激 光

激光的特点 1、相干性好 2、方向性强 3、单色性好

1、相干性好

一个几十瓦的电灯泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直径的小球内，就可以得到很高的光功率密度，用这个能量能把钢板打穿。然而，普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。 激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2•sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。

2、方向性强

激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多，它几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。

3、单色性好：

受激辐射光（激光）是原子在发生受激辐射时释放出来的光，其频率组成范围非常狭窄，通俗一点讲，就是受激辐射光单色性非常好，激光的“颜色”非常的纯（不同颜色，实际就是不同频率）。激光的单色性是实现激光加工的重要因素。我们可以通过简单的物理实验来说明这个问题。 我们使用三棱镜，可以将一束太阳光分解成七色光谱带，其原理是日光其实是多种波长的光混合在一起的复色光，不同波长的光透过同一介质时，由于在介质中折射率的不同，使各色光的传播方向发生不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱带。 典型灯泵浦YAG激光器原理 在一个截面为椭圆形的腔体内，两个焦点上分别放置激光棒和氪灯，在一个焦点上（氪灯）发出一定波长的光，经过反射腔体内壁的反射，会聚在腔体的另一个焦点上（激光棒），使工作物质里的粒子受到激发，粒子受激吸收后，处于低能态的原子由于吸收了外界辐射而发生能级跃迁，继而释放出激光，产生的激光在全反射镜片和部分反射镜片之间进行来回振荡，当能量达到一定值时，就可以从部分反射镜片透过，这就实现了激光的输出。

各类激光详解

按激光光的收激物质分类，主要的分类方式来分: 1、 绝缘固体激光(Solid state laser)

2、 液体激光

3、 气体激光(Gaseous laser) 4、 化学激光(Chemical laser)

5、 半导体激光(Semiconductor laser) 6、 色中心(Color-center)激光

7、 自由电子 (Free electron) 激光 8、 倍频(Frequency double)激光 1、绝缘固体激光(Solid state laser)

这种激光的激光介质是掺有杂质的绝缘质固体，包括晶体激光、玻璃激光与光纤激光。晶体、玻璃与光纤是寄主材料(host material)，其中取代某些寄主离子的「杂质(Impurity)」离子是激光的主动介质。 例如红宝石的寄主是三氧化二铝晶体(Sapphire；常译为「蓝宝石」) ，主动介质是铬【铬读作「各」】离子(Cr3+)。下文中，将用「Cr3+：Al2O3」这样的记号表示主动介质与寄主，以及「铬―氧化铝激光」形式的记号表示激光名称。

一种主动介质，可以掺入于几种晶体、玻璃与光纤中。由于各寄主中的电子分布及对称性有差别，所以同一种离子在其中的能阶结构及能阶差有差异，产生的激光光波长可能相近，但不会完全相同。例如，钕【钕读作「女」】离子(Nd3+)的激光都有接近1μm但不相等的波长。以不同材料为寄主的其他差异，在于增益、散热性、可用之晶体长度等。这些因素会影响激光能达到的功率，因而影响商品规格及价格。

a、红宝石(Ruby laser)激光

红宝石激光可产生694.3 nm及692.8 nm的激光光，但后者的增益较低，一般都取其694.3 nm的输出。 b、钕离子(Nd3+)的激光

钕离子的激光中，钕-雅克(Nd-YAG)激光是知名度最高的。雅克是YAG的音译，它代表钇铝石榴石(Yttrium aluminum garnet；Y3Al5O12)。主动介质是YAG晶体中，取代约１%钇离子(Y3+)的钕离子。（钕离子的相关激光之波长） c、钛-蓝宝石(Titanium-sapphire)激光及其他可变频固体激光

钛-蓝宝石激光的主动介质，是掺入Al2O3晶体中的Ti3+离子，它取代铝离子。它有两个特点：(1)输出激光光频率可在660至1,180 nm之间调变；(2)它可以产生短于100 fs的超短脉波。（可调波长的固体激光） d、其他固体激光 其他固体激光 2、液体激光

液体激光是以溶于溶剂的染料作为主动介质，通常称为染料激光(Dye laser)。染料分子具有含多个苯环的复杂结构。它们的能阶中，对应于每个电子能阶，有许多间隔细密的振动能阶，成带状分布，所以一个范围内的频率，都能发生跃迁，而产生激光光。

另一方面，染料的能阶结构也使它能吸收频率范围相当广的激发光，这些频率大多在紫外线和可见光波段。用不同的激发波长照射一种染料，产生的激光光波长也会不同。（蔷薇红6G激光光波长数据）

一部可调变激光光波长的装置，可以产生多种需要的激光光，所以用途相当广。但是固体激光在体积、耗电量、电压需求、冷却需求、安全性、稳定性方面的优点，比染料激光高出许多。这些优点使固体激光在小型化及可移植性(Portability)方面占尽优势。由于固体可变频激光的适用波长范围仍多属红外线区，虽然可以藉放大器及非线性变频装置，产生波长较短的高质量光束，有许多波长范围仍未可及，所以染料激光在目前仍有存在及利用的空间。 3、气体激光(Gaseous laser)

以气体为主动介质的激光中，包括中性原子激光、离子气体激光、金属蒸汽激光、分子气体激光、准分子激光。分别介绍如下： (1)、稀有气体元素的中性原子激光与离子气体激光 a、中性原子激光

中性原子激光与离子气体激光的差别，在于前者的激光光来自中性原子能阶( 如图二所示氦原子与氖原子能阶 )之间的跃迁，后者是离子的能阶( 如Ar+,Kr+ )间之跃迁。因此，氩激光(Argon laser)与氩离子激光(Argon ion laser)并不相同，前者的激光光波长属于红外线波段，后者则在可见光和紫外线区。但是，一方面氩激光很少见，另一方面为了便于称呼，人们常将氩离子激光简称为氩激光。不但中文叙述如此，英文文献亦见此用法，所以在不致混淆的时候，仍可用氩激光称呼氩离子激光。

中性原子激光中，最常见的是氦氖激光。它的红光尤其为大家所熟悉。它的光色显著，所以常用作非可见光激光中的指引光束(Guiding beam)。其优越的同调性及方便的操作条件(只须气冷、110V的电压、价格相对地低廉)，使它广用于扫描读码装置及全像等。 b、离子激光

稀有气体离子激光中，以氩离子激光及氪离子激光为最常见。除了直接利用之外，氩离子激光常以其紫外线及蓝绿光激发染料激光。20W机型可产生275.4至1090.0 nm的一些激光光。主要的可见光波长分别是514.5、501.7、496.5、 488.0、476.5、472.7、465.8、457.9、454.5 nm。蓝绿光波段中，最强而最常用的是514.5及488 nm。

氪离子激光可产生337.4至799.3 nm，最强的是647.1 nm，其次为413.1及530.9 nm。商品中，有将氩气与氪气混合的机型。 (2)、金属蒸汽的中性原子激光与离子激光 a、中性原子激光

Au,Cu,Ba,Sn,Pb,Zn等金属的蒸汽，都是中性原子激光的主动介质。它们的蒸汽中，常混入低压力的惰性气体，以提高放电效率。铜蒸汽激光商品可产生100W以上的绿光(511 nm)及黄光(578 nm)，金蒸汽激光则可得数十瓦的红光 (628

nm)。

这两种激光有很多用途，例如血紫质衍生物(Hemoporphyrin derivative)吸收光谱的峰值约为628 nm，而癌细胞能吸收此物质。此物质受到628 nm的激光光照射后会分解，产生可杀死癌细胞的物质。不过，铜蒸汽激光激发染料激光，也可得到这种光，而不必依靠金蒸汽激光。此外，578 nm的激光可以除去某些胎记，效果优于用氩离子激光。 b、离子激光

金属蒸汽离子激光中，氦镉(He-Cd)激光是最主要的，氦硒(He-Se)、氦锌(He-Zn)等激光为此家族中之成员。氦镉激光的325 nm紫外线，和441.6 nm蓝光，是最常见的输出。加上特殊设计时，它可同时产生红光(635.6及636.0 nm)和绿光(533.7及537.8 nm)。它的短波长成分，在信息处理方面很有用。适当调配各波长的输出，几乎可以产生所有可见光的颜色，因而它的白光激光产品也是有名的。储存密度及鉴别能力的提高，使它在量度、检验、记录、印刷等方面有许多应用。

(3)、分子气体

二氧化碳激光和氮气激光是最常见的分子气体激光，其主要激光光分属红外线(10,640 nm)及紫外线(337 nm)。生物组织中的水分会吸收它的10,640 nm激光光，所以能用于手术，所需激光光功率约为50W。此外，非金属材料的加工、金属表面的热处理、光谱学及光化学研究、环境遥测、测距、激发其他激光、产生离子体(俗称电浆；Plasma)等，也都可用二氧化碳激光来进行。

氮气激光的紫外线激光光，适合激发染料激光，及使多种物质产生荧光，而可用于检验及研究工作。其缺点在于效率及功率均低，每个脉波的能量大约只有10mJ，平均功率约为数百mW。 (4)、准分子(Excimer)激光

准分子一词的原意，是「两个同种原子组成，而只存在于受激态的分子」，如稀有气体分子He2、Ar2、Xe2等；其英文原名为 Excited Dimer 组合成的术语。现在已经将它的适用范围放宽，以包括「不存在于基态，只以受激态呈现的任何双原子分子(有时还包括三原子分子)」。重要的准分子激光，以稀有气体的卤化物为主动介质，如ArF, KrF, XeF, KrCl, XeCl等。因为受激态常以星号(*)上标表示，所以有些数据上写成ArF*等。

准分子不会自然出现，而是在气体混合物中放电时形成的。此外，用电子束撞击，或在导波管型装置中以微波激发，也都可以造成准分子。它的激光光来自准分子解离成原子的电子跃迁，所以其激光光属紫外线，应用于精细蚀刻(如电路制程)、化学蒸着(Chemical vapor deposition)、化学反应研究及医疗上的用途较多。这些应用中，有的是以准分子激光激发可变频激光之后进行的。

商品以ArF, KrF, XeCl, XeF等准分子居多，激光光频率分别是193、249、308、350 nm。

4、化学激光(Chemical laser)

由化学反应造成居量反转的激光，称为化学激光。

在化学、军事、材料研究与生物医学方面，都有化学激光发挥所长之处。例如氟化氢激光的光束可能是骨科手术所需要的。氟化氢激光中的反应可表示为2F2 + H2 →2HF* + F2，其实它的细部反应是链式反应：F + H2 →HF* + H ，F2 + H → HF* + F，而且可用放电使反应启动。另外的例子是C2N2 + O2 →2CO + N2 +127 kcal。DF, HCl, HBr 等亦有类似作用。 化学激光的波长

5、半导体激光(Semiconductor laser)

半导体激光是用半导体制成的，其构造及电性质为二极管(Diode)，也就是具有两个外接电路端点，分别位于其中的p型与n型部分，其间有个接面(Junction)。因此，半导体激光又名半导体二极管激光(Semiconductor diode laser)或二极管激光(Diode laser)。

电流较低时，它成为发光二极管(Light emitting diode；LED)，发出自发射的光；电流够大的时候，才能造成自由电子的居量反转。另一方面，制程中适当的步骤使二极管两端具有相当高的反射率，就具备激光所需要的条件。

半导体激光技术的研发，使半导体激光成为效率很高的激光，但散热仍是重要问题。此外，端射型及面射型激光数组的研发，使系统产生的光束在能量及控制方面提升许多。随着半导体种类的扩增，半导体激光能产生的波长，也不断增加。下表列出几种室温下操作的半导体激光的波长数据。 半导体激光的例子：

半导体激光的介质体积小(典型尺寸约为10μm ×300μm ×500μm)、效率高、功率高、操作电流及电压低，消耗能量少，所以为人们所乐于使用。用许多个半导体激光激发其他的固体激光，是一种很有价值的应用。 6、色中心(Color-center)激光

碱金属的卤化物晶体中有某些杂质时，受到适当辐射照射后会显现颜色。卤化物的例子有KCl、 RbCl 、LiF、KF等，杂质则有Li、Na等。这些杂质称为「色中心」。

7、自由电子 (Free electron) 激光

自由电子激光(FEL)以极高真空中的高速自由电子为主动介质。其波长可以调变，由微波到软X射线都可能。因此是一部装置可执行多种功能。现在的研究方向之一，是开发桌上型的机种，以便扩大应用场合，并降低价格。 8、倍频(Frequency double)激光

倍频激光实际上是加上倍频晶体的激光，但是有些数据上用造成倍频效应的晶体称呼它们，例如KDP(Potassium dihydrogen phosphate)激光及KTP(Potassium titanyl phosphate)激光。因此，本文列出这一项，以引起读者注意KDP及KTP并非激光的主动介质，并略为介绍此类晶体。倍频是非线性光学晶体(Nonlinear optical crystal)的功能之一。选用晶体时，产生倍频波的适用波段及转换效率(Conversion efficiency)是重要指标。其他要注意的项目包括

是否会潮解、会造成损坏的光强度、晶体切割方向及镀膜状况等。

KDP是磷酸二氢钾(KH2PO4)，为最早使用的倍频晶体，某些条件下的转换效率很高，但是会潮解，须注意防范。KTP是磷酸钾钛氧(KTiOPO4)，性能与KDP相似，但是不会潮解。偏硼酸钡(Beta barium borate，β-BaB2O4； BBO)是较受重视的一种非线性光学晶体，它具有一些优良性质，但与其他晶体相同，并非适用于一切场合。举例来说，有些晶体适合产生二倍频，但不适用于三倍频。

激光器的结构

激光三要素:工作介质、激励源 1、激光工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。显然，亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。 2、激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

3、谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。还需要将辐射的光进行放大，于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去，部分反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的，经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。 激光器的种类：

对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。 1、固体激光器

一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。 2、气体激光器

气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一种。 3、半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。 4、液体激光器

常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。

激光产生过程

以红宝石激光器为例，原子首先吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。原子处于受激态的时间非常短，大约为10－7秒后，它便会落到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是10－3秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此时的状态称就是粒子数反转。其产生的结果就导致使通过受激辐射由亚稳回到基态（E1）的原子，比通过受激吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证介质内的光子可以增多，从而形成激光。这就是典型的激光三能级系统。

当粒子受外界能量激励从E1到E3，由于E3能级寿命短，很快转移到E2上，因能级E2为亚稳态，在E2、E1间实现粒子数反转分布。由于下能级E1为基态，通常总是积聚着大量的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到E2上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。

而我们所用的YAG激光系统属于四能级系统。如所示，能级E1为基态，E2、E3、E4为激发态。在外界激励的条件下，基态E1上的粒子大量被激发到E4上，又迅速转移到E3上，E3能级为亚稳态，寿命较长。而E2能级寿命很短，E2上的粒子又很快跃迁到基态E1，所以，四能级系统中，粒子数反转是在E3与E2间实现。

也就是说，能实现粒子数反转的激光下能级是E2，不像三能级系统那样，为基态E1。因为E2不是基态，所以在室温下，E2能级上的粒子数非常少。因而粒子数反转在四能级系统比三能级系统容易实现。常见激光器中，除掺钕钇铝石榴石（简Nd3+:YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或四个能级。

激光产生原理

要学习激光原理我们需要先了解以下这些概念 1、能级

物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。 2、跃迁

电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。 3、自发辐射

指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为hv=E2-E1，即两个能级之间的能量差。 这种辐射的特点是每一个电子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。 4、受激吸收

受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。 电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）都是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。 5、受激辐射

受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。

光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相位，此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。

6、受激吸收和受激辐射之间的关系

那么到底原子吸收外来的光子后，是表现为受激吸收呢还是受激辐射呢？

在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。 如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。

若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布规律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。 7、粒子数反转

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。 因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。那么如何才能达到粒子数反转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。 8、波尔兹曼分布规律

在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这就是著名的波耳兹曼分布规律。

于是在上、下两个能级上的原子数密度比为：N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT} 式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。因为E2>E1，所以N2《N1。例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0

可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。

激光安全知识

一、激光之电磁辐射危险性 二、相关的危险性及防范措施

三、激光危险(Laser hazard)的分级

四、基本安全观念与措施

一、激光之电磁辐射危险性

以氦氖激光(Helium-neon laser)为例，放电及碰撞使其中的游离电子、氦原子与氖原子获得能量，因而都成为电磁辐射的来源，其中一部份是可以放大的激光辐射，输出后成为激光；其余则称为附加辐射(Collateral radiation)。

1、激光的危险性

激光光的高强度，使它与生体组织产生极剧烈的光化学(Photochemical)、光热(Photothermal)、光动力(Photodynamic)、光剥离(Photodisruption)、光波电磁场等交互作用，而造成严重的伤害。周围的器材，尤其是可燃、可爆物，也会因而引起灾害。高度同调性造成的干涉，使相长干涉(Constructive interference) 处的光更强，因此会导致更高的危害。

a、对于眼睛的危险性

人眼的角膜(Cornea)与结膜(Conjunctiva)没有受到如一般皮肤角质层的保护，最容易受到光束及其他环境因素的侵袭。激光光的强度很高，以致眼睑的反射动作产生保护作用之前，就造成伤害了。

眼睛所受的伤害与波长有关：可见光(Visible light)与红外线(Infrared)中的IR-A影响视网膜；紫外线(Ultraviolet)中的UV-B、UV-C及红外线的IR- B、IR-C影响角膜)；可见光和短波红外线(Near infrared；IR-A)会穿过清澈的眼中物质，而被视网膜吸收，所以若光束太强，就会伤害视网膜。激光光的高准直性(Collimation)，使光线能会聚于一个很小的点，在视网膜上约为10至20μm (比头发还细)。因此，400nm到1400nm之间的激光，对视网膜具有特别高的危险性，这个波段称为视网膜危险区(Retinal hazard region)。 由于热流和震波(Shock wave)的影响，环绕成像区的组织也可能受损，而对视觉功能造成更严重的后果。因为视网膜神经组织的修复能力甚低，这种伤害一般而言都是永久性的。

视网膜危险区之外的电磁波，包括紫外线和长波红外线(Far infrared)，则可能使眼睛的前方部分受伤。有些波段会伤害水晶体(Lens)，295nm至320nm以及1μm至2μm的辐射尤其严重。波段相当广的紫外线，以及波长大于1400nm的红外线，可能伤害角膜。只伤及角膜表皮时，一两天内就能修复，而使视力完全恢复。如果角膜的较深层部位发生显著伤害，会造成角膜瘢痕(Corneal scar)，而导致永久失明。

红外线的组织穿透深度(Penetration depth)方面，1,440 nm(如某些半导体激光)、1,540 nm(如铒-玻璃激光)、2,100 nm(如钬-雅克激光)均大于10,600 nm(二氧化碳激光)，所以前三者造成永久性伤害的危险性比较高[1]。308 nm的氯化氙(XeCl)

激光束，会使水晶体立即产生白内障(Cataract)，所以还具有额外的危险性。氩离子(Argon)、氪离子(Krypton)、KTP倍频(Double frequency)、铜蒸汽(Copper vapor)、金蒸汽(Gold vapor)、氦氖(Heliun-Neon)、钕-雅克(Nd:YAG)等激光，对于视网膜都具有潜在危险性。铒-雅克(Er:YAG)、铒-氟化钇锂(Er:YLF)、钬-雅克(Ho:YAG)、氟化氢(HF)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)等激光，则对角膜有危险性

b、对于皮肤的危险性

皮肤受伤害的原因，可能是光化学反应(主要在紫外线波段)，或热效应 (主要在红外线区)。例如红斑(晒斑) (Erythema)是表皮受伤所致，有时真皮也有某种程度的伤害，而这些伤害源于光化学引起的反应。如果了解其危险性，针对准分子(Excimer)的紫外线激光所需的保护皮肤措施，就容易规划及执行。可见光与红外线激光束的照射，可能造成一级、二级和三级灼伤。能引起严重热灼伤的辐照度，也可能引燃纺织品，烧毁塑料制品 伤害的严重程度，决定于照射时间的长度，以及激光光的透入深度。一般说来，若照射时间持续1秒钟或更久，疼痛反应会引起闪避动作，使受照部位离开光束，因而曝照时间会只有1秒钟或更短。如果照射时间很短，10.6μm的高功率激光束不会造成深部组织的灼伤，因为这个波长的穿透深度很浅(约为20μm)，事实上不会透过正常表皮角质层的厚度。二氧化碳激光对于表皮的伤害，是由于从角质层至更深处的热传导。但是，受到1064nm钕―雅克短脉波照射时，因为它能穿过数mm而进入组织内，所以刚超过灼伤阈值的曝照量，就足以造成深而严重的灼伤。钬- 激光(2.1μm)、KTP倍频激光(二倍频的钕―雅克，532nm)或氩激光(488 及514.5nm)造成的灼伤深度，介于二氧化碳与钕―雅克之间聚焦后的手术激光光点，或光纤尖端密集的辐照度，是用来将组织汽化或剥离的，所以对于焦点附近的皮肤极具危险性。反射后的激光束可能引燃衣物，造成皮肤的伤害和悲剧性的后果。使皮肤受伤的实际阈值，通常是数个J/cm2之谱，而这个程度的曝照量，不至于发生在手术激光的焦点外。

2、附加辐射(Collateral radiation)的危险性

激光的激发装置所产生未经放大的电磁辐射，会由激光装置的激光光出口(孔径)(Aperture)或机壳的缝隙逸出。由于其中可能有游离辐射，如紫外线或X 射线，所以可能引起伤害，尤其是长期曝照之后的危险性更高。注意机壳的紧密程度，避免长期靠近可能有附加辐射之处，可以大幅减少发生这类危险的机会。 二、相关的危险性及防范措施

相关的危险是激光或外围对象，可能因不当操作或故障、损坏而引起的危险，也包括正常操作时因为相关物质发生变化，而造成的危险。本节列举这类危险的细目，并说明防范之道。 1、高压电击

由于漏电或误触电路引起。若有良好接地，电线没有破损，非维修人员不碰触激光电路，则可避免这种危险。 2、电失火

因为电线短路、超载，或是电路旁之器材不耐高温及撞击电路部分所造成。注意检查电线，适量分散插座及开关之负荷，适当安置周围器材可以预防这种危险。 3、电路组件爆裂

激光中的电容器(Capacitor)、变压器(Transformer)最有可能爆裂，并因而造成击伤、失火、短路等。除了请维修人员定期检查这些器件的状况，并作必要之更新以外，避免过度使用，提防散热不良，可防止这类危险。 4、其他对象爆裂

激发激光用的强闪光灯，充有主动介质(Active medium)的气体管或离子体管(Plasma tube)可能因为不小心碰撞而爆裂。这些器件应该有坚固的护罩防止受撞击，并应防止掉落。

5、低温冷剂或压缩气体的危险性

激光或侦测器等所用的冷凝剂(Cryogenic coolant) 或压缩气体，可能因容器(如钢瓶)不安全或放置不当，而造成危险。防止这种危险的方法是：使用通过安全检查的容器，并依安全规定稳固地放置这些物品。 6、有毒气体或粉尘

激光使组织因光照汽化及高温分解产生可能有害的空飘污染物。高温分解产物与烤肉的烟尘相似，含有毒性物质及亚硝基胺等已知可致癌的物质。光化学反应产物及准分子激光的卤素气体外溢等，都会造成类似的危险。

良好的面罩等护具，功能完善的局部抽气排烟设备，是不可或缺的安全设施。烟气排出之前，务必要妥善过滤。 7、其他有害物质

红外线透镜或侦测器中的碲(Te)、镉(Cd)，染料激光用的溶剂与染料，有些对象( 如变压器 )中的多氯联苯(Polychlorinated biphenyl; PCB)，都是可能释出的毒性物质。使用这些物质时，务必采取适当的预防措施，使这些物质意外释出时得以迅速清除，以免发生污染。例如搭配局部抽气装置，在染料循环系统周围安置一些容器，以接收溢出或喷出之染料及溶剂，都是必要而可行的。

三、激光危险(Laser hazard)的分级

激光的附加辐射之危险性和相关其他的危险性，大多可藉适当的装置及措施加以防范。因此，激光的主要危险性在于其光束本身。根据激光光的危险程度加以分级(1至4级)，可以分别采取恰当的安全措施，简化决定适当安全措施的程序，以免过与不及。关于激光之生物效应的基本认识，是了解激光危险性的知识基础。一旦知道危险在哪里，安全措施就显而易明了。 1、第一级 (Class 1)激光

激光打印机和各型光驱中，激光及其光束完全封闭于护罩内部，这是第1 级激光系统的一部份。在维修、调整过程中，这种系统的激光及光束即暴露出来，它的级别应视其波长与功率等因素认定之。

输出功率极低的激光，则是第1级激光中，与医疗应用较有关系的部分。它

的光束是可以安全地目视的，不会对眼睛、皮肤造成伤害。例如不超过0.39μW 的可见光激光；钕―雅克激光(Nd:YAG)基频(fundamental；1064nm)光束功率不超过 0.6mW，二倍频(second harmonic；double frequency；532nm)不超过0.39μW，四倍频(fourth harmonic；quadruple frequency；266nm)不超过0.8nW(0.8 x 10-9W)，都属于第一级。 2、第二级(Class 2)激光 第二级激光的光束久看有害，连续波可见光激光束功率高于第一级的上限，而低于1 mW时。这一级激光，也就是低危险激光。只有在故意反抗自然厌光反应(Aversion response)，持续凝视时，第二级激光才会造成眼部伤害。非可见光激光没有列入第二 级者。 3、第三级(Class 3)激光

总功率高于1.0mW的瞄准光束(Aiming beam)或对光激光(Alignment laser)，具有第三级危险性。即使只在完成厌光反应之前的短暂期间内，有第三级激光光进入眼睛，就会有伤害。第三级又分为三(a)、三(b)两个副级。

第三(a)级激光是光束功率为1至5mW，强度不超过25W/m2的可见光激光。如果它的光束大部分都进入眼中，会引起中度的眼睛伤害。辐射率（注1）较低时，久看有害；辐射率较高时，眼睛受短期照射，即造成伤害；用仪器观看亦立即造成伤害。非可见光激光也没有属于三(a)级激光者。

第三(b)级激光的光束直接照射眼睛与皮肤，立即造成伤害。它包含一些脉冲激光，以及输出功率介于5mW 与500mW之间的连续波激光。 4、第四级(Class 4)激光

输出功率高于0.5W(500mW)的连续波激光，属于第四级。如果使用不当，以致眼睛和皮肤受到直接光束或散射光束照射时，都会伤害眼睛与皮肤，及导致火灾。 5、注意事项

关于激光的级别，有三个特点值得加以强调：

a、能产生医疗作用的，大多属第三(b)级和第四级。 b、脉冲激光只有第一, 三(b)和四级。

c、因为眼睛的聚光作用，须慎估造成伤害之照射剂量。

四、基本安全观念与措施

了解激光危险性所在之后，当可就激光的安全使用，建立制造者与操作者、使用者、管理者分工配合的基本观念及措施。 1、激光产品制造者的安全责任

制造者应提供周到的防护步骤及设施，使其产品具有基本的安全性。购买者验收

时，则须确认所购产品具备此等安全性。

a、认定激光级别

制造者须测定光束质量，据以认定其产品之危险等级。 b、提供适切标示及指引

制造者须根据光束状况和级别，提供适切数据，包括在适当的位置( 如孔径处 ) 附着适当标志；并提供操作与维修之安全指引及重要规格数据。 c、备妥基本安全设施(注2)

激光产品应有坚固的护罩(Protective housing)、安全连锁(Safety interlock)、钥匙开关(Key switch)、发射指示器(Emission indicator)、光束弱化器(Attenuator)、手动重开机装置(Manual reset)等。 2、「激光安全措施」部分小节 过去40年里，人们对于与激光相关危险性的了解，大致与激光问世初期相同，只是在个别安全措施上逐步提出方便性较高的主张，也逐步提出执行上须注意的细节。未来的发展，应该是沿着这种轨迹前进，例如对各种护目镜材料的安全限度认识更多之后，可以研制各波长分别适用的护目镜，尽量减少对于其他波长光线的阻挡，而让使用者能藉其他波长的非激光光线进行工作【目前的护目镜阻挡的光波频率范围大多较宽，而非单独过滤某波长，透入佩戴者眼中的光，呈现的是被阻挡的波段之互补色】。 此外，人们将会不断辨识出受到激光光照射时可能产生有害物质的情况，而提出相关的警告及安全措施。强脉波之电磁场可能产生的游离效应，以及X射线激光等的可能问世，也会造成新的安全顾虑。激光安全研究人员势必要研拟可行而有效的安全措施。从事与激光有关工作的人员，必须注意这些新发展。