氣體激光器-機(jī)床行業(yè)百科-機(jī)床商務(wù)網(wǎng)

1簡(jiǎn)介

這是一類以氣體為工作物質(zhì)的激光器。此處所說(shuō)的氣體可以是純氣體，也可以是混合氣體；可以是原子氣體，也可以是分子氣體；還可以是離子氣體、金屬蒸氣等。多數(shù)采用高壓放電方式泵浦。常見(jiàn)的有氦-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等。

2發(fā)展歷程

氦-氖激光器是早出現(xiàn)也是為常見(jiàn)的氣體激光器之一。它于1961年由在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室從事研究工作的伊朗籍學(xué)者佳萬(wàn)（Javan）博士及其同事們發(fā)明，工作物質(zhì)為氦、氖兩種氣體按一定比例的混合物。根據(jù)工作條件的不同，可以輸出5種不同波長(zhǎng)的激光，而常用的則是波長(zhǎng)為632.8納米的紅光。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)用為廣泛的激光器之一，可用于外科醫(yī)療、激光美容、建筑測(cè)量、準(zhǔn)直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室也在用它做演示實(shí)驗(yàn)。

比氦-氖激光器晚3年由帕特爾（Patel）發(fā)明的二氧化碳激光器是一種能量轉(zhuǎn)換效率較高和輸出強(qiáng)的氣體激光器。目前準(zhǔn)連續(xù)輸出已有400千瓦的報(bào)導(dǎo)，微秒級(jí)脈沖的能量則達(dá)到10千焦，經(jīng)適當(dāng)聚焦，可以產(chǎn)生1013瓦/米2的功率密度。這些特性使二氧化碳激光器在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上用于多種材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、改性、涂覆等；醫(yī)學(xué)上用于各種*；軍事上用于激光測(cè)距、激光雷達(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，其中常見(jiàn)的是氬離子激光器。它以離子態(tài)的氬為工作物質(zhì)，大多數(shù)器件以連續(xù)方式工作，但也有少量脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。氬離子激光器可以有35條以上譜線，其中25條是波長(zhǎng)在408.9～686.1納米范圍的可見(jiàn)光，10條以上是 275～363.8納米范圍的紫外輻射，并以488.0納米和514.5納米的兩條譜線為強(qiáng)，連續(xù)輸出功率可達(dá)100瓦。氬離子激光器的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括眼疾治療、血細(xì)胞計(jì)數(shù)、平版印刷及作為染料激光器的泵浦源。

1968年發(fā)明的氦-鎘激光器以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質(zhì)，主要有兩條連續(xù)譜線，即波長(zhǎng)為325.0納米的紫外輻射和441.6納米的藍(lán)光，典型輸出功率分別為1～25毫瓦和1～100毫瓦。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括活字印刷、血細(xì)胞計(jì)數(shù)、集成電路芯片檢驗(yàn)及激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗(yàn)等。

另一種常見(jiàn)的金屬蒸氣激光器是1966年發(fā)明的銅蒸氣激光器。一般通過(guò)電子碰撞激勵(lì)，兩條主要的工作譜線是波長(zhǎng)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，重復(fù)頻率可達(dá)100千赫。當(dāng)前水平一個(gè)脈沖的能量為1毫焦左右。這就是說(shuō)，平均功率可達(dá)100瓦，而峰值功率則高達(dá)100千瓦。

銅蒸氣激光器發(fā)明后過(guò)了15年才進(jìn)入商品化階段，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槿玖霞す馄鞯谋闷衷础４送猓€可用于高速閃光照相、大屏幕投影電視及材料加工等。

3組成部分

氣體激光器利用氣體作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對(duì)反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵(lì)源等三個(gè)主要部分組成。主要激勵(lì)方式有電激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)、光激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。其中電激勵(lì)方式常用。在適當(dāng)放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉(zhuǎn)移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級(jí)上，從而形成與某低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。

4優(yōu)點(diǎn)

與固體、液體比較，氣體的光學(xué)均勻性好,因此,氣體激光器的輸出光束具有較好的方向性、單色性和較高的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。
氣體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，操作方便，工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作。是目前品種多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，*達(dá)60%。

5氣體激光器分類

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*。它們工作在很寬的波長(zhǎng)范圍，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。其中氦氖激光器是早研究成功的，并且仍在普遍使用。它的工作物質(zhì)是混有氦的氖（圖2）。在這種混合氣體中放電，部分氦原子被激發(fā)到亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)21S或23S。這部分氦原子與基態(tài)氖原子碰撞時(shí),能導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移激發(fā)，使氖原子處于激發(fā)能級(jí)上，從而實(shí)現(xiàn)氖原子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。氖原子在諧振腔中通過(guò)受激發(fā)射過(guò)程主要發(fā)出三個(gè)波長(zhǎng)（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器輸出的激光功率只有幾毫瓦到100毫瓦，效率約為0.1%。但是，氦氖激光器具有單色性好、方向性強(qiáng)、使用簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)，因而在精密測(cè)量、準(zhǔn)直和測(cè)距中得到廣泛的應(yīng)用。

氣體激光器

銅蒸氣激光器具有平均功率高、重復(fù)率高等優(yōu)點(diǎn),發(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態(tài)能級(jí)之間建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其激光波長(zhǎng)大多在紫外和可見(jiàn)光區(qū)域，輸出激光功率較大。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等。應(yīng)用多的是氬離子激光器。它可以產(chǎn)生多條波長(zhǎng)的激光，其中強(qiáng)的是4480埃和5145埃。連續(xù)輸出激光功率為幾百毫瓦至幾百瓦,效率很低，約為0.1%。它被應(yīng)用于光譜學(xué)、光泵染料激光器、激光化學(xué)和醫(yī)學(xué)等。

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、二氧化碳、水蒸汽等。波長(zhǎng)范圍很廣，從真空紫外、可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外。其中以二氧化碳激光器為重要，其特點(diǎn)是效率高，大約在10%～25%范圍內(nèi)，可以獲得很高激光功率,連續(xù)輸出功率高達(dá)萬(wàn)瓦,脈沖器件輸出可達(dá)萬(wàn)焦耳每脈沖級(jí)。這種激光器工作在以 9.4微米和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(dòng)型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續(xù)調(diào)諧激光器、氣動(dòng)激光器和波導(dǎo)激光器等。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(cè)距、同位素分離和高溫等離子體研究等方面。其中波導(dǎo)二氧化碳激光器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、增益高和可調(diào)諧的激光器，特別適用于激光通信和高分辨光譜學(xué)。

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利用準(zhǔn)分子的束縛高能態(tài)和排斥性或弱束縛的基態(tài)之間的受激發(fā)射的激光器。由于基態(tài)壽命極短，可實(shí)現(xiàn)率和高平均功率。*的主要受激準(zhǔn)分子是惰性氣體準(zhǔn)分子和惰性氣體鹵化物準(zhǔn)分子。激光發(fā)射波長(zhǎng)主要在紫外和真空紫外區(qū)域，輸出能量已達(dá)百焦耳量級(jí)，用于光泵染料激光器、同位素分離和激光化學(xué)。