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(lì)（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)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(xué)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(yùn)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(shí)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(shí)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(dǎo)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(jí)間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性。 　　激光器的種類是很多的。可以從激光工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長范圍等幾個(gè)方面進(jìn)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(dǎo)體激光器、CO2激光器、準(zhǔn)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(jí)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(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)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(yuǎn)距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)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(xué)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(zhǔn)連續(xù)波運(yùn)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(jì)，同時(shí)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(biāo)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(dá)極高峰值激光強(qiáng)度。由于強(qiáng)度極高以及激光與物質(zhì)的交互作用時(shí)間極短，熱擴(kuò)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(biāo)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(gè)激光打標(biāo)點(diǎn)之間的距離與掃描儀速度成正比，與脈沖重復(fù)率成反比，因此，當(dāng)激光掃描儀由數(shù)字狀態(tài)空間伺服機(jī)構(gòu)控制時(shí)，高重復(fù)率脈沖光纖激光器是設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)、高速激光打標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)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(jí)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(yuǎn)程的目標(biāo)。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(jī)動(dòng)性及設(shè)備的穩(wěn)定性和免維護(hù)性等特點(diǎn)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(fù)用和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進(jìn)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(jìn)步。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實(shí)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(jìn)；技術(shù)的進(jìn)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(jì)提供新的對策和思路?？梢灶A(yù)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(huì)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(fù)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(fù)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?shí)現(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(dá)到266/263nm。二者是衛(wèi)星測距、激光精細(xì)微加工、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、強(qiáng)場光學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)等科研領(lǐng)域強(qiáng)有力的研究工具。 三、量子級(jí)聯(lián)激光器 　　量子級(jí)聯(lián)激光器(quantumcascadelasers,QCLs)是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。不同於傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)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(shí)現(xiàn)。QCL引領(lǐng)了半導(dǎo)體激光理論、中紅外和THz半導(dǎo)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(xué)科學(xué)等領(lǐng)域有重大應(yīng)用前景。量子級(jí)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(dǎo)體激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于納米級(jí)厚度的半導(dǎo)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(jí)串接組成(通常大于500層)而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。量子級(jí)聯(lián)激光器的出現(xiàn)開創(chuàng)了利用寬帶隙材料研制中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光器的先河，在中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室率先發(fā)明量子級(jí)聯(lián)激光器。這被視為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一次革命。2000年，我國科學(xué)家李愛珍（現(xiàn)任美國科學(xué)院院士）的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器，從而使中國進(jìn)入了掌握此類激光器研制技術(shù)的國家行列。 　　由于量子級(jí)聯(lián)激光器是集量子工程和先進(jìn)的分子束外延技術(shù)于一體，與常規(guī)的半導(dǎo)體激光器在工作原理上不同，其特點(diǎn)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(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。據(jù)了解，量子級(jí)聯(lián)激光器是一個(gè)高難度的量子工程，特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對波長的大范圍剪裁。 　　許多基于量子級(jí)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(jìn)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(jí)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(yuǎn)距離探測、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過程監(jiān)測、分子光譜研究、無損傷醫(yī)學(xué)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(gè)世紀(jì)80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學(xué)家們將統(tǒng)稱為遠(yuǎn)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(shí)際上，早在一百年前，就有科學(xué)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(dá)9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到達(dá)50um的記載。之后的近百年時(shí)間，遠(yuǎn)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(dú)特性能給通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)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(yuǎn)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(jí)）所以具有很高的時(shí)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(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)中，其廣袤的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)