氣體激光器利用氣體作為工作物質(zhì)�(chǎn)生激光的器件。它�放電��(nèi)的激活氣體、一�反射��(gòu)成的諧振腔和激�(lì)源等三�(gè)主要部分組成(圖1�。主要激�(lì)方式有電激�(lì)、氣動激�(lì)、光激�(lì)和化�(xué)激�(lì)�。其中電激�(lì)方式最常用。在適當(dāng)放電條件�,利用電子碰撞激�(fā)和能量轉(zhuǎn)移激�(fā)�,氣體粒子有選擇性地被激�(fā)到某高能級上,從而形成與某低能級間的粒子�(shù)反轉(zhuǎn),產(chǎn)生受激�(fā)射躍��
氣體激光器�(jié)�(gòu)簡單、造價(jià)�,操作方便,工作介質(zhì)均勻,光束質(zhì)量好以及能長�(shí)間較�(wěn)定地連續(xù)工作。是目前品種最�、應(yīng)用最廣泛的一類激光器,市場占有率�(dá)60%�
氦氖激光器是其中最常見的一�。產(chǎn)生的激光波長是632.8nm。最小的�-氖激光管已經(jīng)做到�14.6cm、直�2.5cm,重70g,功率為0.5mW�
這是一類以氣體為工作物�(zhì)的激光器。此處所說的氣體可以是純氣體,也可以是混合氣體;可以是原子氣�,也可以是分子氣體;還可以是離子氣體、金屬蒸氣等。多�(shù)采用高壓放電方式泵浦。最常見的有�-氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和銅蒸氣激光器��
�-氖激光器是最早出�(xiàn)也是最為常見的氣體激光器之一。它�1961年由在美國貝爾實(shí)�(yàn)室從事研究工作的伊朗籍學(xué)者佳�(Javan)博士及其同事們發(fā)�,工作物�(zhì)為氦、氖兩種氣體按一定比例的混合�。根�(jù)工作條件的不同,可以輸出5種不同波長的激�,而最常用的則是波長為632.8納米的紅�。輸出功率在0.5�100毫瓦之間,具有非常好的光束質(zhì)量。氦-氖激光器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的激光器之一,可用于外科�(yī)�、激光美容、建筑測�、準(zhǔn)直指示、照排印�、激光陀螺等。不少中�(xué)的實(shí)�(yàn)室也在用它做演示�(shí)�(yàn)�
比氦-氖激光器�3年由帕特�(Patel)�(fā)明的二氧化碳激光器是一種能量轉(zhuǎn)換效率較高和輸出最�(qiáng)的氣體激光器。目前準(zhǔn)連續(xù)輸出已有400千瓦的報(bào)�(dǎo),微秒級脈沖的能量則�(dá)�10千焦,經(jīng)適當(dāng)聚焦,可以產(chǎn)�1013�/�2的功率密�。這些特性使二氧化碳激光器在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)�。工�(yè)上用于多種材料的加工,包括打�、切�、焊接、退�、熔�、改性、涂覆等;醫(yī)�(xué)上用于各種外科手�(shù);軍事上用于激光測距、激光雷�(dá),乃至定向能武器�
與發(fā)明二氧化碳激光器同年,發(fā)明了幾種惰性氣體離子激光器,其中最常見的是氬離子激光器。它以離子態(tài)的氬為工作物�(zhì),大多數(shù)器件以連續(xù)方式工作,但也有少量脈沖�(yùn)�(zhuǎn)。氬離子激光器可以�35條以上譜�,其�25條是波長�408.9�686.1納米范圍的可見光�10條以上是 275�363.8納米范圍的紫外輻�,并�488.0納米�514.5納米的兩條譜線為最�(qiáng),連續(xù)輸出功率可達(dá)100�。氬離子激光器的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括眼疾治療、血�(xì)胞計(jì)�(shù)、平版印刷及作為染料激光器的泵浦源�
1968年發(fā)明的�-鎘激光器以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物�(zhì),主要有兩條連續(xù)譜線,即波長�325.0納米的紫外輻射和441.6納米的藍(lán)�,典型輸出功率分別為1�25毫瓦�1�100毫瓦。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括活字印刷、血�(xì)胞計(jì)�(shù)、集成電路芯片檢�(yàn)及激光誘�(dǎo)熒光�(shí)�(yàn)等�
另一種常見的金屬蒸氣激光器�1966年發(fā)明的銅蒸氣激光器。一般通過電子碰撞激�(lì),兩條主要的工作譜線是波�510.5納米的綠光和 578.2納米的黃光,典型脈沖寬度10�50納秒,重�(fù)頻率可達(dá)100千赫。當(dāng)前水平一�(gè)脈沖的能量為1毫焦左右。這就是說,平均功率可�(dá)100�,而峰值功率則高達(dá)100千瓦�
銅蒸氣激光器�(fā)明后過了15年才�(jìn)入商品化階段,其主要�(yīng)用領(lǐng)�?yàn)槿玖霞す馄鞯谋闷衷础4�?,還可用于高速閃光照相、大屏幕投影電視及材料加工等�
與固�、液體比較,氣體的光�(xué)均勻性好,因此,氣體激光器的輸出光束具有較好的方向�、單色性和較高的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度�,不易得到高的激�(fā)粒子濃度,因�,氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器��
氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準(zhǔn)分子激光器。它們工作在很寬的波長范�,從真空紫外到遠(yuǎn)紅外,既可以連續(xù)方式工作,也可以脈沖方式工作�
原子氣體激光器
包括各種惰性氣體激光器和各種金屬蒸氣激光器,如氦氖激光器和銅蒸氣激光器。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�(zhì)是混有氦的氖(�2)。在這種混合氣體中放�,部分氦原子被激�(fā)到亞�(wěn)激�(fā)�(tài)21S�23S。這部分氦原子與基�(tài)氖原子碰撞時(shí),能導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移激�(fā),使氖原子處于激�(fā)能級�,從而實(shí)�(xiàn)氖原子的粒子�(shù)反轉(zhuǎn)分布。氖原子在諧振腔中通過受激�(fā)射過程主要發(fā)出三�(gè)波長�3.39微米�1.15微米�6328埃)的激�。氦氖激光器輸出的激光功率只有幾毫瓦�100毫瓦,效率約�0.1%。但�,氦氖激光器具有單色性好、方向性強(qiáng)、使用簡�、結(jié)�(gòu)緊湊�(jiān)固等�(yōu)�(diǎn),因而在精密測量、準(zhǔn)直和測距中得到廣泛的�(yīng)��
氣體激光器
銅蒸氣激光器具有平均功率�、重�(fù)率高等優(yōu)�(diǎn),�(fā)展很快�
離子氣體激光器
在惰性氣體和金屬蒸氣的離子的電子�(tài)能級之間建立粒子�(shù)反轉(zhuǎn),其激光波長大多在紫外和可見光區(qū)域,輸出激光功率較�。典型的離子激光器有氬離子激光器、氪離子激光器和氦鎘激光器�。應(yīng)用最多的是氬離子激光器。它可以�(chǎn)生多條波長的激�,其中最�(qiáng)的是4480埃和5145�。連續(xù)輸出激光功率為幾百毫瓦至幾百瓦,效率很低,約�0.1%。它被應(yīng)用于光譜�(xué)、光泵染料激光器、激光化�(xué)和醫(yī)�(xué)��
分子氣體激光器
工作物質(zhì)是中性分子氣體,如氮、一氧化碳、二氧化�、水蒸汽�。波長范圍很廣,從真空紫�、可見光到遠(yuǎn)紅外。其中以二氧化碳激光器最為重�,其特點(diǎn)是效率高,大約在10%�25%范圍�(nèi),可以獲得很高激光功�,連續(xù)輸出功率高達(dá)萬瓦,脈沖器件輸出可達(dá)萬焦耳每脈沖級。這種激光器工作在以 9.4微米�10.4微米為中心的多條分子振轉(zhuǎn)光譜線上。二氧化碳激光器分為普通低氣壓封離型激光器、橫向和縱向氣體循環(huán)流動型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續(xù)�(diào)諧激光器、氣動激光器和波�(dǎo)激光器�。這些激光器可用于加工和處理(如焊接、切割和熱處理)、光通信、測�、同位素分離和高溫等離子體研究等方面。其中波�(dǎo)二氧化碳激光器是一種結(jié)�(gòu)緊湊、增益高和可�(diào)諧的激光器,特別適用于激光通信和高分辨光譜�(xué)�
�(zhǔn)分子激光器
利用�(zhǔn)分子的束縛高能態(tài)和排斥性或弱束縛的基態(tài)之間的受激�(fā)射的激光器。由于基�(tài)壽命極短,可�(shí)�(xiàn)高效率和高平均功�。準(zhǔn)分子激光器的主要受激�(zhǔn)分子是惰性氣體準(zhǔn)分子和惰性氣體鹵化物�(zhǔn)分子。激光發(fā)射波長主要在紫外和真空紫外區(qū)域,輸出能量已達(dá)百焦耳量�,用于光泵染料激光器、同位素分離和激光化�(xué)�