可以肯定地说：本世纪最后的伟大创造之一是激光技术。它自一九五八年问世以来，已经逐步地然而是坚决地渗透到了科研、军事、工业等各个领域。不是吗？看看我们的周围，你就可以轻易地到它应用的实例：医院中的激光诊断及激光机、商店中的条码识别器、办公室中的激光打印机、把我们与世界各地联结在一起的光纤等等，就是在我们的家中也有它的身影：激光唱机、激光影碟机。
人类创造了多种多样的激光器。诸如：气体激光器〔He-Ne激光器、CO2激光器等〕、固态晶体激光器〔红宝石激光器、钕玻璃激光器等〕、离子激光器〔氪离子激光器、氩离子激光器等〕、染料激光器〔甲酚紫激光器、萤光素激光器等〕、超辐射激光器〔氮分子激光器等〕以及半导体激光器〔砷化镓半导体二极管等〕等等。
在世界的许多地方，几乎所有的商品激光器都在制造业中得到越来越广泛的应用。CO2激光器的主要用途就是各类工业激光加工设备，作为固态晶体激光器的Nd: YAG〔掺钕钇铝石榴石〕激光器的最大应用便是在激光打标领域。
1.1 激光原理
我们知道，物质是由原子组成的，而原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成的〔见图1.1〕。每一个电子都沿着自己特定的轨道绕原子核高速旋转，其旋转半径决定于电子所处的能级。原子吸收能量后，电子的旋转半径会增加，电子的能级就会提高；原子释放能量后，电子的旋转半径会减小，电子的能级就会降低。每个能级对应着一个特定的能量。电子所具有的能量是不连续的，也就是说原子的能级是量子化的。原子只有吸收了两个能级之间差值的能量才会提高一个能级，电子在能级之间的变动现象称为跃迁。同样，当原子跃迁到较低能级时，会释放出两个能级之间差值的能量。原子的最低能级为E0，高的能级依次为E1、E2、E3、……，高的能级称为上能级，低的能级为下能级。处在能级E0的原子称为基态原子，其它能级称为激发态〔见图1.2〕。 原子可以吸收光子来获得能量，当然这个光子必须具有与原子能级差相等的能量〔例如：E1-E0〕原子只能吸收带有几个能量的光子。光子的能量决定于光子本身的波长。所以，原子只能吸收几个特定波长的光子。 正常情况下，原子吸收能量后会在上能级停留一段时间〔这一时间被称为原子的上能级寿命〕，然后向任意一个方向发射一个光子并返回基态。这一现象称为原子的自发发射。对这一现象，图1.3作了形象的描述。
图1.1 原子的结构
图1.2 原子的能级
假设在激发态原子的附近，恰巧有一个光子经过，这个光子又恰好具有原子上下能级之差的能量，那么这个原子就有可能受到外来光子的鼓励而发出一个光子，原子自身那么在发射后返回基态。原子的这种因受到外来鼓励而发射的情况，称为原子的受激发射〔图1.4〕。原子受激发射所放出的光子与外来的鼓励光子在能量、波长、相位等方面完全相同。
以上是单个原子能级的变化情况。
对于大量原子的情况，在通常条件下，大多数原子总是分布在基态上，其余原子总是从低能级到高能级递减分布。这一分布规律就是通常所说的波尔兹曼分布。在图1.5中，纵坐标表示原子的能级，横坐标表示在各能级上原子的分布数量。如果我们加热这些原子，会使处于上能级的原子数量有所增加。但不管如何加热这些原子，在原子到达新的热平衡后，上能级的原子数量总是少于下能级的原子数量。假设我们想方法强迫下能级的原子跃迁到上能级，而同时保证上能级的原子不很快地发射而返回到下能级，就会人为地造成粒子数反转。这时再用鼓励光子去鼓励上能级原子，使其产生受激
图1.5 原子在各能级上的分布
发射。在受激发射的同时，要设法使下能级的原子持续地跃迁到上能级，以维持粒子数反转，使受激发射能够持续地进行下去。受激发射所产生的光子都具有相同的波长、方向及相位，所以受激发射的光是很强的。这就是激光。激光这个词是从英文原文“LASER〞一词翻译过来的，它的完整的英文原文是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation台情〞 (光辐射受激发射放大)，“LASER1100.la〞是它的缩写。简单地说：激光器的实质是一个光放大器。
在实践中，要想产生激光，就必须满足两个条件：首先到能够实现粒子数反转的工作物质，也就是激光介质；第二要建立一个谐振腔，使某一个频率的能量源〔可以是谐振腔外的，也可以是谐振腔内的〕在腔内谐振，在激光介质中屡次往返时，有足够的时机去鼓励〔泵浦〕处于粒子数反转状态
图1.6 激光的产生示意图
的激光介质。只有这样，才能产生激光。这些受激发射的光子又去激发其它原子，一个变两个、两个变四个、四个变八个、……，产生连锁反响，光强被雪崩似地放大。因而产生强烈的激光。
通常是在激光介质的两端各放置一个反射镜来组成谐振腔，以形成光学反响。它的作用是将那些沿介质长轴发射的光子反射回介质中。两个反射镜中的一个被有意作成可以透过一个很小百分比的光强〔在激光器中被称为前镜，相应的另外一个反射镜被称为后镜〕，这就是激光输出〔见图1.6〕。
1.2 激光器原理
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1.2.1 Nd: YAG激光器原理
Nd: YAG激光器是固态晶体激光器的一种，它采用Nd: YAG晶体棒作激光介质。Nd: YAG晶体是将激光介质钕(Nd)原子掺在生晶体钇铝石榴石(YAG)中，Nd原子在YAG中的最正确含量约为总重量的1％。所以，Nd: YAG晶体的全称是掺钕钇铝石榴石晶体。Nd: YAG晶体一
周璇般被制作成棒状，这种材料的制作是很困难的，且价格昂贵。但由于它具有良好的光学性能、机械性能和热学性能，所以是高功率激光器的最正确选材之一。
μμm的光线，用这一波长的光来鼓励Nd原子是最为有效的。
将Nd: YAG晶体棒与氪灯并排放置在一个椭圆型的光学腔内，光学腔的内外表形状是经过精心设计的，以便保证氪灯发出的泵浦光能够全部聚集到Nd: YAG晶体棒的中心轴上。由一个反射率为100％的反射镜作后镜，前镜的反射率为精心设计的90％〔透过率为10％〕，它们共同组成光学谐振腔，以实现光学谐振。
图1.7 Nd: YAG激光器原理图
μμm泵浦光的鼓励下，处于基态的Nd原子跃迁到两个上能级中的一个，原子在这里的上能级寿命非常短，大约只有10-7 秒，这里称这一能级为激发态；第二步：原子在激发态迅速地进行一次无发射的跃迁，到达另一个上能级，原子在这里的上能级寿命较长，大约为10-4 μm的光子，这就是激光；第四步：原子在这里再发生一次无发射的跃迁到达基态，准备重复上述过程。
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