氣體激光器的工作原理

氣體激光器由放電管內(nèi)的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下，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)到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。氣體激光器一般采用氣體放電激勵，還可以采用電子束激勵、熱激勵、化學反應激勵等方式。

氣體激光器波長覆蓋范圍主要位于真空紫外至遠紅外波段，激光譜線上萬條，具有輸出光束質(zhì)量高（方向性及單色性好）、連續(xù)輸出功率大（如CO2激光器）等輸出特性，其器件結構簡單、造價低廉。

氣體激光器的應用

氣體激光器是利用氣體作為增益介質(zhì)的激光器，一般是對氣體放電進行泵浦。氣體種類有原子氣體（氦氖激光器、惰性氣體離子激光器、金屬蒸汽激光器）、分子氣體（氮氣激光器、二氧化碳激光器）、準分子氣體，還有通過化學反應提供泵浦能量的特殊氣體激光器。

氦氖氣體激光器（HeNe）是以75%以上的He和15%以下的Ne的混合氣體作為增益介質(zhì)，根據(jù)工作環(huán)境不同，可發(fā)出綠（543.5nm）、黃（594.1nm）、橙（612.0nm）、紅（632.8nm）及三種近紅外光（1152nm、1523nm和3391nm），其中紅光（632.8nm）最為常用。HeNe氣體激光器輸出的光束呈高斯分布，光束質(zhì)量非常穩(wěn)定，雖然功率不高，但在精密測量領域有著不俗的表現(xiàn)。

惰性氣體激光器常見的是氬離子（Ar+）和氪離子（Kr+）。其能量轉(zhuǎn)化率最高可達0.6%，可長期連續(xù)穩(wěn)定輸出30-50w的功率，壽命超過1000h。主要用于激光顯示、拉曼光譜、全息、非線性光學等研究領域以及醫(yī)療診斷、打印分色、計量測定材料加工及信息處理等方面。

金屬蒸汽激光器以銅蒸氣為例。銅蒸氣激光器主要輸出綠光（510.5nm）和黃光（578.2nm），可達到100w的平均功率和100kw的峰值功率。其主要應用領域為染料激光器的泵浦源。此外，還可用于高速閃光照相、大屏幕投影電視及材料加工等。

氮分子激光器以氮氣為增益介質(zhì)，可發(fā)射337.1nm、357.7nm、315.9nm的紫外光，峰值功率可達45kw。可作為有機染料激光器的泵浦光源，在激光分離同位素、熒光診斷、超高速攝影、污染檢測以及醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)育種等方面也得到廣泛應用。由于其短波長更易聚焦得到小光斑，因此還可用于加工亞微米量級的元件。

二氧化碳氣體激光器所用的增益介質(zhì)是混了氦氣和氮氣的二氧化碳，可輸出以9.6μm和10.6μm波長為中心的遠紅外光。二氧化碳氣體激光器的能量轉(zhuǎn)換率高，輸出功率可從幾瓦到幾萬瓦，加上極高的光束質(zhì)量，使得二氧化碳氣體激光器在材料加工、科研、國防及醫(yī)學方面均有著廣泛應用。

準分子是不穩(wěn)定的分子，在諧振腔內(nèi)充入不同稀有氣體和鹵素氣體的混合物而有不同波長的激光產(chǎn)生。常用相對論電子束（能量大于200千電子伏特）或橫向快速脈沖放電來實現(xiàn)激勵。當受激態(tài)準分子的不穩(wěn)定分子鍵斷裂而離解成基態(tài)原子時，受激態(tài)的能量以激光輻射的形式放出。在醫(yī)療、光通信、半導體顯視、遙感、激光武器等領域有著廣泛應用。

化學激光器是一類特殊的氣體激光器，即是一類利用化學反應釋放的能量來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光器。這類氣體激光器大部分以分子躍遷方式工作，典型波長范圍為近紅外到中紅外譜區(qū)。最主要的有氟化氫（HF）和氟化氘（DF）兩種裝置。前者可以在2.6～3.3微米之間輸出15條以上的譜線;后者則約有25條譜線處于3.5～4.2微米之間。這兩種器件目前均可實現(xiàn)數(shù)兆瓦的輸出。由于其能量巨大，一般用于核工程及軍事領域。