1. 氣體激光器
在氣體激光器中,最常見的是氦氖激光器。世界上第一臺氦氖激光器是繼第一臺紅寶石激光器之后不久,于1960年在美國貝爾實驗室里由伊朗物理學家賈萬制成的。由于氦氖激光器發出的光束方向性和單色性好,可以連續工作,所以這種激光器是當今使用最多的激光器,主要用在全息照相的精密測量、準直定位上。
氣體激光器中另一種典型代表是氬離子激光器。它可以發出鮮艷的藍綠色光,可連續工作,輸出功率達100多瓦。這種激光器是在可見光區域內輸出功率最高的一種激光器。由于它發出的激光是藍綠色的,所以在眼科上用得最多,因為人眼對藍綠色的反應很靈敏,眼底視網膜上的血紅素、葉黃素能吸收綠光。因此,用氬離子激光器進行眼科手術時,能迅速形成局部加熱,將視網膜上蛋白質變成凝膠狀態,它是焊接視網膜的理想光源。氬離子激光器發出的藍綠色激光還能深入海水層,而不被海水吸收,因而可廣泛用于水下勘測作業。
2. 液體、化學和半導體激光器
液體激光器也稱染料激光器,因為這類激光器的激活物質是某些有機染料溶解在乙醇、甲醇或水等液體中形成的溶液。為了激發它們發射出激光,一般采用高速閃光燈作激光源,或者由其他激光器發出很短的光脈沖。液體激光器發出的激光對于光譜分析、激光化學和其他科學研究,具有重要的意義。
化學激光器是用化學反應來產生激光的。如氟原子和氫原子發生化學反應時,能生成處于激發狀態的氟化氫分子。這樣,當兩種氣體迅速混合后,便能產生激光,因此不需要別的能量,就能直接從化學反應中獲得很強大的光能。這類激光器比較適合于野外工作,或用于軍事目的,令人畏懼的死光武器就是應用化學激光器的一項成果。
在當今的激光器中,還有一些是用半導體制成的。它們體積小,使用壽命長,激勵方式簡單(通常采用電激勵),閾值電流低,易于規模化生產,早期的半導體激光器的輸出激光相干性、方向性等性能較差,輸出激光頻率種類較少,大多在紅外區,但是現在隨著研究的深入和半導體材料和結構的拓展,半導體激光器家族中出現了諸如邊發射激光器、量子阱激光器、垂直腔表面發射激光器等等輸出激光性能優異的新成員,輸出激光頻率類型在可見光區域也廣有分布。尤其是垂直腔表面發射激光器,除了具有單縱模輸出、低閾值電流起振等優異特性之外,還具有在生產工藝上大規模化和陣列化,這樣,半導體激光器也能輸出大功率激光,而且進一步降低半導體激光器的生產成本,利于激光器的普及應用。目前,半導體類激光器是激光器家族中應用最為廣泛的一支,如在光通信(如光纖通信)、光存儲和讀取(即光盤和光驅)、光開關、光邏輯器件等等。
3. 固體激光器
前面所提到的紅寶石激光器就是固體激光器的一種。早期的紅寶石激光器是采用普通光源作為激發源。現在生產的紅寶石激光器已經開發出許多新產品,種類也增多。此外,激勵的方式也分為好幾種,除了光激勵外,還有放電激勵、熱激勵和化學激勵等。
固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器,它的工作物質是氧化鋁和氧化釔合成的晶體,并摻有氧化釹。激光是由晶體中的釹離子放出,是人眼看不見的紅外光,可以連續工作,也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大,不僅在軍事上有用,也可廣泛用于工業上。此外,釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器,對治療白內障和青光眼十分有效。
4. “隱身”和“變色”激光器
另外還有兩種較為特殊的激光器。一種是二氧化碳激光器,可稱“隱身人”,因為它發出的激光波長為10.6微米,“身”處紅外區,肉眼不能覺察,它的工作方式有連續、脈沖兩種。連接方式產生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產生的波長10.6微米激光也是最強大的一種激光。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現是激光發展中的重大進展,也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長1米左右的放電管。它的一端貼上鍍金反射鏡片,另一端貼一塊能讓10.6微米紅外光通過的鍺平面鏡片作為紅外激光輸出鏡。一般的玻璃鏡片不讓這種紅外光通過,所以個能做輸出鏡。放電管放電時發出粉紅色的自發輻射光,它產生的激光是看不見的,在磚上足以把磚頭燒到發出耀眼的白光。做實驗時,一不小心就會把自己的衣服燒壞,裸露的皮膚碰到了也要燒傷,所以這種激光器上都貼著“危險”的標記,操作時要特別留神。
5.近紅外光譜儀
近紅外光譜儀專為滿足實際應用的挑戰而設計的,具有卓越的性能、長期穩定性、結構緊湊和超低功耗的優點。
二氧化碳激光器形式很多。放電管最長的達200多米,要占據很大的場地。科學家想出辦法,將筆直的放電管彎成來回轉折的形狀,或是把放電管疊起來安裝,將它們的實際長度壓縮到20米左右;為了使激光器的光路不受振動的影響,整個器件安放在地下室粗大的管道內。后來發明的一種稱為橫向流動的二氧化碳激光器,長度縮到只有一張大辦公桌那樣長短,能射出幾千瓦功率的激光。這樣的激光器已被許多汽車拖拉機廠用來加工大型零件。輸出功率更大的一種二氧化碳激光器結構像大型噴氣發動機,開動起來聲音響得嚇人,它能產生上百萬瓦的連續激光,是連續方式發射激光中的最強者。最初的激光打坦克靶實驗,用的就是這種激光器。它是科學家把空氣動力學和激光科學相結合而制造出來的。
以脈沖方式發射的二氧化碳激光器也有很多種,在科研和工業中用途極廣。如果按每一脈沖發出的能量大小作比較,那么,脈沖二氧化碳激光器又是脈沖激光器中的最強者。
這里,我們要回到激光先驅者湯斯曾經研究過的問題上來,談一談毫米波的產生。隨著激光技術的發展,許多科學家對這一難題又發起了進攻:采用放電或利用強大的二氧化碳激光作為激勵源去激發氟甲烷、氨等氣體分子,一步步地把發射出來的激光波長延長,擴展。開始達幾十微米,后來達幾百微米,也就是亞毫米波了。本世紀60年代中期到70年代中期,隨著微波技術的發展,科學家根據激光的原理和方法產生了毫米波。這樣,從光波到微波之間的空白地帶便被不斷發現的新紅外激光填補了。
從研究中,科學家發現毫米波很有實用價值:大氣對它的吸收率很小、阻礙它傳播的影響也小,可以用它來作為新的大氣通訊工具。
另一種比較特殊、新穎的激光器,可以形象地稱它為“變色龍”。它不是龍,但確實能變色;只要轉動一個激光器上的旋鈕,就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色的激光。
難道染料跟激光器也有關系嗎?一點也不錯。這種激光器的工作物質確實就是染料,如碳花青、若丹明和香豆素等等。科學家至今還沒有弄清楚這些染料的分子能級和原子結構,只知道它們與氣體工作物質的氣體原子、離子結構不一樣;氣體產生的激光有明確的波長,而染料產生的激光,波長范圍較廣,或者說有多種色彩。染料激光器的光學諧振腔中裝有一個稱為光柵的光學元件。通過它可以根據需要選擇激光的色彩,就像從收音機里選聽不同頻率的無線電臺廣播一樣。
染料激光器的激勵源是光泵,可以用脈沖氙燈,也可以用氮分子激光器發出的激光。用一種顏色的激光作光泵,結果能產生其他顏色的激光可以說是染料激光器的特點之一。
這種根據需要可以隨時改變產生激光的波長的激光器,主要用于光譜學研究;許多物質會有選擇地吸收某些波長的光,產生共振現象。科學家用這些現象分析物質,了解材料結構;還用這些激光器來產生新的激光,研究一些奇異的光學和光譜學現象。