气体激光器的工作原理_气体激光器的应用

气体激光器的工作原理

气体激光器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。气体激光器一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等方式。

气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外至远红外波段，激光谱线上万条，具有输出光束质量高（方向性及单色性好）、连续输出功率大（如CO2激光器）等输出特性，其器件结构简单、造价低廉。

气体激光器的应用

气体激光器是利用气体作为增益介质的激光器，一般是对气体放电进行泵浦。气体种类有原子气体（氦氖激光器、惰性气体离子激光器、金属蒸汽激光器）、分子气体（氮气激光器、二氧化碳激光器）、准分子气体，还有通过化学反应提供泵浦能量的特殊气体激光器。

氦氖气体激光器（HeNe）是以75%以上的He和15%以下的Ne的混合气体作为增益介质，根据工作环境不同，可发出绿（543.5nm）、黄（594.1nm）、橙（612.0nm）、红（632.8nm）及三种近红外光（1152nm、1523nm和3391nm），其中红光（632.8nm）最为常用。HeNe气体激光器输出的光束呈高斯分布，光束质量非常稳定，虽然功率不高，但在精密测量领域有着不俗的表现。

惰性气体激光器常见的是氩离子（Ar+）和氪离子（Kr+）。其能量转化率最高可达0.6%，可长期连续稳定输出30-50w的功率，寿命超过1000h。主要用于激光显示、拉曼光谱、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。

金属蒸汽激光器以铜蒸气为例。铜蒸气激光器主要输出绿光（510.5nm）和黄光（578.2nm），可达到100w的平均功率和100kw的峰值功率。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。

氮分子激光器以氮气为增益介质，可发射337.1nm、357.7nm、315.9nm的紫外光，峰值功率可达45kw。可作为有机染料激光器的泵浦光源，在激光分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面也得到广泛应用。由于其短波长更易聚焦得到小光斑，因此还可用于加工亚微米量级的元件。

二氧化碳气体激光器所用的增益介质是混了氦气和氮气的二氧化碳，可输出以9.6μm和10.6μm波长为中心的远红外光。二氧化碳气体激光器的能量转换率高，输出功率可从几瓦到几万瓦，加上极高的光束质量，使得二氧化碳气体激光器在材料加工、科研、国防及医学方面均有着广泛应用。

准分子是不稳定的分子，在谐振腔内充入不同稀有气体和卤素气体的混合物而有不同波长的激光产生。常用相对论电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。在医疗、光通信、半导体显视、遥感、激光武器等领域有着广泛应用。

化学激光器是一类特殊的气体激光器，即是一类利用化学反应释放的能量来实现粒子数反转的激光器。这类气体激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF）两种装置。前者可以在2.6～3.3微米之间输出15条以上的谱线;后者则约有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。这两种器件目前均可实现数兆瓦的输出。由于其能量巨大，一般用于核工程及军事领域。