什么是气体激光器（Gas Laser）？
发布时间：2023-07-31 00:00:00 阅读数： 163
气体激光器是一种利用充满气体的介质产生相干和放大光的激光器。第一台气体激光器是氦氖（He-Ne）激光器，由阿里-贾万、小威廉-R-贝内特和唐纳德-R-赫里奥特于 1961 年研制成功。气体激光器的工作原理是受激发射和光学放大。气体激光器的功率范围很广，从几毫瓦到几千瓦不等。这些激光器可在连续模式或脉冲模式下工作，输出频率从紫外光谱到红外光谱。
气体激光器的结构
气体激光器利用一种或多种气体（如氦气、氖气、氩气、二氧化碳或这些气体的混合物）作为激光介质。所使用的特定气体或气体混合物可区分不同类型的气体激光器，并决定激光输出的特性。激光介质保存在谐振腔中，谐振腔是由玻璃或金属等适当材料制成的密封放电管。光学谐振器由两端的两面镜子组成。其中一面镜子是全反射镜（HR 镜），另一面是部分反射镜（输出耦合器）。反射镜的反射面允许激光来回反弹，放大并增强相干光。
气体激光器需要外部能量源将能量泵入气体介质并产生种群反转，这对于受激发射和激光器的运行十分必要。泵浦源可根据具体的气体激光器类型而有所不同，可能包括放电、闪光灯、射频激励或光学泵浦。气体激光器的输出波长取决于激光介质中存在的特定气体。例如，氦氖气体激光器的输出波长为 632.8 纳米，而氩离子气体激光器可以发出不同波长的激光，包括 488 纳米、514.5 纳米和 647.1 纳米。
在某些气体激光器配置中，会使用布鲁斯特窗口。布儒斯特窗是一种特殊的光学元件，可使激光束以特定的角度（即布儒斯特角）通过。这些窗口可减少反射和损耗，同时还能使激光束偏振。
工作原理
气体激光器的工作原理是受激发射和光学放大。这些激光器由不同的泵浦机制激发，如放电、化学反应或光学泵浦。气体原子、离子或分子与高能电子相互作用，导致它们被激发。与光学激发相比，这种电激发方法更受青睐，因为与固体不同，气体的吸收线很窄。这种激发为气体原子或分子提供能量，使它们从低能态过渡到高能态。当它们回到低能态时，就会发出光子，然后在由两面镜子组成的光学谐振器中反射和放大。部分反射镜允许部分光以相干激光束的形式逸出。
气体激光器的类型
在气体激光器中，光谱线的增宽不像固体激光器那样强烈。这是因为气体激光器使用的是不同类型的材料（气体），其中原子或分子之间的能级和相互作用不同。气体激光器的主要增宽机制是碰撞增宽和多普勒增宽。
碰撞展宽发生在气体中的原子或分子相互碰撞时，会导致发射或吸收线变得更宽。这种展宽取决于气体的密度和温度以及碰撞的性质。
多普勒展宽发生的原因是气体中原子或分子的随机运动。当它们运动时，发射或吸收光的观测频率会因多普勒效应而发生偏移。这导致光谱线变宽。
不过，与固体激光器相比，气体激光器的线宽（即光谱线的宽度）相对较小。这是因为气体激光器通常在低压下工作，碰撞展宽较小。气体介质中的能级相对较窄，因此需要尖锐的发射线来实现高效激发。光学泵浦的发射光谱较宽，不适合高效泵浦气体激光器。因此，电泵浦是激发气体激光器中活性介质的常用方法。此外，还可以通过化学方法、电子束或气体动力膨胀来实现泵浦。这些方法可使气体激光器具有较窄的发射光谱，并产生聚焦激光束。它们主要根据活性介质进行分类，例如
中性原子激光器
中性原子激光器又称原子激光器，是一种利用中性原子而非光子产生相干物质波束的装置。利用激光和蒸发冷却将原子冷却到超低温后，利用磁场或光学场对原子集合进行捕获和操纵，称为相干操纵。利用射频或磁场梯度等技术将中性原子提取出来。被提取出来的原子会形成相干物质波，类似于传统激光器中的相干光束。最常见的中性原子激光器包括钠原子激光器、铷原子激光器、锂原子激光器、锶原子激光器等。
离子激光器
离子气体激光器通常是四电平激光器，其活性介质是电离惰性气体，典型工作压力约为 1 托。离子激光器种类繁多，包括氩离子激光器、氪离子激光器、氙离子激光器和汞离子激光器。它们的设计基本相同。离子激光器的工作波长范围取决于特定的气体混合物和相关离子的跃迁水平。其中包括氩离子激光器、氪离子激光器、氦离子激光器等。
金属蒸汽激光器是一种气体激光器，使用气化的金属元素作为激光介质。它们通过将气化的金属原子激发到更高的能级，然后在原子返回基态时以相干光的形式释放能量，从而产生激光。这类激光器以输出功率高、工作波长范围广而著称。金属蒸汽激光器可在电磁波谱的可见光和紫外线 (UV) 区域工作。这类激光器包括铜金蒸汽激光器、氦镉激光器、氩离子激光器、氦氖激光器等。
分子激光器是一种特殊的气体激光器，利用受激分子作为激光介质。这些激光器的工作原理是激发气体分子的旋转或振动能级，从而发出相干光。这类气体激光器包括 CO、CO2、N2、准分子、HF、DF 激光器等。
气体激光器的寿命
气体激光器的寿命受多种因素影响，包括气体介质、激光管的结构和工作条件。由于气体耗尽、污染或光学元件退化等因素，气体激光器的工作寿命通常是有限的。有些气体激光器的使用寿命长达数千小时，有些则长达数万小时。适当的维护，包括补充气体和定期清洁，可以延长气体激光器的使用寿命。
气体激光器的优点
与其他类型的激光器相比，气体激光器具有一些优势，其中包括
气体激光器可容纳大量活性介质，使激发原子或分子高度集中。与其他类型的激光器相比，这种大容量有助于提高功率输出和效率。
气体激光器中用作活性介质的气体通常价格低廉，易于获得。这使得气体激光器在运行所需的材料方面具有成本效益。
这些激光器以坚固耐用著称。气体介质装在一个密封管内，这样可以保护其不受外界因素的影响，降低损坏的风险。
气体激光器具有相对高效的散热机制。由于气体介质在激发过程中会吸收能量，因此产生的热量可以通过冷却系统轻松带走。这有助于保持激光性能稳定，延长激光系统的使用寿命。
气体激光器的应用
气体激光器因其独特的特性和功能而在各个领域得到广泛应用。以下是气体激光器的一些常见应用：
工业切割和焊接
用于医疗程序，如皮肤科、眼科和妇科。
激光打标和雕刻
在创建三维图像的全息技术和制作鲜艳夺目的激光表演的激光灯光秀中很受欢迎。
测距和激光雷达
