气体激光及应用漫谈.doc

气体激光及应用漫谈 1 引言 激光器是二十世纪最重要的技术发明之一，激光技术的发展对人类社会产生了广泛而深刻的影响。自1960年世界首台激光器诞生至今，各种新型激光器如雨后春笋般不断涌现，时至今日也丝毫没有减缓的势头。按产生激光的增益介质的不同，激光器可以大致分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器及自由电子激光器等五大类。气体激光器是指以气体（包括蒸气）为工作物质的激光器，其主要特点是： 工作物质种类最多、激光波长覆盖范围极广（已经观测到的谱线万余条，从真空紫外甚至X线直至THz波）； 增益介质均匀性好、热效应小，光束质量好； 输出光束单色性和空间相干性好； 增益介质无损伤阈值限制，无获得大体积增益介质困难，热管理问题不突出，比例放大和输出高功率大能量的潜力大。 常见的气体激光器有，He-Ne激光器、CO2激光器、准分子激光器、金属蒸气激光器、氩离子激光器 激光器主要种类 主要输出波长 μm 典型应用举例 原子气体激光器 He-Ne激光器 0.6328/1.15 精确测量，计量基准，全息摄影 He-Xe激光器 3.507/2.027 激光通信、激光医学 铜蒸气激光器 0.5782/0.5106 激光治疗机 金蒸气激光器 0.6278 碱金属蒸气激光器 0.770/0.795/0.895 激光传能 分子气体激光器 CO2激光器 10.59/9-11 激光加工、标记、清洗，激光医疗，激光雷达，光泵产生THz波，激光推进 CO激光器 5-6 激光加工 氮分子激光器 0.3371 光泵浦 准分子 激光器 XeCl激光器 0.308 微加工、光刻，激光医疗，激光化学 XeF激光器 0.351 ArF激光器 0.193 KrF激光器 0.248 离子气体激光器 Ar+激光器 0.4880/0.5145 激光演示、激光医疗 He-Cd+激光器 0.4416/0.3250 化学 激光器 HF化学激光器 2.5-3.0 激光武器 DF化学激光器 3.6-4.0 氧碘化学激光器 1.315 本文将以CO2激光器为重点，对气体激光及其应用做一简单介绍。 2 几种典型的气体激光器 CO2激光器 CO2激光器是应用最为广泛、最具有代表性的气体激光器。除了气体激光器的共同优点外，CO2激光器还具有如下突出优点： 输出波段处于大气透过窗口，适合远距离传输； 研制及运行维护成本低，适合规模化应用； 工作方式灵活多样，即可以连续输出，也可以脉冲输出；既可以输出高功率（最高达几百千瓦），也可以输出大能量（最高达几千焦耳）； 激光器电光转换效率较高，一般大于10%，可以达到20%； 激励方式丰富多样，既可以放电激励，也可以电子束激励，还可以光泵、热激励等； 输出波长可调谐，在9-11μm范围内可调谐输出上百条激光谱线；当工作气体压力提高到10个大气压以上时，还可以实现连续调谐。 CO2气体激光器的种类繁多，按结构类型不同大致可分为封离型纵向放电CO2激光器、纵向慢流CO2激光器、快轴流CO2激光器、横向流动CO2激光器、横向激励大气压CO2激光器、气动CO2激光器、波导CO2激光器等七大类。 上述所列各类CO2激光器，除横向激励大气压CO2激光器，在不采用调制调Q等“脉冲化”技术手段时一般多以连续波方式输出激光。横向激励大气压CO2激光器，即TEA （Transversely Excited Atmospheric pressure）CO2 激光器。“横向激励”是指该类激光器的放电激励方向与激光谐振腔的光轴方向垂直，“大气压”是指该类激光器的工作气压较高，为atm量级。TEA CO2激光器均采用窄脉冲（μs级）放电激励，为脉冲输出。TEA CO2激光器具有如下特点和优点： 采用横向激励，在相同的增益长度和气体压力下，和纵向激励相比，可以使激光器的放电电压大幅度下降。一方面，降低了对电源及系统绝缘强度的要求；另一方面，采用较低的放电电压，可以有效降低放电的E/N值，提高放电激励的效率； 单位体积增益介质的输出脉冲能量与气压成正比，输出峰值功率与气压的平方成正比。TEA CO2激光器工作在较高的气压下，因此单位体积的输出能量和输出峰值功率较高，器件可以更加紧凑； TEA CO2激光器采用高压窄脉冲激励，存在着“增益开关”效应，可以得到很高的脉冲峰值功率。输出脉冲能量为焦耳量级的TEA CO2激光器，其输出的脉冲峰值功率一般达几十兆瓦； 和纵向放电的结构相比，横向放电的结构，更加有利于器件的模块化。这不仅对器件的工程化和实际使用非常有利，而且有利于激光器输出能量和功率的比例放大，有利于向高功率方向发展。 高重复频率TEA CO2 激光器相关的关键技术主要有：预电离技术、均匀场电