什么是气体激光器?

什么是气体激光器?

[拼音]：qiti jiguangqi

[外文]：gas laser

利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成（图1）。主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。其中电激励方式最常用。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。

与固体、液体比较，气体的光学均匀性好，因此，气体激光器的输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。

气体激光器分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器和准分子激光器。它们工作在很宽的波长范围，从真空紫外到远红外，既可以连续方式工作，也可以脉冲方式工作。

原子气体激光器

包括各种惰性气体激光器和各种金属蒸气激光器，如氦氖激光器和铜蒸气激光器。其中氦氖激光器是最早研究成功的，并且仍在普遍使用。它的工作物质是混有氦的氖(图2)。在这种混合气体中放电，部分氦原子被激发到亚稳激发态21S或23S。这部分氦原子与基态氖原子碰撞时，能导致能量转移激发，使氖原子处于激发能级上，从而实现氖原子的粒子数反转分布。氖原子在谐振腔中通过受激发射过程主要发出三个波长（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器输出的激光功率只有几毫瓦到100毫瓦，效率约为0.1％。但是，氦氖激光器具有单色性好、方向性强、使用简便、结构紧凑坚固等优点，因而在精密测量、准直和测距中得到广泛的应用。

铜蒸气激光器具有平均功率高、重复率高等优点，发展很快。

离子气体激光器

在惰性气体和金属蒸气的离子的电子态能级之间建立粒子数反转，其激光波长大多在紫外和可见光区域，输出激光功率较大。典型的离子激光器有氩离子激光器、氪离子激光器和氦镉激光器等。应用最多的是氩离子激光器。它可以产生多条波长的激光，其中最强的是4480埃和5145埃。连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦，效率很低，约为0.1％。它被应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学等。

分子气体激光器

工作物质是中性分子气体，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波长范围很广，从真空紫外、可见光到远红外。其中以二氧化碳激光器最为重要，其特点是效率高，大约在10％～25％范围内，可以获得很高激光功率，连续输出功率高达万瓦，脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.4微米和10.4微米为中心的多条分子振转光谱线上。二氧化碳激光器分为普通低气压封离型激光器、横向和纵向气体循环流动型激光器、横向大气压和高气压连续调谐激光器、气动激光器和波导激光器等。这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。其中波导二氧化碳激光器是一种结构紧凑、增益高和可调谐的激光器，特别适用于激光通信和高分辨光谱学。

准分子激光器

利用准分子的束缚高能态和排斥性或弱束缚的基态之间的受激发射的激光器。由于基态寿命极短，可实现高效率和高平均功率。准分子激光器的主要受激准分子是惰性气体准分子和惰性气体卤化物准分子。激光发射波长主要在紫外和真空紫外区域，输出能量已达百焦耳量级，用于光泵染料激光器、同位素分离和激光化学。