准分子激光器的发展和应用.PDFVIP

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 卷 第 期 光 年 月 中 国 激 , , 准分子激光器的发展和应用 楼棋洪 ‘ 中国科学院上海光机所 , 上海 提要 本文介绍近年来高脉冲能量 、 高脉冲功率和高平均功率准分子激光器的发展以及在科学研 究 、 工业和 医学方面的应用 。 关键词 准分子激光 准分子是一种在激发态复合成分子 , 而在基态离解成原子的不稳定缔合物 , 激光跃迁发生 在束缚的激发态到排斥的基态 , 属于束缚一 自由跃迁 。 年 , 巴索夫等利用强流电子束泵 浦液态氮 , 获得 子激光振荡 , 其波长在 , 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氦 犷的激光输出 , 并在 犷 · 和 子 · 获得激 光输出 。 年美国 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川 , 这 一结果引起了激光界的极大兴趣 , 短短六个月内 , 美国海军实验室便获得 了澳化氨 “ 激光输出 , 阿符科公司获得了氟化氛 ‘ 、 氟化氢 ‘ 和氯化氨 ’ 的激光输出 , 桑迪亚实验室则获得了氟化氮 ’ 的真空紫外输出 , 每个脉冲能量达百焦耳以上 〔习 。 由于稀有气体卤化物准分子激光具有峰值功率高 、 脉冲能量大且波长在紫外区的优点 , 很 快引起了人们建造高能量 、 高功率 、 高重复率 高平均功率 激光器的兴趣 , 下面就这三个发展 方向作简要评述 。 高脉冲能量准分子激光器 年美国阿符科公司开始筹建名为 “ 一 ”装置 , 目标是在 ’ 波段获得 的脉冲能量输出 。 一个具有反转粒子数 八四 , 带宽 八 , , 自发辐射寿命为 , 的系统的增益系数 刃 为 护 八 万 了 八 , 其中 , 是跃迁的中心频率 。 对于这一系统 , 达到稳态的泵浦速率 是 竺 九 , 二 本刊副主编 , 简介见本期第 页 。 收稿 日期 年 月 日 ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中 国 激 光 卷 带宽 八 , 和频率 , 之间的关系依赖于加宽类型 。 对多普勒加宽 八 , , , 对于辐射加宽 , 八 , 沪 。 此 外 , 由于泵浦源频率必须大于激光跃迁频率 , 我们可将泵浦功率 尸表达为 一 沼 , 式中 。 因此 , 对多普勒加宽跃迁 , 为产生给定增益系数所需的泵浦功率和 沪 成正 比 对辐射加宽跃 迁 , 泵浦功率和 沪 成正 比 。 要获得短波长激光 , 必须采用高功率泵浦源 。 电子束 , 特别是相对论 电子束对准分子体系具有很高的泵浦速率 , 用它可以在很宽的气压 范围内 可高达 饥 获得激光输出 , 并采用氢或氦作稀释气体来提高效率 、 稀释气体在泵浦 初始阶段起增强吸收作用 , 在后期则起冷却电子的作用 。 随着气体的成分 、 气压和种类的不同 , 电子束的穿透程度也不同 。 体积增大时 , 由于受吸收 的限制 , 泵浦的均匀性也受到限制 。 为此 , 要研制几千焦耳的准分子激光器 , 除了提高泵浦源的 强度外 , 常采用双向 甚至四 向 电子束泵浦技术 。 年在 耐 体积内 , · 激光器获得 了 的激光输 出 年 ’ 激光器获得 的激光输 出 , 年 ’ 激光器获得 的激光输出 。 这是准分子激光最大的脉冲能量输出 。 随着美国战略防御 倡议 进程的变化 , 这类激光器的发展 已没有进一步的报道 , , 。。 年 月报道 正在探索这些激光器在表面处理等方面的应用 。 高脉冲功率准分子激光器 基础研究和军事应用的需要促进了高功率和高亮度激光系统的发展 。 应用的领域不同 , 对 激光器系统参数的要求也不同 , 例如 , 激光核聚变要求脉冲宽度为纳秒量级 , 脉冲能量为 一 , 聚焦功率密度为 , 砰 射线激光或 射线源的泵浦源要求脉冲宽度为 一 , 脉冲能量为 一 , 聚焦功率密度为 ’ 一 ’ 强场物理研究要求脉冲宽 度为 , 脉冲能量为 , 聚焦功率密度则要求高达 少 “ 以上 。 同固体激光器相 比 , 准分子激光器具有以下几方面的优点 准分子激光系统的效率达 左右 , 钦玻璃激光器只有 的量级 脉冲时间为 时 大型准分子激光系统的脉 冲运转时间间隔很短 秒级 , 而钦玻璃激光系统则以小时计 准分子激光输出波长为 的紫外波段 , 不需象钦玻璃系统那样从红外通过三倍频才能达到紫外波段的多次频率 转换 。 当然准分子激光系统也有它的不利因素 , 主要是光脉冲宽度较宽 , 短波长的光学部件损 伤及放大