常用激光器简介

几种常用激光器的概述

一、CO2激光器

1、背景

气体激光技术自61年问世以来，发展极为迅速，受到许多国家的极大重视。特别是近两年，以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速，已成为气体激光器中最有发展前途的器件。

二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”，而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。1961年，Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate 研制出第一支二氧化碳分子气体激光器，输出功率仅为1毫瓦，其效率为0.01%。不到两年，现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦，其效率为17 %，电源激励脉冲输出功率为825瓦，采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。最近，有人认为，进一步提高现有的工艺水平，近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。

2、工作原理

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分子激光跃迁能级图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。

3、特点

二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点：

（1）工作波长处于大气“窗口”，可用于多路远距离通讯和红外雷达。

（2）大功率和高效率( 目前，氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦，其效率为0.17 %，原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%，而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%）。

（3）结构简单，使用一般工业气体，操作简单，价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用，输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外

差技术和红外技术等。

4、应用

二氧化碳分子激光器以其独有的特点获得广泛的应用，现就某些方面的应用介绍如下：

1、热效应的应用

可以毫不困难地把激光器的射束直径聚成100微米。在此情况下。300瓦的功率就相当于107瓦/厘米2数量级的能量密度，此值已超过太阳光的能量密度，能达到极高的温度。例如Garver公司研制的800 瓦二氧化碳激光器在2秒钟之内就能烧穿4寸厚的耐火砖。因而，可以想象这些分子激光器可以用于解决高温材料的焊接、融熔和钻孔。例如6200型二氧化碳激光器连续波输出10瓦，可用于硬质合金的焊接、高速蒸发、切割有机和无机玻璃材料。现在有人把二氧化碳激光器用作钻孔和爆破的一种辅助工具，这项研究正作为波士顿到华盛顿的高速地下运输技术的一个组成部分。

美帝的军事部门，正在探讨将这些器件用作武器的可能性。一种是利用轻便式二氧化碳激光器作杀人武器，由于10.6微米是不可见光，故其威胁较大。另一种作为反导弹武器，虽然现阶段能量不足以烧毁导弹，但能破坏导弹的热平衡。另外，由于它几乎能蒸发任何材料，所以能够用来改进等离子体的获得和用于质谱学。

2、光通讯和光雷达应用

二氧化碳分子激光器的上作波长正好处在大气的“窗口”，加上该器件的功率高，效率也高，因此，该器件在光通讯和光雷达方面的应用前途是很美好的。

美帝电子光学实验室NASA等单位正准备使用二氧化碳激光器作为高讯息率9x107[二进位/秒]的激光通讯系统。

NASA歌德空简飞行中心空对地激光通讯系统实验工作正在进行，使用的是连续波输出功率为20瓦的二氧化碳激光器，将传送106二进位/秒讯息。若实验成功，行星之间就可以传输电视图像。NASA歌德空间飞行中心还使用二氧化碳激光器进行深空探测，认为只要几百瓦连续波输出功率就可以实现。

美帝空军航空电子学实验室使用二氧化碳激光器制成光学多普勒导航系统。

前面报导的雷声公司研制的1200瓦小体积、大功率、高效率的二氧化碳激光器可作为激光跟踪导弹光雷达发射器。

3、在非线性光学方面的应用

使用10.6微米的二氧化碳激光器，借助锑和碲晶体一定的方向性，能够很容易产生二次谐波，贝尔电话实验室和法国通用电气公司研究中心在这方面已获得成功。锑和碲晶体是一种很有用的晶体，因为它们的非线性系数比K.D.P高1000多倍，并且它们对5~25微米是可透射的。例如，贝尔电话实验室的Patel

利用它制成第一个远红外参量放大器。使用10.6微米、10千瓦、160脉冲/秒的二氧化碳激光器来作为泵浦源，讯号频率由氦氖激光器提供，可在碲晶体中获得

17.9微米波长的激光，可用于通讯和光学材料性能的研究。

二、准分子激光器

1、背景

准分子是一种在激发态复合成分子，而在基态离解成原子得不稳定缔合物，激光跃迁发生在束缚的激发态到排斥的基态，属于束缚——自由跃迁。1970年，巴索夫等利用强流电子束泵浦液态氙，获得Xe激光振荡，其波长在176nm，这是第一台准分子激光器，稍后美国洛斯阿拉莫斯实验室报道了气相氙的激光输出，并在Kr（145.7nm）、Ar（126.1nm）获得激光输出。1974年美国Kansan州立大学报道了稀有气体卤化物在紫外波段的强荧光辐射，这结果引起了激光界的极大兴趣，短短六个月，美国海军实验室便获得了溴化氙（282nm）激光输出，阿符科公司获得了氟化氙（351nm）、氟化氪（248nm）、氯化氙（308nm）的激光输出，桑迪亚实验室则获得了氟化氢（193nm）的真空紫外输出，每个脉冲能量达百焦耳以上。

2、工作原理

准分子激光是一种气体激光，它的工作气体是由常态下化学性质稳定的惰性气体原子如He、Ne、Ar、Kr、Xe和化学性质较活泼的卤素原子如F、Cl、Br等组成。一般情况下，惰性气体原子是不会和别的原子形成分子的，但是如果把它们和卤素元素混合，再以放电的形式加以激励，就能成为激发态的分子，当激发态的分子跃迁回基态时，立刻分解、还原成本来的特性，同时释放出光子，经谐振腔共振放大后，发射出高能量的紫外光激光。

这种处于激发态的分子寿命极短，只有10ns，故称为“准分子”( Excimer)。准分子激光器的谐振腔用于存储气体、气体放电激励产生激光和激光选模。它由前腔镜、后腔镜、放电电极和预电离电极构成，并通过两排小孔与储气罐相通，以便工作气体的交换、补充。为了获得均匀大面积的稳定放电, 一般的准分子激光器均采用了预电离技术，在主放电开始之前，预电离电极和主放电的阴极之间先加上高压，使它们之间先发生电晕放电，在阴极附近形成均匀的电离层。一般高压为20kV~ 30kV。气体放电时，脉冲高压电源加在电极上对谐振腔内的工作气体放电，发生能级跃迁产生光子，通过反射镜的反馈振荡，最后产生激光从前腔镜输出。

3、特点

准分子激光具有以下特性：

(1)由于“准分子”寿命极短，在共振腔内往复次数少，缺乏共振，因此光