激光器工作原理 　　除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質(zhì)兩個部分。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見光學諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。 　　激光工作物質(zhì) 　　是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。 　　激光器的種類是很多的?？梢詮募す夤ぷ魑镔|(zhì)、激勵方式、運轉(zhuǎn)方式、輸出波長范圍等幾個方面進行分類，在《各類激光器工作原理應(yīng)用范圍大全（一）》講了固體激光器、半導體激光器、CO2激光器、準分子激光器，本文接下來介紹光纖激光器、超快激光器、量子級聯(lián)激光器和太赫茲。 　　一、光纖激光器 　　光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適當加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。 　　光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切割/焊接（銅焊、淬水、包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)，作為其他激光器的泵浦源等等。 　　按照光纖材料的種類，光纖激光器可分為： 　　1、晶體光纖激光器。工作物質(zhì)是激光晶體光纖，主要有紅寶石單晶光纖激光器和nd3+：YAG單晶光纖激光器等。 　2、非線性光學型光纖激光器。主要有受激喇曼散射光纖激光器和受激布里淵散射光纖激光器。 　　3、稀土類摻雜光纖激光器。光纖的基質(zhì)材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活，而制成光纖激光器。 　　4、塑料光纖激光器。向塑料光纖芯部或包層內(nèi)摻入激光染料而制成光纖激光器。 　　光纖激光器的應(yīng)用 　　光纖激光器十分適合在連續(xù)波或準連續(xù)波運轉(zhuǎn)下放大到更高功率，來滿足微電子方面的應(yīng)用需求。在這些應(yīng)用中，光束質(zhì)量、精度以及穩(wěn)定性至關(guān)重要。在許多應(yīng)用中，控制、改變激光加工能量和功率輸入，對加工過程起著決定性作用。 　　在焊接方面的應(yīng)用：利用光纖激光優(yōu)秀的光束質(zhì)量，獲得較長的工作焦距，這就可以通過普通二維振鏡系統(tǒng)獲得很大的工作范圍，這不但簡化了設(shè)計，同時降低了成本。激光焊接降低了對材料內(nèi)部組件的應(yīng)力影響，從而整體大大地提高了產(chǎn)品的合格率。 　　在激光打標方面的應(yīng)用：由于脈沖寬度極短,因此采用低脈沖能量容易抵達極高峰值激光強度。由于強度極高以及激光與物質(zhì)的交互作用時間極短，熱擴散受限制于極小的區(qū)域，聚集的激光器能量密度構(gòu)成材料快速汽化。因此，脈沖光纖激光器可以在激光打標應(yīng)用中的選擇材料表面消融優(yōu)質(zhì)、精密的圖案。由于沿著掃描途徑的兩個激光打標點之間的距離與掃描儀速度成正比，與脈沖重復率成反比，因此，當激光掃描儀由數(shù)字狀態(tài)空間伺服機構(gòu)控制時，高重復率脈沖光纖激光器是設(shè)計優(yōu)質(zhì)、高速激光打標系統(tǒng)的一個重要部分。 　　在工業(yè)鉆孔中的應(yīng)用：激光器通過脈沖波形控制實現(xiàn)了很大的靈活性，能在鉆孔應(yīng)用中大顯身手。更大的振幅意味著更大的峰值功率。波形WFO提供的更高的峰值功率和脈沖能量，能產(chǎn)生更大直徑的孔。改變頻率，峰值功率和脈沖能量隨之改變,孔徑也隨之變化。因此微米級的不同孔徑，能通過激光器的頻率和脈沖特征加以改變。 　　在巖石及泥土材料處理中的應(yīng)用：光纖激光在施工現(xiàn)場的應(yīng)用方面明顯優(yōu)于任何其它種類的激光，包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳輸?shù)竭h程的目標。光纖激光超高的電光轉(zhuǎn)換效率（30%），良好的光束質(zhì)量，車載機動性及設(shè)備的穩(wěn)定性和免維護性等特點使得它在此類應(yīng)用領(lǐng)域里成為最佳的選擇。 　　今天，密集波分復用和光時分復用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進步加速和刺激著多波長光纖激光器技術(shù)、超連續(xù)光纖激光器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)也已出現(xiàn)。 　　隨著光通信及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖激光器技術(shù)正在不斷向廣度和深度方面推進；技術(shù)的進步，特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術(shù)等為基礎(chǔ)的新型光纖器件等的陸續(xù)面市，將為光纖激光器的設(shè)計提供新的對策和思路。可以預見，光纖激光器必將在未來光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。在短期內(nèi)，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上隨光纖激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會替代掉全球大部分高功率二氧化碳激光器和絕大部分YAG激光器。 　　二、超快激光器 　　超快激光器是基于SESAM鎖模技術(shù)的Amberpico系列皮秒激光器、Amberfemto系列飛秒激光器開發(fā)的激光器。 　　Amberpico系列皮秒激光器具有超短脈沖寬度（小于15ps）、高單脈沖能量（最大單脈沖能量30mJ）、高重復頻率（1kHz以上）和值得信賴的優(yōu)良輸出性能,Amberfemto系列飛秒激光器脈沖寬度小于200fs，重復頻率1Hz—100kHz可選，具有優(yōu)異的空間模式和卓越的功率穩(wěn)定性?？梢詫崿F(xiàn)高效的二倍頻、三倍頻、甚至四倍頻光的輸出。波長范圍遍及紅外、綠光、紫外，波長最短可以達到266/263nm。二者是衛(wèi)星測距、激光精細微加工、非線性光學、激光光譜學、生物醫(yī)學、強場光學、凝聚態(tài)物理學等科研領(lǐng)域強有力的研究工具。 三、量子級聯(lián)激光器 　　量子級聯(lián)激光器(quantumcascadelasers,QCLs)是基于電子在半導體量子阱中導帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導體器件。不同於傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導體激光器的電子-空穴復合受激輻射機制，QCL受激輻射過程只有電子參與，激射波長的選擇可通過有源區(qū)的勢阱和勢壘的能帶裁剪實現(xiàn)。QCL引領(lǐng)了半導體激光理論、中紅外和THz半導體光源革命，是痕量氣體監(jiān)測和自由空間通信的理想光源，在公共安全、國家安全、環(huán)境和醫(yī)學科學等領(lǐng)域有重大應(yīng)用前景。量子級聯(lián)激光器(QCL)是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段單極光源，其工作原理與通常的半導體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級厚度的半導體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)，在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級串接組成(通常大于500層)而實現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。量子級聯(lián)激光器的出現(xiàn)開創(chuàng)了利用寬帶隙材料研制中、遠紅外半導體激光器的先河，在中、遠紅外半導體激光器的發(fā)展史上樹立了新的里程碑。1994年FedericoCapasso和同事卓以和等人在貝爾實驗室率先發(fā)明量子級聯(lián)激光器。這被視為半導體激光領(lǐng)域的一次革命。2000年，我國科學家李愛珍（現(xiàn)任美國科學院院士）的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導體量子級聯(lián)激光器，從而使中國進入了掌握此類激光器研制技術(shù)的國家行列。 　　由于量子級聯(lián)激光器是集量子工程和先進的分子束外延技術(shù)于一體，與常規(guī)的半導體激光器在工作原理上不同，其特點優(yōu)于普通激光器，因技術(shù)含量很高，相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)具有重要的社會和經(jīng)濟價值。據(jù)了解，量子級聯(lián)激光器是一個高難度的量子工程，特點是工作波長與所用材料的帶隙無直接關(guān)系，僅由耦合量子阱子帶間距決定，從而可實現(xiàn)對波長的大范圍剪裁。 　　許多基于量子級聯(lián)激光器的可調(diào)諧中紅外激光器(脈沖和紅外)在國外已經(jīng)進入工業(yè)化,是各國爭相研究的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 　　量子級聯(lián)激光器集量子工程和分子束外延技術(shù)于一體，是國家納米及量子器件核心技術(shù)的真正體現(xiàn)，這方面的技術(shù)突破將激活我國的民用市場。它在紅外通信、遠距離探測、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學過程監(jiān)測、分子光譜研究、無損傷醫(yī)學診斷等方面具有很急迫的應(yīng)用前景。 　　四、太赫茲 　　THz波（太赫茲波）或稱為THz射線（太赫茲射線）是從上個世紀80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學家們將統(tǒng)稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.3THz到3THz范圍的電磁波，波長大概在0.1mm(100um)到1mm范圍，介于微波與紅外之間。實際上，早在一百年前，就有科學工作者涉及過這一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到這一波段，紅外光譜到達9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到達50um的記載。之后的近百年時間，遠紅外技術(shù)取得了許多成果，并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測器的限制，因此這一波段也被稱為THz間隙。 　　太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像（無標記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來了深遠的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短（皮秒量級）所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢。另外，由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種，優(yōu)良菌種的選擇等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。太赫茲的應(yīng)用仍然在不斷的開發(fā)研究當中，其廣袤的科學前景為世界所公認