走近气体激光器

zhangshuang 发表于 2006-10-13 04:35

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。     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。

zhangshuang 发表于 2006-10-13 04:48

实际应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器。气体型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而应用范围也不相同。最常用而范围广的有CO2laser及Nd：YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd：YAG laser。　　（一）固体激光器　　实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。　　在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石（Nd：YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06μm呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。　　固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。　　（二）气体激光器　　工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。　　气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子（气体的原子或分子）碰撞时将自身的能量转移给对方，使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性（惰性）原子、离子气体、分子气体三种激光器。　　中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体（氦、氖、氩、氪等）的物质。　　氦－氖（He-Ne）激光器首台氦－氖激光器诞生于1960年，它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15μm及3.39μm红外光。632.8nm氦－氖激光器最大连续输出功率可达到一W，寿命也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005％，十分钟内的误差为0.015％的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。　　氦氖激光器的工作原理：氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。　　He-Ne激光器结构：此类激光器的结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式。　　He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约2～3mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按5：1～10：1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.66～3.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。　　在氦氖激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100％，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约15～20cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.5％～99.5％。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。　　He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。　　（三）分子气体激光器　　分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧组成（最常用），其原则上是能够实现高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器，下面将详述。　　CO2激光器 CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。　　CO2激光器的工作原理：与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。　　CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。　　CO2激光的激发过程：CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO2分子激光跃迁能级　　CO2激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。　　结构：①激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。 CO2激光器结构　　光学谐振腔：CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8％，且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。　　电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。　　泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

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