑中。它們用于切割和焊接以及光譜和泵浦染料激光器。不要將它們與產(chǎn)生紅外光束的半導(dǎo)體(二極管)激光器混淆。

染料激光器使用液體溶液中的有機(jī)染料作為激光介質(zhì)。與氣體和固態(tài)激光介質(zhì)相比，其優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的波長(zhǎng)范圍，通常跨越 100 nm。這一特性在可調(diào)諧和脈沖激光器中很有用。脈沖可短至 16 fsec，從而允許巨大的峰值功率。

除了液體激光介質(zhì)外，染料激光器有時(shí)采用固態(tài)激光器的形式，并以有機(jī)染料作為摻雜劑。需要高能量源將激光介質(zhì)泵送到其激光閾值以上。該光源可以是快速放電閃光管或其他激光器。諧振腔通常是水冷的。由于光的存在會(huì)分解有機(jī)染料，因此激光溶液通常通過(guò)大型外部罐進(jìn)行再循環(huán)。

然后是二極管激光器。這里，pn 結(jié)由兩層摻雜砷化鎵形成。這pn結(jié)的長(zhǎng)度與發(fā)射光的波長(zhǎng)有**的關(guān)系。高反射表面位于 pn 結(jié)的一端，部分反射表面位于另一端，形成光子諧振腔。

在操作中，激光二極管是正向偏置的。當(dāng)電子穿過(guò)結(jié)時(shí)，就像普通二極管一樣，會(huì)發(fā)生載流子復(fù)合。當(dāng)電子落入空穴中重新組合時(shí)，它們會(huì)釋放光子。釋放的光子可以撞擊原子，導(dǎo)致另一個(gè)光子釋放。隨著正向電流的增加，更多的電子進(jìn)入耗盡區(qū)并引起更多的光子發(fā)射。*終，一些在耗盡區(qū)內(nèi)隨機(jī)漂移的光子垂直撞擊反射表面。這些反射的光子沿著耗盡區(qū)移動(dòng)，撞擊原子并通過(guò)雪崩效應(yīng)釋放額外的光子。

隨著更多光子的產(chǎn)生，光子的來(lái)回運(yùn)動(dòng)增加，直到穿過(guò) pn 結(jié)部分反射端的光子形成激光。以這種方式產(chǎn)生的光子具有相同的能級(jí)、相位關(guān)系和頻率。激光二極管具有電流閾值水平，高于該閾值水平會(huì)發(fā)生激光動(dòng)作，低于該電流水平則二極管的行為基本上與普通 LED 相同。

二極管激光器有多種類(lèi)型。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管具有夾在兩種 p 型和 n 型材料之間的不同材料的附加限制層。不同材料之間的每個(gè)結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將有源區(qū)域限制在薄層中，從而提供更好的光學(xué)放大。

量子阱激光二極管具有充當(dāng)量子阱的薄中間層。電子從較高能級(jí)下降到較低能級(jí)時(shí)使用量子能級(jí)。此操作提高了效率。

分離約束異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管的動(dòng)機(jī)是量子阱激光二極管中的薄中間層太小以至于損害了有效限制發(fā)射光的能力。為了補(bǔ)償，單獨(dú)的限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管在三個(gè)初始層上添加了兩個(gè)層。這些層具有較低的折射率，有助于限制發(fā)射的光。

前面討論的所有激光二極管都具有垂直于電流的光學(xué)腔。在垂直腔表面發(fā)射激光二極管 (VCSEL) 中，光學(xué)腔沿著電流軸。部分反射鏡位于光學(xué)腔的末端附近。

激光的主要測(cè)量設(shè)備是光功率計(jì)(或激光功率計(jì))。它測(cè)量光束中的光功率(每單位時(shí)間傳遞的能量)。通常，它僅顯示接收高脈沖重復(fù)率脈沖串時(shí)的平均功率。其他儀器稱為光能量計(jì)，測(cè)量脈沖能量。

大多數(shù)功率計(jì)基于熱探測(cè)器的原理：它們通過(guò)帶有黑色涂層的吸收器結(jié)構(gòu)將光功率轉(zhuǎn)換為熱功率。他們使用熱電堆來(lái)測(cè)量由此產(chǎn)生的溫升(或者實(shí)際上是吸收器和安裝座之間的溫差)。熱功率計(jì)適用于測(cè)量大約 10 mW 到幾千瓦之間的平均功率。熱功率計(jì)精度適中，靈敏度與波長(zhǎng)相當(dāng)無(wú)關(guān)，并且速度相對(duì)較慢。

光功率計(jì)也可以用光電二極管制成，通?；诠?、近紅外鍺和砷化銦鎵，盡管后一種類(lèi)型可能很昂貴。當(dāng)激光照射光電二極管檢測(cè)器時(shí)，光會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)度成比例且取決于波長(zhǎng)的電流。光電二極管光功率計(jì)可以測(cè)量微瓦級(jí)甚至更低的功率，并且可以使用合適的衰減器測(cè)量更高的光功率。但它們比熱功率計(jì)更脆弱，因?yàn)樗鼈兏菀妆桓吖鈴?qiáng)度損壞。

激光功率計(jì)*常見(jiàn)的規(guī)格包括平均功率、功率密度、能量、能量密度、重復(fù)率等。儀表制造商通常建議用戶在測(cè)量其功率之前讓感興趣的激光器達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)，通常在 20 到 30 分鐘之間，因?yàn)殡S著激光器達(dá)到平衡，光學(xué)元件的特性往往會(huì)發(fā)生變化。其他建議包括確保光束為儀表光學(xué)孔徑的 40% 至 60%，因?yàn)楣馐?huì)增加探測(cè)器在測(cè)量過(guò)程中損壞的可能性。對(duì)于基于光電二極管的設(shè)備尤其如此;即使在損壞發(fā)生之前，也可能存在導(dǎo)致讀數(shù)**的局部飽和效應(yīng)。

還需要記住的是，基于熱的探測(cè)器通常具有僅對(duì)一種特定激光波長(zhǎng)有效的 NIST 可追蹤靈敏度值。探測(cè)器光譜范圍內(nèi)其他位置的激光器需要波長(zhǎng)校正因子。校正通常是自動(dòng)的，但也可以是手動(dòng)過(guò)程。

基于光電二極管的儀表還可以處理較寬的波長(zhǎng)范圍。采用硅基二極管的二極管通常工作在近紫外光到略高于紅外光的范圍內(nèi)，但具有不同的響應(yīng)度。

電噪聲設(shè)定了*小測(cè)量范圍，噪聲通常來(lái)自傳感器頭。制造商通常將*低范圍設(shè)置為測(cè)量不確定度至少比*大功率低 10 至 20 dB?；诠怆姸O管的功率傳感器比熱敏傳感器更靈敏——它們的*低測(cè)量范圍通常在微瓦范圍或更小。像這樣的敏感測(cè)量通常意味著在黑暗的實(shí)驗(yàn)室中工作。

對(duì)于特定測(cè)量范圍內(nèi)接近*大值的功率，典型的測(cè)量精度約為 ±3% 或 ±5%。遠(yuǎn)低于*大值的測(cè)量結(jié)果可能不太準(zhǔn)確。

*后，由于熱功率傳感器使用加熱來(lái)測(cè)量光功率，因此速度相對(duì)較慢，大約為 0.2 秒到幾秒。普通的基于光電二極管的功率計(jì)速度更快，但速度并不明顯。