各類雷射器的特點及應用全解

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雷射技術已從方方面面走進了人們的生活，但雷射器種類繁多，其各自波長不同，特性不同，因此所應用的領域也不同。相信大多數人面對紛繁複雜的雷射器種類，多少覺得有點頭疼。因此，本文將各類型的雷射器進行了匯總，為大家逐一講解各類雷射器的特點及實際應用的情況。

按工作介質不同，雷射器分為固體雷射器、氣體雷射器、染料雷射器、半導體雷射器、光纖雷射器和自由電子雷射器6種。其中固體雷射器和氣體雷射器還有很多細分種類。除自由電子雷射器外，各種雷射器的基本工作原理均相同，包括泵浦源、光學諧振腔和增益介質三部分。

固體雷射器種類及應用

在固體雷射器中，一般以光作為泵浦源，能產生雷射的晶體或玻璃被稱為雷射工作物質。雷射工作物質由基質和激活離子兩部分組成，基質材料為激活離子提供了一個合適的存在與工作環境，而由激活離子完成雷射產生過程。常用的激活離子主要是過渡金屬離子，如鉻、鑽、鎳等離子以及稀土金屬離子，如釹離子等。表面鍍有介質膜的反射鏡作為諧振腔鏡片，其中一片為全反鏡，一片為半反鏡。當採用不同的激活離子、不同的基質材料和不同波長的光激勵，會發射出各種不同波長的雷射。

紅寶石雷射器輸出的雷射波長為694.3nm，光電轉換率低，只有0.1％。但其螢光壽命長，有利於儲能，可輸出較高的脈衝峰值功率，一根筆芯粗細，手指長的紅寶石棒產生的雷射就可以輕鬆的產生打穿鐵皮。在效率更高的YAG雷射器出現之前，紅寶石雷射器被廣泛地用在雷射切割、鑽孔上。此外，694nm的光極易被黑色素吸收，因此紅寶石雷射器還被用於色素性病變（皮膚長斑）的治療。

鈦藍寶石雷射器因其晶體性質，具備較寬的可調諧範圍（即可調波長範圍），可根據需要，輸出660nm－1200nm波長的光。加上倍頻技術（能使光的頻率翻倍，即波長減半）的成熟，波長範圍可擴展到330nm－600nm。鈦藍寶石雷射器被用於飛秒分光、非線性光學研究、生成白光、生成太赫茲波等，在醫美方面也有應用。

YAG是釔鋁石榴石的簡稱，該物質是目前綜合特性最為優異的雷射晶體基質，在摻入釹（Nd）之後可輸出1064nm的光，最大連續輸出功率可達1000w。早期使用惰性氣體閃光燈作為雷射器的泵浦源，但閃光燈泵浦方式，光譜範圍寬，與雷射增益介質吸收光譜重合性差，熱負荷較大，造成光電轉換率低的後果。因此現在使用LD（雷射二極體）泵浦，可實現雷射器的高效率，高功率，長壽命。Nd:YAG雷射器可用於血管瘤的治療，抑制腫瘤生長。但這種雷射對組織的熱損傷是非選擇性的，在凝固瘤體血管的同時，多餘的能量也會損傷周圍正常的組織，術後容易留下瘢痕。因此，Nd:YAG雷射多用於外科、婦科、五官科，而少用於皮膚科。

Yb:YAG，在YAG中摻入鐿（Yb），可輸出1030nm的光。Yb:YAG的泵浦波長為941nm，與輸出波長非常接近，可實現91.4％的泵浦量子效率，伴隨泵浦產生的熱量則被抑制到10％以內（輸入的能量大多數轉換為輸出雷射的能量，少部分變成熱，意味著轉換效率很高），是Nd:YAG的25％～30％。Yb:YAG已成為最引人注目的固體雷射介質之一，LD泵浦的高功率Yb:YAG固體雷射器成為新的研究熱點，並被視為發展高效、高功率固體雷射器的一個主要方向。

除了上述兩種，YAG還可摻入鈥（Ho）、鉺（Er）等。Ho:YAG可產生對人眼安全的2097nm和2091nm雷射，主要適用於光通信，雷達和醫學應用。Er:YAG則輸出2.9μm的光，人體對這一波長吸收率很高，對雷射外科和血管外科有很大的應用潛力。

氣體雷射器種類及應用

氣體雷射器是利用氣體作為增益介質的雷射器，一般是對氣體放電進行泵浦（與固體雷射器大同小異，不再贅述）。氣體種類有原子氣體（氦氖雷射器、惰性氣體離子雷射器、金屬蒸汽雷射器）、分子氣體（氮氣雷射器、二氧化碳雷射器）、準分子氣體，還有通過化學反應提供泵浦能量的特殊氣體雷射器。

氦氖雷射器（HeNe）是以75％以上的He和15％以下的Ne的混合氣體作為增益介質，根據工作環境不同，可發出綠（543.5nm）、黃（594.1nm）、橙（612.0nm）、紅（632.8nm）及三種近紅外光（1152nm、1523nm和3391nm），其中紅光（632.8nm）最為常用。HeNe雷射器輸出的光束呈高斯分布，光束質量非常穩定，雖然功率不高，但在精密測量領域有著不俗的表現。

惰性氣體雷射器常見的是氬離子（Ar＋）和氪離子（Kr＋）。其能量轉化率最高可達0.6％，可長期連續穩定輸出30－50w的功率，壽命超過1000h。主要用於雷射顯示、拉曼光譜、全息、非線性光學等研究領域以及醫療診斷、列印分色、計量測定材料加工及信息處理等方面。

金屬蒸汽雷射器以銅蒸氣為例。銅蒸氣雷射器主要輸出綠光（510.5nm）和黃光（578.2nm），可達到100w的平均功率和100kw的峰值功率。其主要應用領域為染料雷射器的泵浦源。此外，還可用於高速閃光照相、大屏幕投影電視及材料加工等。

氮分子雷射器以氮氣為增益介質，可發射337.1nm 、357.7 nm、315.9 nm的紫外光，峰值功率可達45kw。可作為有機染料雷射器的泵浦光源，在雷射分離同位素、螢光診斷、超高速攝影、汙染檢測以及醫療衛生、農業育種等方面也得到廣泛應用。由於其短波長更易聚焦得到小光斑，因此還可用於加工亞微米量級的元件。

二氧化碳雷射器所用的增益介質是混了氦氣和氮氣的二氧化碳，可輸出以9.6μm和10.6μm波長為中心的遠紅外光。二氧化碳雷射器的能量轉換率高，輸出功率可從幾瓦到幾萬瓦，加上極高的光束質量，使得二氧化碳雷射器在材料加工、科研、國防及醫學方面均有著廣泛應用。

準分子是不穩定的分子，在諧振腔內充入不同稀有氣體和滷素氣體的混合物而有不同波長的雷射產生。常用相對論電子束（能量大於200千電子伏特）或橫向快速脈衝放電來實現激勵。當受激態準分子的不穩定分子鍵斷裂而離解成基態原子時，受激態的能量以雷射輻射的形式放出。在醫療、光通信、半導體顯視、遙感、雷射武器等領域有著廣泛應用。

化學雷射器是一類特殊的氣體雷射器，即是一類利用化學反應釋放的能量來實現粒子數反轉的雷射器。這類雷射器大部分以分子躍遷方式工作，典型波長範圍為近紅外到中紅外譜區。最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置。前者可以在2.6～3.3微米之間輸出15條以上的譜線；後者則約有25條譜線處於3.5～4.2微米之間。這兩種器件目前均可實現數兆瓦的輸出。由於其能量巨大，一般用於核工程及軍事領域。

其他常用雷射器種類及應用

染料雷射器使用有機染料作為雷射介質的雷射，通常是一種液體溶液。相比氣體的和固態的雷射介質，染料雷射器通常可以用於更廣泛的波長範圍內。由於有寬闊的帶寬，使得它們特別適合於可調諧雷射器和脈衝雷射器。但由於其介質壽命短，輸出功率受限，基本被鈦藍寶石等波長可調的固體雷射器取代。

半導體雷射器是用半導體材料作為工作物質的雷射器，激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。體積小，價格低，效率高，使用壽命長，功耗低，可用於電子信息、雷射列印、雷射筆、光通信、雷射電視、小型雷射投影儀、電子信息、集成光學等領域，是最實用最重要的一類雷射器。

光纖雷射器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的雷射器，應用範圍非常廣泛，包括雷射光纖通訊、雷射空間遠距通訊、工業造船、汽車製造、雷射雕刻雷射打標雷射切割、印刷制輥、金屬非金屬鑽孔／切割／焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫療器械儀器設備、大型基礎建設，作為其他雷射器的泵浦源等等。

自由電子雷射器是一類不同於傳統雷射器的新型高功率相干輻射光源，它不需要氣體、液體或固體作為工作物質， 而是將高能電子束的動能直接轉換成相干輻射能．因此， 也可以認為自由電子雷射器的工作物質就是自由電子。它具有高功率、高效率、波長的大範圍調諧和超短脈衝的時間結構等一系列優良特性，除了它， 還沒有一種雷射器能同時具備這些特點。在物理學研究、雷射武器、雷射聚變、光化學、光通訊等領域均有非常可觀的前景。

本文授權轉載於OFweek雷射，中國光學少量修改