激光設備是利用激光進行作業的儀器設備,而激光器是激光設備的核心光學系統,能夠生成并輸出激光。激光器主要由泵浦源、增益介質(工作物質)、泵浦源和諧振腔三部分組成。泵浦源為增益介質提供能量激勵;增益介質受激后產生光子從而生成并放大激光;諧振腔是光子特性(頻率、相位和運行方向)的調節場所,通過控制腔內光子振蕩來獲得高質量的輸出光源。
以半導體泵浦光纖激光器為例,我們進一步詳細解釋激光器產生激光的全過程,其具體過程可以詳細拆分為以下五步。第一步導入泵浦光,半導體激光器作為激光器泵浦源發射具有一定線寬的泵浦光,通過合束器后進入光纖;第二步給增益介質賦能,增益光纖吸收特定波長的泵浦光從而使得粒子向上發生能級躍遷達到亞穩態;第三步自發輻射形成光子,亞穩定狀態粒子自發向下躍遷釋放能量,產生方向和相位各異的光子;第四步受激輻射實現光放大,沿軸線運動的光子可以在反射鏡(光柵)之間來回往復運動(非沿軸線光子很快逸出),而光子每次遇到增益介質的高能(亞穩態)粒子時都能令增益介質粒子釋放能量產生同質光子,從而達到光放大效果;第五步激光輸出,達到一定要求后實現連續或者脈沖形式的激光輸出。
激光器是激光生成的核心載體,居于整個激光產業鏈的核心中樞位置,占終端設備成品成本的 30%-50%。激光器構造復雜,技術壁壘較高,是大量光學材料和元器件組成的有機系統。作為終端設備的核心光學系統,激光器的性能往往直接決定激光設備輸出光束的質量和功率,是下游激光設備最核心的光學部件。