常用激光器简介
几种常用激光器的概述
一、CO
激光器
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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CO?，氮气，氦气三种气体组成。其中CO?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CO?激光器中起能量传递作用，为CO?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。CO?分子激光跃迁能级图CO?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CO?分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO?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，因此光束指向性差,发散角一般为(2~10)毫弧度。
(2)不同的工作气体组合可产生191nm~ 354nm不同波长的紫外激光。
(3)单一脉冲的功率极高,约为(109~1010)W/cm，单一脉冲能量可达数个焦耳以上。
4、应用
眼科使用的准分子激光，是以氩气(Argon)和氟气(Fluoride)为工作气体产生的激光。其波长为193nm，属超紫外激光。由于波长极短，光子能量极高，达6. 4eV，
因此可轻易地切断角膜组织的分子键，其切割精度可达二百万分之一厘米以下，同时由于每个脉冲波的时间极短，所释放的热能极少，因此对周边组织的伤害非常轻微，所以准分子激光非常适合做角膜切割手术。
目前准分子激光在眼科临床的应用主要包括两类：一类是用于治疗近视、远视和散光的矫治屈光不正手术。主要技术有准分子激光光学角膜切削术( Photorefractive Keratectomy，简称PRK)和准分子激光原位角膜磨镶术(Laser insituker-atomileusis，简称LASIK)，其中LASIK手术是目前发展最快，普及最广，技术应用最强的治疗屈光不正手术之一。另一类是准分子激光光学治疗性角膜切削术( Excimer laser pho-totherapeutic keratectomy, 简称PTK)，主要用于治疗角膜不规则散光、切除角膜浅层瘢痕等。
激光治疗屈光不正手术在十多年的发展过程中，随着高新技术的不断应用，技术日趋完美。从早期的大光斑扫描技术到现在广泛应用的小光斑飞点扫描技术，解决了术后中心岛效应和角膜浑浊问题，能够获得完美的光学抛面，使术面光滑、平整；角膜地形图的应用和波前像差引导下的个体化切削技术，使切削精度大大提高, 真正做到“量眼定做”；主动眼球跟踪技术解决了术眼转动产生的角膜偏中心切削，使准分子激光始终处于角膜中心约6mm大小的区域内进行渐进式切削，提高了手术的精确度。另外，随着准分子激光治疗屈光不正手术发展起来的其他技术如角膜板层刀技术、计算机辅助软件技术等等也有了长足发展，大大增强了手术的安全性。
随着科学技术的发展以及临床工作的不断深入和研究，准分子激光技术在医学领域必将取得更快的发展, 为人类带来更好地服务。
其次，准分子激光的切割，与金刚石刀相比，切口位置及深度可精确控制，
XeCl准分子激光器用于使动脉粥样硬化斑块气化，具有边缘齐整且周围组织碳化极小的优点，可望取代心脏旁通术和气球血管成形术。准分子激光在半导体参杂、激光诱导化学超导薄膜形成等方面的研究在广泛展开。由于紫外激光束与物质相互作用的微细加工与冷加工的特点，成为继CO2激光器与YAG激光器之后的新一代激光加工及激光医疗用激光器件。
三、半导体激光器
1、背景
自1962年第一台半导体激光器诞生以来，经过几十年的发展，半导体激光器的研究取得了长足的发展，波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高。和其他类型的激光器相比，半导体激光器由于波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且具有体积小、重量轻、寿命长等特点，在光通讯、光谱分析和光信息处理等产业以及技术、医疗、生命科学、军事等基础和应用研究方面有着广泛的应用。
半导体激光器虽然有上述诸多优势，但在实际应用中，由于其谐振腔的输出频率容易受到环境温度和注入电流的影响，自然运转的半导体激光器的输出线宽通常在100MHz左右，可调性也比较差。这在激光光谱学研究中是不够的。为了克服上述缺点，人们采用延伸腔的办法：利用衍射光栅和激光二极管的后端面组成一个延伸腔，构成了Littrow结构的激光器。衍射光栅产生的l级光反馈回激光二极管实现光反馈。由于输出激光的线宽和腔长成反比，因而利用延伸腔和光反馈可以大大压窄激光的线宽，通常可以到10MHz以下。而衍射光栅和入射光的夹角又直接决定了激光的输出频率，因此衍射光栅又起到了选模的作用。通过调节衍射光栅的角度可以实现激光器在不跳模情况下频率的大范围(通常可以达GHz)扫描，若注入电流配合光栅的角度一起变化，则不跳模的可调范围可以增加到5GHz左右。
即便如此，10MHz的线宽还是不能满足很多实验的要求。鉴于此，许多研究小组采用了利用外部参考进行稳频的方案：或者采用原子饱和吸收谱线做参考，或者采用外部参考腔做参考。两种方案中，由于前者依赖于具体的原子谱线，而很多情况下，找不到一条合适的谱线做参考，因此，外部参考腔稳频是目前激光稳频中采用得最多的一种稳频方法，通过该方法，可以将激光器的频率压窄到