各類激光詳解
按激光光的收激物質分類，主要的分類方式來分:
1、 絕緣固體(ti) 激光(Solid state laser)
2、 液體(ti) 激光
3、 氣體(ti) 激光(Gaseous laser)
4、 化學激光(Chemical laser)
5、 半導體(ti) 激光(Semiconductor laser)
6、 色中心(Color-center)激光
7、 自由電子 (Free electron) 激光
8、 倍頻(Frequency double)激光
1、絕緣固體(ti) 激光(Solid state laser)
這種激光的激光介質是摻有雜質的絕緣質固體(ti) ，包括晶體(ti) 激光、玻璃激光與(yu) 光纖激光。晶體(ti) 、玻璃與(yu) 光纖是寄主材料(host material)，其中取代某些寄主離子的「雜質(Impurity)」離子是激光的主動介質。例如紅寶石的寄主是三氧化二鋁晶體(ti) (Sapphire；常譯為(wei) 「藍寶石」) ，主動介質是鉻【鉻讀作「各」】離子(Cr3+)。下文中，將用「Cr3+：Al2O3」這樣的記號表示主動介質與(yu) 寄主，以及「鉻―氧化鋁激光」形式的記號表示激光名稱。
一種主動介質，可以摻入於(yu) 幾種晶體(ti) 、玻璃與(yu) 光纖中。由於(yu) 各寄主中的電子分布及對稱性有差別，所以同一種離子在其中的能階結構及能階差有差異，產(chan) 生的激光光波長可能相近，但不會(hui) 完全相同。例如，釹【釹讀作「女」】離子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波長。以不同材料為(wei) 寄主的其他差異，在於(yu) 增益、散熱性、可用之晶體(ti) 長度等。這些因素會(hui) 影響激光能達到的功率，因而影響商品規格及價(jia) 格。
a、紅寶石(Ruby laser)激光
紅寶石激光可產(chan) 生694.3 nm及692.8 nm的激光光，但後者的增益較低，一般都取其694.3 nm的輸出。
b、釹離子(Nd3+)的激光
釹離子的激光中，釹-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音譯，它代表釔鋁石榴石(Yttrium aluminum garnet；Y3Al5O12)。主動介質是YAG晶體(ti) 中，取代約１%釔離子(Y3+)的釹離子。（釹離子的相關(guan) 激光之波長）
c、鈦-藍寶石(Titanium-sapphire)激光及其他可變頻固體(ti) 激光
鈦-藍寶石激光的主動介質，是摻入Al2O3晶體(ti) 中的Ti3+離子，它取代鋁離子。它有兩(liang) 個(ge) 特點：(1)輸出激光光頻率可在660至1,180 nm之間調變；(2)它可以產(chan) 生短於(yu) 100 fs的超短脈波。（可調波長的固體(ti) 激光）
d、其他固體(ti) 激光
其他固體(ti) 激光
2、液體(ti) 激光
液體(ti) 激光是以溶於(yu) 溶劑的染料作為(wei) 主動介質，通常稱為(wei) 染料激光(Dye laser)。染料分子具有含多個(ge) 苯環的複雜結構。它們(men) 的能階中，對應於(yu) 每個(ge) 電子能階，有許多間隔細密的振動能階，成帶狀分布，所以一個(ge) 範圍內(nei) 的頻率，都能發生躍遷，而產(chan) 生激光光。
另一方麵，染料的能階結構也使它能吸收頻率範圍相當廣的激發光，這些頻率大多在紫外線和可見光波段。用不同的激發波長照射一種染料，產(chan) 生的激光光波長也會(hui) 不同。（薔薇紅6G激光光波長數據）
一部可調變激光光波長的裝置，可以產(chan) 生多種需要的激光光，所以用途相當廣。但是固體(ti) 激光在體(ti) 積、耗電量、電壓需求、冷卻需求、安全性、穩定性方麵的優(you) 點，比染料激光高出許多。這些優(you) 點使固體(ti) 激光在小型化及可移植性(Portability)方麵占盡優(you) 勢。由於(yu) 固體(ti) 可變頻激光的適用波長範圍仍多屬紅外線區，雖然可以藉放大器及非線性變頻裝置，產(chan) 生波長較短的高質量光束，有許多波長範圍仍未可及，所以染料激光在目前仍有存在及利用的空間。
3、氣體(ti) 激光(Gaseous laser)
以氣體(ti) 為(wei) 主動介質的激光中，包括中性原子激光、離子氣體(ti) 激光、金屬蒸汽激光、分子氣體(ti) 激光、準分子激光。分別介紹如下：
(1)、稀有氣體(ti) 元素的中性原子激光與(yu) 離子氣體(ti) 激光
a、中性原子激光
中性原子激光與(yu) 離子氣體(ti) 激光的差別，在於(yu) 前者的激光光來自中性原子能階( 如圖二所示氦原子與(yu) 氖原子能階 )之間的躍遷，後者是離子的能階( 如Ar+,Kr+ )間之躍遷。因此，氬激光(Argon laser)與(yu) 氬離子激光(Argon ion laser)並不相同，前者的激光光波長屬於(yu) 紅外線波段，後者則在可見光和紫外線區。但是，一方麵氬激光很少見，另一方麵為(wei) 了便於(yu) 稱呼，人們(men) 常將氬離子激光簡稱為(wei) 氬激光。不但中文敘述如此，英文文獻亦見此用法，所以在不致混淆的時候，仍可用氬激光稱呼氬離子激光。
中性原子激光中，最常見的是氦氖激光。它的紅光尤其為(wei) 大家所熟悉。它的光色顯著，所以常用作非可見光激光中的指引光束(Guiding beam)。其優(you) 越的同調性及方便的操作條件(隻須氣冷、110V的電壓、價(jia) 格相對地低廉)，使它廣用於(yu) 掃描讀碼裝置及全像等。
b、離子激光
稀有氣體(ti) 離子激光中，以氬離子激光及氪離子激光為(wei) 最常見。除了直接利用之外，氬離子激光常以其紫外線及藍綠光激發染料激光。20W機型可產(chan) 生275.4至1090.0 nm的一些激光光。主要的可見光波長分別是514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。藍綠光波段中，最強而最常用的是514.5及488 nm。
氪離子激光可產(chan) 生337.4至799.3 nm，最強的是647.1 nm，其次為(wei) 413.1及530.9 nm。商品中，有將氬氣與(yu) 氪氣混合的機型。
(2)、金屬蒸汽的中性原子激光與(yu) 離子激光
a、中性原子激光
Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金屬的蒸汽，都是中性原子激光的主動介質。它們(men) 的蒸汽中，常混入低壓力的惰性氣體(ti) ，以提高放電效率。銅蒸汽激光商品可產(chan) 生100W以上的綠光(511 nm)及黃光(578 nm)，金蒸汽激光則可得數十瓦的紅光 (628 nm)。
這兩(liang) 種激光有很多用途，例如血紫質衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光譜的峰值約為(wei) 628 nm，而癌細胞能吸收此物質。此物質受到628 nm的激光光照射後會(hui) 分解，產(chan) 生可殺死癌細胞的物質。不過，銅蒸汽激光激發染料激光，也可得到這種光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578 nm的激光可以除去某些胎記，效果優(you) 於(yu) 用氬離子激光。#p#分頁標題#e#
b、離子激光
金屬蒸汽離子激光中，氦鎘(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦鋅(He-Zn)等激光為(wei) 此家族中之成員。氦鎘激光的325 nm紫外線，和441.6 nm藍光，是最常見的輸出。加上特殊設計時，它可同時產(chan) 生紅光(635.6及636.0 nm)和綠光(533.7及537.8 nm)。它的短波長成分，在信息處理方麵很有用。適當調配各波長的輸出，幾乎可以產(chan) 生所有可見光的顏色，因而它的白光激光產(chan) 品也是有名的。儲(chu) 存密度及鑒別能力的提高，使它在量度、檢驗、記錄、印刷等方麵有許多應用。
(3)、分子氣體(ti)
二氧化碳激光和氮氣激光是最常見的分子氣體(ti) 激光，其主要激光光分屬紅外線(10,640 nm)及紫外線(337 nm)。生物組織中的水分會(hui) 吸收它的10,640 nm激光光，所以能用於(yu) 手術，所需激光光功率約為(wei) 50W。此外，非金屬材料的加工、金屬表麵的熱處理、光譜學及光化學研究、環境遙測、測距、激發其他激光、產(chan) 生離子體(ti) (俗稱電漿；Plasma)等，也都可用二氧化碳激光來進行。
氮氣激光的紫外線激光光，適合激發染料激光，及使多種物質產(chan) 生熒光，而可用於(yu) 檢驗及研究工作。其缺點在於(yu) 效率及功率均低，每個(ge) 脈波的能量大約隻有10mJ，平均功率約為(wei) 數百mW。
(4)、準分子(Excimer)激光
準分子一詞的原意，是「兩(liang) 個(ge) 同種原子組成，而隻存在於(yu) 受激態的分子」，如稀有氣體(ti) 分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名為(wei) Excited Dimer 組合成的術語。現在已經將它的適用範圍放寬，以包括「不存在於(yu) 基態，隻以受激態呈現的任何雙原子分子(有時還包括三原子分子)」。重要的準分子激光，以稀有氣體(ti) 的鹵化物為(wei) 主動介質，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因為(wei) 受激態常以星號(*)上標表示，所以有些數據上寫(xie) 成ArF*等。
準分子不會(hui) 自然出現，而是在氣體(ti) 混合物中放電時形成的。此外，用電子束撞擊，或在導波管型裝置中以微波激發，也都可以造成準分子。它的激光光來自準分子解離成原子的電子躍遷，所以其激光光屬紫外線，應用於(yu) 精細蝕刻(如電路製程)、化學蒸著(Chemical vapor deposition)、化學反應研究及醫療上的用途較多。這些應用中，有的是以準分子激光激發可變頻激光之後進行的。
商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等準分子居多，激光光頻率分別是193、249、308、350 nm。
4、化學激光(Chemical laser)
由化學反應造成居量反轉的激光，稱為(wei) 化學激光。
在化學、軍(jun) 事、材料研究與(yu) 生物醫學方麵，都有化學激光發揮所長之處。例如氟化氫激光的光束可能是骨科手術所需要的。氟化氫激光中的反應可表示為(wei) 2F2 + H2 →2HF* + F2，其實它的細部反應是鏈式反應：F + H2 →HF* + H ，F2 + H → HF* + F，而且可用放電使反應啟動。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有類似作用。
化學激光的波長
5、半導體(ti) 激光(Semiconductor laser)
半導體(ti) 激光是用半導體(ti) 製成的，其構造及電性質為(wei) 二極管(Diode)，也就是具有兩(liang) 個(ge) 外接電路端點，分別位於(yu) 其中的p型與(yu) n型部分，其間有個(ge) 接麵(Junction)。因此，半導體(ti) 激光又名半導體(ti) 二極管激光(Semiconductor diode laser)或二極管激光(Diode laser)。
電流較低時，它成為(wei) 發光二極管(Light emitting diode；LED)，發出自發射的光；電流夠大的時候，才能造成自由電子的居量反轉。另一方麵，製程中適當的步驟使二極管兩(liang) 端具有相當高的反射率，就具備激光所需要的條件。
半導體(ti) 激光技術的研發，使半導體(ti) 激光成為(wei) 效率很高的激光，但散熱仍是重要問題。此外，端射型及麵射型激光數組的研發，使係統產(chan) 生的光束在能量及控製方麵提升許多。隨著半導體(ti) 種類的擴增，半導體(ti) 激光能產(chan) 生的波長，也不斷增加。下表列出幾種室溫下操作的半導體(ti) 激光的波長數據。
半導體(ti) 激光的例子：
半導體(ti) 激光的介質體(ti) 積小(典型尺寸約為(wei) 10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作電流及電壓低，消耗能量少，所以為(wei) 人們(men) 所樂(le) 於(yu) 使用。用許多個(ge) 半導體(ti) 激光激發其他的固體(ti) 激光，是一種很有價(jia) 值的應用。
6、色中心(Color-center)激光
堿金屬的鹵化物晶體(ti) 中有某些雜質時，受到適當輻射照射後會(hui) 顯現顏色。鹵化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等，雜質則有Li、Na等。這些雜質稱為(wei) 「色中心」。
7、自由電子 (Free electron) 激光
自由電子激光(FEL)以極高真空中的高速自由電子為(wei) 主動介質。其波長可以調變，由微波到軟X射線都可能。因此是一部裝置可執行多種功能。現在的研究方向之一，是開發桌上型的機種，以便擴大應用場合，並降低價(jia) 格。
8、倍頻(Frequency double)激光
倍頻激光實際上是加上倍頻晶體(ti) 的激光，但是有些數據上用造成倍頻效應的晶體(ti) 稱呼它們(men) ，例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此，本文列出這一項，以引起讀者注意KDP及KTP並非激光的主動介質，並略為(wei) 介紹此類晶體(ti) 。倍頻是非線性光學晶體(ti) (Nonlinear optical crystal)的功能之一。選用晶體(ti) 時，產(chan) 生倍頻波的適用波段及轉換效率(Conversion efficiency)是重要指標。其他要注意的項目包括是否會(hui) 潮解、會(hui) 造成損壞的光強度、晶體(ti) 切割方向及鍍膜狀況等。
KDP是磷酸二氫鉀(KH2PO4)，為(wei) 最早使用的倍頻晶體(ti) ，某些條件下的轉換效率很高，但是會(hui) 潮解，須注意防範。KTP是磷酸鉀鈦氧(KTiOPO4)，性能與(yu) KDP相似，但是不會(hui) 潮解。偏硼酸鋇(Beta barium borate，β-BaB2O4； BBO)是較受重視的一種非線性光學晶體(ti) ，它具有一些優(you) 良性質，但與(yu) 其他晶體(ti) 相同，並非適用於(yu) 一切場合。舉(ju) 例來說，有些晶體(ti) 適合產(chan) 生二倍頻，但不適用於(yu) 三倍頻。