原理
半導體雷射器組成
紅綠藍可見波長纖綠雷射除自由電子雷射器外，各種雷射器的基本工作原理均相同，裝置的必不可少的組成部分包括激勵（或抽運）、具有亞穩態能級的工作介質和諧振腔（見光學諧振腔）3部分。激勵是工作介質吸收外來能量後激發到激發態，為實現並維持粒子數反轉創造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使雷射具有良好的定向性和相干性。
光子-內部結構模型圖 波長
| 雷射種類 | 波長（納米） |
| 氬氟雷射（紫外光） | 193 |
| 氪氟雷射（紫外光） | 248 |
| 氙氯雷射（紫外光） | 308 |
| 氮雷射（紫外光） | 337 |
| 氬雷射（藍光） | 488 |
| 氬雷射（綠光） | 514 |
| 氦氖雷射（綠光） | 543 |
| 氦氖雷射（紅光） | 633 |
| 羅丹明6G染料（可調光） | 570-650 |
| 紅寶石（CrAlO3）（紅光） | 694 |
| 釹-釔鋁石榴石（近紅外光） | 1064 |
| 二氧化碳（遠紅外光） | 10600 |
可見波長雷射術語解釋
雷射器激勵(泵浦)系統：是指為使雷射工作物質實現並維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。根據工作物質和雷射器運轉條件的不同，可以採取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。①光學激勵(光泵)。是利用外界光源發出的光來輻照工作物質以實現粒子數反轉的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。②氣體放電激勵。是利用在氣體工作物質內發生的氣體放電過程來實現粒子數反轉的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。③化學激勵。是利用在工作物質內部發生的化學反應過程來實現粒子數反轉的，通常要求有適當的化學反應物和相應的引發措施。④核能激勵。是利用小型核裂變反應所產生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質並實現粒子數反轉的。
光學共振腔：通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用為：①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續振盪。②對腔內往返振盪光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出雷射具有一定的定向性和單色性。共振腔作用①，是由通常組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀（反射面曲率半徑）和相對組合方式所決定；而作用②，則是由給定共振腔型對腔內不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
基本分類
雷射器按工作物質分類 根據工作物質物態的不同可把所有的雷射器分為以下幾大類：
①固體（晶體和玻璃）雷射器，這類雷射器所採用的工作物質，是通過把能夠產生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質中構成發光中心而製成的；
②氣體雷射器，它們所採用的工作物質是氣體，並且根據氣體中真正產生受激發射作用之工作粒子性質的不同，而進一步區分為原子氣體雷射器、離子氣體雷射器、分子氣體雷射器、準分子氣體雷射器等；
③液體雷射器，這類雷射器所採用的工作物質主要包括兩類，一類是有機螢光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液，其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機化合物液體（如SeOCl）則起基質的作用；
自由電子-內部結構模型圖 ④半導體雷射器，這類雷射器是以一定的半導體材料作工作物質而產生受激發射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間，通過激發非平衡載流子而實現粒子數反轉，從而產生光的受激發射作用；
⑤自由電子雷射器，這是一種特殊類型的新型雷射器，工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產生可調諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區域，因此具有很誘人的前景。
按激勵方式分類
①光泵式雷射器。指以光泵方式激勵的雷射器，包括幾乎是全部的固體雷射器和液體雷射器，以及少數氣體雷射器和半導體雷射器。
②電激勵式雷射器。大部分氣體雷射器均是採用氣體放電（直流放電、交流放電、脈衝放電、電子束注入）方式進行激勵，而一般常見的半導體雷射器多是採用結電流注入方式進行激勵，某些半導體雷射器亦可採用高能電子束注入方式激勵。
③化學雷射器。這是專門指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的雷射器，反希望產生的化學反應可分別採用光照引發、放電引發、化學引發。
④核泵浦雷射器。指專門利用小型核裂變反應所釋放出的能量來激勵工作物質的一類特種雷射器，如核泵浦氦氬雷射器等。
雷射器①連續雷射器，其工作特點是工作物質的激勵和相應的雷射輸出，可以在一段較長的時間範圍內以連續方式持續進行，以連續光源激勵的固體雷射器和以連續電激勵方式工作的氣體雷射器及半導體雷射器，均屬此類。由於連續運轉過程中往往不可避免地產生器件的過熱效應，因此多數需採取適當的冷卻措施。
②單次脈衝雷射器，對這類雷射器而言，工作物質的激勵和相應的雷射發射，從時間上來說均是一個單次脈衝過程，一般的固體雷射器、液體雷射器以及某些特殊的氣體雷射器，均採用此方式運轉，此時器件的熱效應可以忽略，故可以不採取特殊的冷卻措施。
③重複脈衝雷射器，這類器件的特點是其輸出為一系列的重複雷射脈衝，為此，器件可相應以重複脈衝的方式激勵，或以連續方式進行激勵但以一定方式調製雷射振盪過程，以獲得重複脈衝雷射輸出，通常亦要求對器件採取有效的冷卻措施。
④調雷射器，這是專門指採用一定的開關技術以獲得較高輸出功率的脈衝雷射器，其工作原理是在工作物質的粒子數反轉狀態形成後並不使其產生雷射振盪(開關處於關閉狀態)，待粒子數積累到足夠高的程度後，突然瞬時打開開關，從而可在較短的時間內（例如10～10秒）形成十分強的雷射振盪和高功率脈衝雷射輸出。
⑤鎖模雷射器，這是一類採用鎖模技術的特殊類型雷射器，其工作特點是由共振腔內不同縱向模式之間有確定的相位關係，因此可獲得一系列在時間上來看是等間隔的雷射超短脈衝（脈寬10～10秒）序列，若進一步採用特殊的快速光開關技術，還可以從上述脈衝序列中選擇出單一的超短雷射脈衝。
⑥單模和穩頻雷射器，單模雷射器是指在採用一定的限模技術後處於單橫模或單縱模狀態運轉的雷射器，穩頻雷射器是指採用一定的自動控制措施使雷射器輸出波長或頻率穩定在一定精度範圍內的特殊雷射器件，在某些情況下，還可以製成既是單模運轉又具有頻率自動穩定控制能力的特種雷射器件。
⑦可調諧雷射器，在一般情況下，雷射器的輸出波長是固定不變的，但採用特殊的調諧技術後，使得某些雷射器的輸出雷射波長，可在一定的範圍內連續可控地發生變化，這一類雷射器稱為可調諧雷射器。
雷射器①遠紅外雷射器，輸出波長範圍處於25～1000微米之間，某些分子氣體雷射器以及自由電子雷射器的雷射輸出即落入這一區域。
②中紅外雷射器，指輸出雷射波長處於中紅外區(2.5～25微米)的雷射器件，代表者為CO分子氣體雷射器(10.6微米)、CO分子氣體雷射器（5～6微米）。
③近紅外雷射器，指輸出雷射波長處於近紅外區（0.75～2.5微米）的雷射器件，代表者為摻釹固體雷射器（1.06微米）、CaAs半導體二極體雷射器(約0.8微米)和某些氣體雷射器等。
④可見雷射器，指輸出雷射波長處於可見光譜區（4000～7000埃或0.4～0.7微米）的一類雷射器件，代表者為紅寶石雷射器（6943埃）、氦氖雷射器（6328埃）、氬離子雷射器（4880埃、5145埃）、氪離子雷射器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可調諧染料雷射器等。
⑤近紫外雷射器，其輸出雷射波長範圍處於近紫外光譜區（2000～4000埃），代表者為氮分子雷射器(3371埃)氟化氙(XeF)準分子雷射器（3511埃、3531埃）、氟化氪(KrF)準分子雷射器(2490埃)以及某些可調諧染料雷射器。
⑥真空紫外雷射器，其輸出雷射波長範圍處於真空紫外光譜區(50～2000埃）代表者為（H）分子雷射器(1644～1098埃)、氙(Xe)準分子雷射器（1730埃）等。
⑦X射線雷射器，指輸出波長處於X射線譜區（0.01～50埃）的雷射器系統，目前軟X射線已研製成功，但仍處於探索階段。
安全分類
雷射警示標誌I級：這種雷射器不會構成任何已知程度的傷害。
I.A.級：這是一個特殊的級別，指“不適宜用眼睛直接觀看”的雷射器，比如超市使用的雷射掃描器。此級別雷射器的最高限定功率為4.0毫瓦。
II級：指低功率可見光雷射器，其發射功率比I級高，但是輻射功率不高於1毫瓦。人類對強光的自動防禦反應可以保護人類不受傷害。
IIIA級：指中低功率雷射器（連續波：1-5 mW），只有光束內視的情況下才會構成危險。多數的筆狀雷射指示器都屬於該級別。
IIIB級：指普通功率的雷射器。
IV級：指高功率雷射器（連續波：500毫瓦，脈衝波：10 J/cm2或漫反射極限值），任何情況下，無論直接還是間接觀測都有危險，而且可能引發火災或灼傷皮膚。IV級雷射設備必須接受嚴格的控制。
發明溯源
雷射器雷射器的誕生史大致可以分為幾個階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處於高能態的物質粒子受到一個能量等於兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態，並產生第二個光子，同第一個光子同時發射出來，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
此後，量子力學的建立和發展使人們對物質的微觀結構及運動規律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為雷射器的產生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生後，被很快套用於研究電磁輻射與各種微觀粒子系統的相互作用，並研製出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發展都為雷射器的發明創造了條件。
如果一個系統中處於高能態的粒子數多於低能態的粒子數，就出現了粒子數的反轉狀態。那么只要有一個光子引發，就會迫使一個處於高能態的原子受激輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發其他原子受激輻射，這樣就實現了光的放大；如果加上適當的諧振腔的反饋作用便形成光振盪，從而發射出雷射。這就是雷射器的工作原理。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍後，美國物理學家查爾斯·湯斯以及蘇聯物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先後提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產生和放大微波的設計。
然而上述的微波波譜學理論和實驗研究大都屬於“純科學”，對於雷射器到底能否研製成功，在當時還是很渺茫的。但科學家的努力終究有了結果。1954年，前面提到的美國物理學家湯斯終於製成了第一台氨分子束微波激射器，成功地開創了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振盪器的先例。
雷射器1960年，美國物理學家西奧多·梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界範圍內的研製競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。“梅曼設計”引起了科學界的震驚和懷疑，因為科學家們一直在注視和期待著的是氦氖雷射器。儘管梅曼是第一個將雷射引入實用領域的科學家，但在法庭上，關於到底是誰發明了這項技術的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“雷射”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發明者戈登·古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學博士學位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發明者湯斯與肖洛也發展了有關雷射的概念。經法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早於古爾德9個月而成為勝者。不過梅曼的雷射器的發明權卻未受到動搖。
1960年12月，出生於伊朗的美國科學家賈萬率人終於成功地製造並運轉了全世界第一台氣體雷射器——氦氖雷射器。1962年，有三組科學家幾乎同時發明了半導體雷射器。1966年，科學家們又研製成了波長可在一段範圍內連續調節的有機染料雷射器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網的化學雷射器等紛紛問世。
由於雷射器具備的種種突出特點，因而被很快運用於工業、農業、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各方面，並在許多領域引起了革命性的突破。比如，人們利用雷射集中而極高的能量，可以對各種材料進行加工，能夠做到在一個針頭上鑽200個孔；雷射作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段，已在醫療、農業的實際套用上取得了良好效果；在通信領域，一條用雷射柱傳送信號的光導電纜，可以攜帶相當於2萬根電話銅線所攜帶的信息量；雷射在軍事上除用於通信、夜視、預警、測距等方面外，多種雷射武器和雷射制導武器也已經投入實用。
隨著人類對雷射技術的進一步研究和發展，雷射器的性能將進一步提升，成本將進一步降低，但是它的套用範圍卻還將繼續擴大，並將發揮出越來越巨大的作用。
研究發展
雷射器在氣體雷射器中，最常見的是氦氖雷射器。世界上第一台氦氖雷射器是繼第一台紅寶石雷射器之後不久，於1960年在美國貝爾實驗室里由伊朗物理學家賈萬製成的。由於氦氖雷射器發出的光束方向性和單色性好，可以連續工作，所以這種雷射器是當今使用最多的雷射器，主要用在全息照相的精密測量、準直定位上。
氣體雷射器中另一種典型代表是氬離子雷射器。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。這種雷射器是在可見光區域內輸出功率最高的一種雷射器。由於它發出的雷射是藍綠色的，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，用氬離子雷射器進行眼科手術時，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。氬離子雷射器發出的藍綠色雷射還能深入海水層，而不被海水吸收，因而可廣泛用於水下勘測作業。
2、液體、化學和半導體雷射器
液體雷射器也稱染料雷射器，因為這類雷射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雷射，一般採用高速閃光燈作雷射源，或者由其他雷射器發出很短的光脈衝。液體雷射器發出的雷射對於光譜分析、雷射化學和其他科學研究，具有重要的意義。
化學雷射器是用化學反應來產生雷射的。如氟原子和氫原子發生化學反應時，能生成處於激髮狀態的氟化氫分子。這樣，當兩種氣體迅速混合後，便能產生雷射，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。這類雷射器比較適合於野外工作，或用於軍事目的，令人畏懼的死光武器就是套用化學雷射器的一項成果。
在當今的雷射器中，還有一些是用半導體製成的。它們叫砷化鎵半導體雷射器，體積只有火柴盒大小，這是一種微型雷射器，輸出波長為人眼看不見的紅外線，在0、8～0、9微米之間。由於這種雷射器體積小，結構簡單，只要通以適當強度的電流就有雷射射出，再加上輸出波長在紅外線光範圍內，所以保密性特彆強，很適合用在飛機、軍艦和坦克上。
3、固體雷射器
前面所提到的紅寶石雷射器就是固體雷射器的一種。早期的紅寶石雷射器是採用普通光源作為激發源。現在生產的紅寶石雷射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。
固體雷射器中常用的還有釔鋁石榴石雷射器，它的工作物質是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，並摻有氧化釹。雷射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，也可以脈衝方式工作。由於這種雷射器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用於工業上。此外，釔鋁石榴石雷射器或液體雷射器中的染料雷射器，對治療白內障和青光眼十分有效。
雷射器另外還有兩種較為特殊的雷射器。一種是二氧化碳雷射器，可稱“隱身人”，因為它發出的雷射波長為10、6微米，“身”處紅外區，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續、脈衝兩種。連線方式產生的雷射功率可達20千瓦以上。脈衝方式產生的波長10、6微米雷射也是最強大的一種雷射。人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳雷射器的出現是雷射發展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳雷射器是一支長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雷射輸出鏡。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，它產生的雷射是看不見的，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，所以這種雷射器上都貼著“危險”的標記，操作時要特別留神。
二氧化碳雷射器形式很多。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迴轉折的形狀，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；為了使雷射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。後來發明的一種稱為橫向流動的二氧化碳雷射器，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雷射。這樣的雷射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雷射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雷射，是連續方式發射雷射中的最強者。最初的雷射打坦克靶實驗，用的就是這種雷射器。它是科學家把空氣動力學和雷射科學相結合而製造出來的。
以脈衝方式發射的二氧化碳雷射器也有很多種，在科研和工業中用途極廣。如果按每一脈衝發出的能量大小作比較，那么，脈衝二氧化碳雷射器又是脈衝雷射器中的最強者。回到雷射先驅者湯斯曾經研究過的問題上來，談一談毫米波的產生。隨著雷射技術的發展，許多科學家對這一難題又發起了進攻：採用放電或利用強大的二氧化碳雷射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雷射波長延長，擴展。開始達幾十微米，後來達幾百微米，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，科學家根據雷射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雷射填補了。
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、新穎的雷射器，可以形象地稱它為“變色龍”。它不是龍，但確實能變色；只要轉動一個雷射器上的鏇鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色的雷射。這種雷射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；氣體產生的雷射有明確的波長，而染料產生的雷射，波長範圍較廣，或者說有多種色彩。染料雷射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雷射的色彩，就像從收音機里選聽不同頻率的無線電台廣播一樣。
染料雷射器的激勵源是光泵，可以用脈衝氙燈，也可以用氮分子雷射器發出的雷射。用一種顏色的雷射作光泵，結果能產生其他顏色的雷射可以說是染料雷射器的特點之一。這種根據需要可以隨時改變產生雷射的波長的雷射器，主要用於光譜學研究；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；還用這些雷射器來產生新的雷射，研究一些奇異的光學和光譜學現象。
美國展出世界最大雷射器
雷射器世界最大的雷射器是“國家點火裝置”，國家點火裝置雷射器位於一座十層樓的建築內，由一百九十二束雷射組成，每個光束能在千分之一秒內行進一千英尺，雷射器將所有光束集中在一個直徑只有零點五毫米的目標上，並在十億分之一秒內產生巨大能量，這種能量與一顆恆星誕生時產生的能量相當，是座落在美國羅切斯特大學內的世界第二大雷射器的六十倍。
國家點火裝置有三大任務：測試美國核武儲備的可靠性，探索宇宙起源以及為以後使用核聚能源鋪平道路。能源部表示，國家點火裝置的完成，將確保美國更安全，能源更獨立，同時為科學發展和探索開啟新途徑。
