自激光问世以来，已经发展了大量的激光激活介质、多种多样的谐振腔结构和激光工作方式，激光家族迅猛增长，现有的各种形形色色的激光器，其输出激光的功率可以从微瓦到兆瓦量级，波长范围可以包含从红外到紫外以至X射线波段的所有区域。

激光器的种类可以按其工作物质的物性来分，如气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等；也可以按激光器的工作方式来分，如连续波激光器、脉冲式激光器、波长可调谐激光器等；还可以按激光器的输出特性来分，如大能量、高功率激光器，中小功率激光器，超短脉冲激光器，稳频激光器等。此处，我们简单介绍几种典型的激光器。

1．He-Ne激光器

He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管是由放电管、电极、反射镜和激活介质组成。此处只介绍实验室中使用最普遍的内腔式He-Ne激光器，如图14-10所示。

图14-10 内腔式He-Ne激光器示意图

一般实验室使用的He-Ne激光管的谐振腔长度有250mm~1m等多种。放电管由毛细管和储气室构成，其中毛细管内径为1mm左右，正电极（阳极）一般用钨棒，负电极（阴极）多用铝皮圆筒。反射镜镀有多层介质膜，其中一块为全反射镜，其反射率接近100%；另一块为部分反射镜，其反射率为98%左右。放电管中充入一定比例的He、Ne混合气体，总气压为, He、Ne气压比为5:1～10:1。其中Ne为激活介质，He为辅助物质。He、Ne的能级结构如图14-11所示，图中画出的只是与产生激光有关的能级。

图14-11 与产生He-Ne激光有关的能级

从建立粒子数反转的能级关系来看，He-Ne激光器属于四能级系统。放电管加上几千伏高压后，在气体放电过程中，大量自由电子将被加速，这些高能量的自由电子与基态He原子碰撞的几率大，与基态Ne原子碰撞的几率小，因此可以认为自由电子主要向基态He原子传递能量，使He原子从基态激发到能级上。由于这两个能级都是亚稳态，处于这种激发态的He原子就有很多机会与基态Ne原子碰撞。注意到He的和能级分别与Ne的和能级十分接近，受激He原子与Ne原子碰撞后很容易使原来处于基态的Ne原子激发到和能级上，这种能量的转移称为共振转移，图14-11中以虚箭头表示。Ne原子的和能级都是亚稳态，通过上述过程，使放电管中存在大量处于和能级的Ne原子，而处于和能级的Ne原子却很少，于是在与之间、与之间、与之间实现了粒子数反转。从的跃迁所产生的每一条谱线都可作为激光谱线，但其中以三种跃迁所产生的谱线最强，它们的波长依次为3.39m、632.8nm、1.15m。在实际中只利用其中的一种波长，最常用的是波长为632.8nm的红光。由上可见，He-Ne激光器产生的激光是由Ne原子所发出的，He原子的作用只是传输能量以造成粒子数反转。

另外，在上述过程，中的和能级是亚稳态，另两个能级和可以跃迁至基态发出Ne原子的共振辐射，但Ne原子发出的共振辐射很容易被别的基态Ne原子吸收，即自吸收。这个过程相当于延长了这两个能级的寿命，使之与亚稳态一样寿命较长。因此，处于态上的Ne原子主要是通过与管壁碰撞将能量交给管壁而回到基态，称作“管壁效应”。如果态上积累了较多的Ne原子，那么又可以发生下列过程：通过电子碰撞再由态激发到Ne原子的与态上，以及通过自吸收过程再激发到Ne原子的与态上。这两个过程显然都不利于激光下能级的抽空，在He-Ne激光管中要有一根又细又长的毛细管，用以加强“管壁效应”。

He-Ne激光器是目前使用最为广泛的一种气体激光器，它具有可连续工作、结构简单、使用寿命长等优点，但其效率是很低的，约为千分之一。输出功率通常只有几毫瓦，要想得到较高的输出功率是困难的。

2.激光器

激光器是一种典型的分子气体激光器，也是被广泛应用的一种气体激光器。它利用分子的振动-转动能级之间的跃迁实现激光振荡。分子激光器大体有两类，一类是同一电子态之间的不同振动能态之间的跃迁，这类跃迁的能量间隔较小，所以激光输出都在中或远红外波段（5～300m），激光器就属于这一类，其输出波长在10.6m附近；另一类是不同电子态之间的振动能态间的跃迁，这类激光输出大多在可见或紫外波段。

激光器最突出的优点是：

（1）有很高的能量转化效率，可以制成大功率输出的器件。一台普通的闭管激光器可以有几十瓦的连续输出，一台横向流动式的电激励激光器可以有数千瓦到上万瓦的连续输出，气动式激光器则已实现了几十万瓦的连续输出，这是一般气体激光器无法比拟的。

（2）由于激光器是利用分子振转能级之间的跃迁，所以有很丰富的谱线，在10m附近可以有上百条激光谱线输出。近年来发展的高压激光器已做到在9～11m之间的连续调谐输出。由于这些优点，激光器获得了比其他气体激光器更广泛的应用，它在材料加工、通信、雷达、化学分析、化学反应、医疗等方面有重要用途，在激光分离同位素、激光引发核聚变、激光传输能量以及激光武器等重大科研项目中，也有极重要的用途。

3．红宝石激光器

图14-12用闪光灯抽运并具有
反射镜腔的脉冲红宝石激光器装置示意

红宝石激光器是最早投入运转的激光器，至今仍有广泛的用途。图14-12示出了一台早期的红宝石激光器的典型结构。红宝石棒的直径一般为2mm，长度为几厘米。红宝石原是一种天然宝石，它是晶体中某些离子被离子替代而形成的。目前几乎所有用来做激光器的红宝石都是人工生长的晶体，其中离子的波长可以根据需要人为控制。红宝石棒的周围是一支螺旋状低压氙闪光灯，直径一般为5～10 mm，长度为5～20cm。现代的红宝石激光器多半已不用螺旋式闪光灯，而是用一个聚光器把直管状闪光灯的能量会聚到红宝石上，这样能提高效率。由于红宝石晶体的热导性能较差，红宝石激光器多半是单脉冲或重复率很低的脉冲工作方式。红宝石激光器以“猝发脉冲”式工作时，其峰值功率可达20kW（一个脉冲的总输出能量可达到100J）；如果加上调装置，其脉冲宽度可以压缩到10～20ns，脉冲的峰值功率可达100MW；如果加上锁模装置，脉冲宽度可以压缩到10ps量级，其峰值功率可达1000MW以上。红宝石激光器的发射波长为694.3nm，落在可见光区的红端。

4．钕离子激光器

这里介绍两种以钕离子为激活介质的激光器：一种是在玻璃中参入离子，用这种玻璃制成的激光器成为钕玻璃激光器；另一种是在钇铝石榴石晶体（）中掺入离子，用这种材料制成的激光器称为钇铝石榴石激光器，又称YAG激光器。钕离子激光器的能级系统与红宝石激光器不一样，它的激光下能级不是基态，因而它有比红宝石高得多的效率。其发射波长在红外区，为1.064m。

Nd玻璃激光器的特点是：Nd玻璃易于加工，价格低廉，可以制成很大尺寸的Nd玻璃棒，获得极大的能量输出。例如，用一根直径为50mm，长为200mm的棒制成的激光器，其单个脉冲输出能量可达8kJ，目前世界上用于进行核聚变、有最大输出功率的激光器，就是由Nd玻璃制成的。由于Nd玻璃热导率低，妨碍器件能量的进一步提高，为了克服这一困难，现在有的大功率激光器是采用盘状结构；在圆盘状玻璃片之间通过折射率匹配的冷却液，以消除反射并带走热量。也可设计成字形，将玻璃片按布儒斯特角排列，以消除反射损耗，并以空气冷却。

YAG激光器的特点是：材料的阈值低，效率高，晶体使用寿命长。由于其热导率远比玻璃好，所以可制成重复率较高的脉冲激光器，也可制成连续波输出的激光器。此外，YAG激光器的光束质量也很好。所以，YAG激光器几乎是所有固体激光器中应用最广泛的一种。一台普通的调的YAG激光器，其输出峰值功率很容易达到100MW，而一台连续波YAG激光器其输出功率可达700W以上。