[科普中国]-气体激光器

简介

这是一类以气体为工作物质的激光器。此处所说的气体可以是纯气体，也可以是混合气体；可以是原子气体，也可以是分子气体；还可以是离子气体、金属蒸气等。多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。

发展历程氦-氖激光器是最早出现也是最为常见的气体激光器之一。它于1961年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万(Javan)博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按一定比例的混合物。根据工作条件的不同，可以输出5种不同波长的激光，而最常用的则是波长为632.8纳米的红光。输出功率在0.5～100毫瓦之间，具有非常好的光束质量。氦-氖激光器是当前应用最为广泛的激光器之一，可用于外科医疗、激光美容、建筑测量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中学的实验室也在用它做演示实验。

比氦-氖激光器晚3年由帕特尔(Patel)发明的二氧化碳激光器是一种能量转换效率较高和输出最强的气体激光器。目前准连续输出已有400千瓦的报导，微秒级脉冲的能量则达到10千焦，经适当聚焦，可以产生1013瓦/米2的功率密度。这些特性使二氧化碳激光器在众多领域得到广泛应用。工业上用于多种材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、改性、涂覆等；医学上用于各种外科手术；军事上用于激光测距、激光雷达，乃至定向能武器。

与发明二氧化碳激光器同年，发明了几种惰性气体离子激光器，其中最常见的是氩离子激光器。它以离子态的氩为工作物质，大多数器件以连续方式工作，但也有少量脉冲运转。氩离子激光器可以有35条以上谱线，其中25条是波长在408.9～686.1纳米范围的可见光，10条以上是 275～363.8纳米范围的紫外辐射，并以488.0纳米和514.5纳米的两条谱线为最强，连续输出功率可达100瓦。氩离子激光器的主要应用领域包括眼疾治疗、血细胞计数、平版印刷及作为染料激光器的泵浦源。

1968年发明的氦-镉激光器以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续谱线，即波长为325.0纳米的紫外辐射和441.6纳米的蓝光，典型输出功率分别为1～25毫瓦和1～100毫瓦。主要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电路芯片检验及激光诱导荧光实验等。

另一种常见的金属蒸气激光器是1966年发明的铜蒸气激光器。一般通过电子碰撞激励，两条主要的工作谱线是波长510.5纳米的绿光和 578.2纳米的黄光，典型脉冲宽度10～50纳秒，重复频率可达100千赫。当前水平一个脉冲的能量为1毫焦左右。这就是说，平均功率可达100瓦，而峰值功率则高达100千瓦。

铜蒸气激光器发明后过了15年才进入商品化阶段，其主要应用领域为染料激光器的泵浦源。此外，还可用于高速闪光照相、大屏幕投影电视及材料加工等。

组成部分气体激光器利用气体作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。

优点与固体、液体比较，气体的光学均匀性好,因此,气体激光器的输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。

气体激光器结构简单、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。是目前品种最多、应用最广泛的一类激光器，市场占有率达60%。

气体激光器分类气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外,既可以连续方式工作,也可以脉冲方式工作。

原子气体激光器包括各种惰性气体激光器和各种金属蒸气激光器，如氦氖激光器和铜蒸气激光器。其中氦氖激光器是最早研究成功的，并且仍在普遍使用。它的工作物质是混有氦的氖(图2)。在这种混合气体中放电，部分氦原子被激发到亚稳激发态21S或23S。这部分氦原子与基态氖原子碰撞时,能导致能量转移激发，使氖原子处于激发能级上，从而实现氖原子的粒子数反转分布。氖原子在谐振腔中通过受激发射过程主要发出三个波长（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器输出的激光功率只有几毫瓦到100毫瓦，效率约为0.1%。但是，氦氖激光器具有单色性好、方向性强、使用简便、结构紧凑坚固等优点，因而在精密测量、准直和测距中得到广泛的应用。

气体激光器

铜蒸气激光器具有平均功率高、重复率高等优点,发展很快。

离子气体激光器在惰性气体和金属蒸气的离子的电子态能级之间建立粒子数反转，其激光波长大多在紫外和可见光区域，输出激光功率较大。典型的离子激光器有氩离子激光器、氪离子激光器和氦镉激光器等。应用最多的是氩离子激光器。它可以产生多条波长的激光，其中最强的是4480埃和5145埃。连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦,效率很低，约为0.1%。它被应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学等。

分子气体激光器工作物质是中性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范围很广，从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要，其特点是效率高，大约在10%～25%范围内，可以获得很高激光功率,连续输出功率高达万瓦,脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。二氧化碳激光器分为普通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。

准分子激光器利用准分子的束缚高能态和排斥性或弱束缚的基态之间的受激发射的激光器。由于基态寿命极短，可实现高效率和高平均功率。准分子激光器的主要受激准分子是惰性气体准分子和惰性气体卤化物准分子。激光发射波长主要在紫外和真空紫外区域，输出能量已达百焦耳量级，用于光泵染料激光器、同位素分离和激光化学。