常用气体激光器讲解

输出特性
一、光栅调谐
图示为一种光栅—反射镜调谐腔。光束与谐振腔轴成一 个小角度θ（θ≈3°）。谐振腔由反射光栅G与一个镀有介 质膜的反射镜M组成。光栅G具有扩束和色散作用，转动光栅 就可以改变输出激光的频率。 腔内插入一个法布里—珀罗标准具，摆动标准具可以进 一步选择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线 宽为0.05nm，插入标准具后，可获得线宽约为0.001nm的单 模激光。
二、工作原理
通常情况下，基态的稀有气体原子化学性质稳定，因此 呈两种气体混合状态（Rg+X） 。但当它们受到激发时，如电 子束的轰击或高压激励等，稀有气体原子就可能从基态跃迁 到激发态，甚至被电离，这时很容易和另一个原子形成一个 寿命极短的分子（RgX） ，这种处于激发态的分子称受激二聚 物，简称准分子。 RgX基态分子寿命极短， 为10-13s量级，它沿着自己的势 能曲线想核间距增大的方向移 动，直至最终离解成独立的原 子Rg+X。激发态RgX*能级寿命 为10-8s量级，比基态稳定，因 此很容易形成粒子数反转。
二氧化碳激光器
属分子气体激光器
一、工作原理
1、CO2分子运动
CO2分子有三种不同的运动形式： 1.对称振动(b) 2.形变振动(c)
方向相反
3.非对称振动(d)
2、工作物质
1.CO2气体是工作物质，辅助气体有N2、He、Xe和H2等； 2.N2在气体中起能量转移作用。N2分子受电子碰撞的概率很 大，放电中使大量N2处于亚稳态。通过近共振碰撞把内能转 移给CO2分子，实现粒子数反分布 ； 3.He对CO2分子有冷却作用，也可加速下能级粒子数抽空；
二、棱镜调谐
图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图， 腔内放臵的棱镜是一种色散元件。由于棱镜的色散 作用，一束来自M3、M2的不同波长的光，将有不同 的折射方向。当旋转平面反射镜M1使其与某一波长 的光垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。 因此，旋转M1便可实现调谐作用。
Tunable Lasers
4.Xe的电离电位低，激光器内的气体易电离，使CO2分子能量 转换效率提高 10％～15％。同时在维持放电电流相同的情况 下，加入Xe后可使放电电压下降20％～30％。
5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空，H2O蒸汽有利于CO2分 子的还原，可延长寿命。
3、CO2分子激发机理
N2分子受到电子碰撞 后被激发并和CO2分子发 生碰撞， N2分子把获得 的能量传递给CO2分子， 使大量的CO2分子被激发 到 001能级时，能级001 和能级 100之间形成粒子 数的反分布。
直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图
一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔 及波长选择装臵组成
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输出特性
• 1．输出激光波长可调谐 某些染料激光波长的可调宽度达 上百纳米，所以称为可调谐激光器。 • 2．由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也 是准连续宽带，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，目 前由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒（10-15秒） 量。 • 3．染料激光器的输出功率大，达数百毫瓦，可与固体激光 器比拟，并且价格便宜。 • 4．染料分子是一种四能级级系统，由于S0的较高振动能级 在室温时粒子数几乎为0，所以很容易实现粒子数反转，使 得染料分子激光器的阈值很低。
工作原理
一、染料分子能级
S0是基态，S1、S2是激发态。 S0、S1、S2本身是由许多密集的 振动转动能级组成的。 在原子光谱里，不同电子态之 间的跃迁产生一条锐的谱线；在 分子光谱里，不同电子态（例如 S1与 S0）之间的跃迁将产生由一 簇密集的谱线组成的谱带。染料 分子的这种能级结构是染料激光 器的输出波长在一定范围内可调 的根本原因。
什么是LASIK手术?
LASIK手术即准分子激光原位角膜磨镶术（Laser in Situ
Keratomileusis）：医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角 膜基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切
削。患者术前检查的数据卡输入计算机，由计算机控制切削的范
围和深度，削出一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼 镜片，使视力变得清晰。 它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直 径8毫米，厚0.16毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用 准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复 位。
采取两次电子碰撞 将氩原子激发到 3p44P 态要比直接碰撞、一次 将氩原子激发到3p44P态 的电子能量要小，后者 只能在低气压放电中才 有如此大的能量 （35.5eV）。 由于3p44P 和 3p44S能级上有许多不 同的电子态，所以氩 离子激光输出由丰富 的谱线。最强的谱线 波长是488.0nm、 514.5nm。
3、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励 ；
4、温度效应 转换效率最高也不会超过40％，这就是说 有60％以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将 引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。使激光 器的输出功率下降，因此，冷却问题是CO2激光器正常运转 的重要技术问题。
氩离子激光器
原子或分子因某种原因失去电子或获得电子 的过程称为电离。若原子失去电子，称为正离子， 反之则称为负离子。 利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为 离子激光器。氖、 氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气 等均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输 出功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连 续或脉冲输出。
Dye Lasers
很多有机染料可以被用作激光介质。其中最常见的是若丹明6G （Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。 跃迁上下能级由于和溶剂 的相互作用而分裂为连续 的能带。分子被激发到上 能带后迅速无辐射弛豫到上能带的最低 能级，并由此向基态各能级跃迁，产生 荧光辐射。辐射荧光曲线不随激发光源 的改变而改变。
4. 能够精确聚焦和控制，其切 削精度非常高，每个光脉冲切削深 度为0.2微米，能够在人的头发丝 上刻出各种花样来。
准分子激光治疗近视眼的原理 近视眼由于眼球的前后径 太长，眼角膜前表面太凸，外 界光线不能准确会聚在眼底所 致。 准分子激光矫正近视是用 电脑精确控制的准分子激光， 根据近视度数和有无散光在瞳 孔区的角膜基质层进行刻蚀， 使眼角膜前表面稍稍变平。从 而使外界光线能够准确地在眼 底视网膜上会聚成像，达到矫 正近视的目的。
一、工作原理
激发过程一般分两步： 气体放电后，放电管中的 高速电子与中性氩离子碰 撞，从氩离子中打出一个 电子，使之电离，形成处 在基态上的氩离子；该基 态Ar+再与高速电子碰撞， 被激发到高能态，当激光 上下能级间产生粒子数反 转时，即可产生氩离子激 光。 因此，氩离子激光器 的激活粒子是Ar+。
染料激光器
固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至 红外波段，还出现了X射线波激光器。但是，一般激光器输 出的波长都是固定单一的，至多也只是有几个波长，这在应 用上有一定的局限性。为此人们研究了可调谐激光。 染料激光器是液体激光器的一种，以染料为工作物质， 如若丹明6G等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的 能量转换效率很高，可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点 是其输出波长在一定范围内连续可调，所以称为可调谐激光 器。医学上常用的可调谐染料激光器有：N2激光泵浦可调谐 染料激光器和Nd：YAG激光泵浦可调谐染料激光器等。
三、基本结构
准分子激光器的结构
1．功率特性：准分子基态的电子迅速排空造成激光下能级总
是空的，这样有利于离子数反转的形成，即使 在超短脉冲下运转，从而可以获得较高的输出 功率（10瓦量级）。 从真空紫外到可见光区域 。
2. 输出波长:
3．脉冲特性： 由于基态寿命短，即使是超短脉冲情况下，
基态也可被认为是空的，因此准分子激光对 产生巨脉冲特别有利。
二、基本结构
氩离子激光器包括： 放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。
氩离子激光器分段石墨放电管
国产的氩离子激光管
三、输出特点
1、是一种惰性气体离子激光器 ，在离子激光器中输出效率 最高； 2、其输出波长较多，主要有 514.5nm和488.0nm两个蓝绿色 的谱线，是可见光区域中最强的激光器。 ； 3、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。 4、输出波长易 被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物 止血效果最好。 在临床上主要用于外科手术，用它作“光 刀” ，尤其是上、下消化道出血时，氩离子激光器可以利用 光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科 凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。
三维主动眼球跟踪技术: 除对眼球在XY轴运动进行追踪 外，还可以追踪眼球在Z轴的立体 位移，可随眼球运动自动将激光调 整到切削点，极大的加强了手术的 安全性和精确性。
高精度200Hz飞点扫描、193nm 氟化氩（ArF)准分子激光和最优 光传输系统的完美结合形成光斑 直径0.8mm优化高斯光束
制做角膜瓣
准分子激光切削
角膜瓣复位
LASIK手术示意图
角膜微切器切割角膜
角膜瓣形成并翻转
角膜中间基质切削区准备
准分子激光切削角膜基质
角膜瓣复位
准分子激光角膜原位磨镶术完成
智慧型大小光斑技术: 根据不同的个人数据， 系统自动调整光斑大小： 光斑直径可在0.656.5mm范围内变化。可 使复杂的角膜切削变得 极为轻松。
染料分子能级图
二、染料分子的光辐射过程
吸收了外来光子后，分子 就从基态能级跃迁到S1态的较 高的振动转动能上（图中 A→b）。由于频繁的热交换， 大多数被激发的分子无辐射地 衰变到S1态的最低的振动转动 能级上（图中b→B）。这样， 在B与基态S0的较高的振动转动 能级（图中a）之间就实现了粒 子数反转。当反转达到阈值时， 就可以产生激光。 可见染料激光形成过程，经 历了两次无辐射跃迁。
染料分子能级图
三、染料分子的三重态“陷阱”
能级图中的T1和T2是三重态。 由于三重态T1较单态S1低，所以处 在S1中的分子很容易无辐射地跃迁 到T1上，又因为T1与S0之间不产生 辐射跃迁，而且T1的寿命较长，约 为10-4～10-3s，所以T1态对于激发 分子来说，相当于一个“陷阱”。 当T1态上积累了足够的分子后， T1→T2的吸收将很快使激光器的增 益下降，以致激光淬灭。通常采用 的方法是在染料中加入三重态淬灭 剂，缩短Tl的寿命。
0.30
0.75 1.50 0.70
4P4D05/2——4S2P3/2
4P4D03/2——4S2P3/2
514.5
528.7
2.00
0.34
准分子激光器
一、工作物质
“准分子” ：不是稳定分子。它是混合气体受到外来 能量激发所引起的一系列物理和化学的反应中曾经形成但转 瞬即逝的分子，其寿命仅为几十毫秒。 这类激光器的工作物质是受激的气体原子(如Ar、Kr、 Xe，用Rg表示)和卤元素(例如F、Cl，用X表示)结合而成的 准分子，如氟化氩(ArF)、氯化氪(KrCl)、氟化氙(XeF)等;
100能级和020能级的 分子迅速跃迁到亚稳态010 能级上。因此必须把跃迁 到010能级上的CO2分子立 即抽空，否则不利于粒子 数的反转。 He原子质量小，运 动速度快，频繁地碰撞 CO2分子，高效地抽运 010能级上的CO2分子， 大大提高了粒子数反转 程度。
二、基本结构
所谓封离型是指 工作气体被密封在放 电管内(由放电管、 水冷管和储气管三层 结构组成 )。 它的优点是结构 简单、紧凑。但它的 单位放电长度可输出 的功率比其他结构的 （如流动型和气动型） CO2激光器要低。
表 氩离子激光的可见光光谱线 激光跃迁能级 4P2S01/2——4S2P1/2 波长(nm) 457.9 或率（W） 0.35
4P2D03/2——4S2P3/2
4P2P03/2——4S2P1/2 4P2D05/2——4S2P3/2 4P2D03/2——4S2P1/2
472.7
476.5 488.0 496.5
纵向电激励水冷内腔式封离型 CO2激光器的典型结构
折叠式CO2激光器（水冷套未画出） 横向循环流动CO2激光器
纵向流动CO2激光器
三 、输出特性
1、能量转换效率高 ： 20～25% (氦氖激光器的能量转换 效率仅为千分之几) ；
2、常用的CO2激光器输出波长为10.6 m ，属于中红外区， 对人眼损害小；