气体激光器的优化处理

气体激光器是气态工作物质的激光器，由于它利用的是气体原子或分子的能级，并且气态物质的光学均匀性一般良好，所以气体激光器比起固体激光器和半导体激光器来说，输出的光束质量（如单色性、相干性、光束的稳定性等）一般比较好，这在许多应用中是很重要的。近年来，在输出功率及输出能量方面，气体激光器亦有很大的提高，开辟了许多新的用途。

气体激光器的激励方式一般是利用气体导电过程。只在某些特殊情况才利用光激励，化学反应激励，热激励等方法。大家知道，气态物质在平常是很好的绝缘体，每立方厘米气体中通常只有几个到几百个带电的离子和电子，所以加上电压时能产生的电流很微弱，但当电压加到某一定值时，会看到导电电流突然增大，而同时放电管两端电极上的电压降却突然下降，气体从较好的绝缘体突变成较好的导体，这叫气体的电击穿或“着火”。按气体导电的电压——电流特定性曲线（通常叫伏安特定）来区分。击穿以后气体导电还可以分作正常辉光放电，反常辉光放电和弧光放电。如氦氖激光器和二氧化碳激光器都是正常辉光放电。而氩离子则是在弧光放电的范围。由于击穿后放电管变成较好的导体，两端的电压降要比未击穿时低得多，所以整个放电电路的电压降就会有相当一部分落到放电管串联负载上。因此它就起到限制放电电流的作用。通常把和放电管串联的负载叫作限流电阻（或镇流电阻）。击穿气体导电性质的显著变化是因为这时气体中产生许多正离子和电子，在外电场作用下，正离子向负极移动，电子向正极运动，造成显著的导电电流。如果仔细观察气体导电时的情况，就会看到加在放电管两端的电压，有相当一部分是落在阴极附近不到一个毫米的狭窄区域中的。在这窄区中有很强的电场，强电场加速从阴极飞出来的电子，使它有足够高的动能，能够在和中性气体原子（或分子）相碰撞时，使中性原子（或分子）发生电离，变成正离子和电子；于是每个从阴极飞出来的电子在穿过这个狭窄的阴极区时产生“雪崩”式的倍增；碰撞电离产生的正离子在被阴极收集时，又传递能量给阴极里面的电子，使它们从阴极里面飞出来进一步参与导电。这样一来便造成源源不绝地提供维持导电的电荷的过程。在窄的阴极区之后，是一段相对来说电场强度比较弱，本身较均匀的区域，这区域占据了放电管的绝大部分，通常看上去有均匀的发光这段叫作正柱区。正柱区中维持着大体相等的正电荷（正离子）密度和负电荷（电子）密度。整个来说是电中性的，但里面却有较通常气体多得多的能导电的自由电荷，即叫作等离子体。正柱区的正电荷是一方面靠从阴极区和阳极区流进来的电子和离子，另一方面也是靠电子在向阳极运动的过程中和中性气体原子（或分子）的碰撞电离。但正柱区中的电场较弱，碰撞电离产生的正负电荷正好只能抵消由于正离子和电子复合的损失及电荷碰到放电管管壁而复合的消失，故正柱区是相当均匀的。通常气体激光中利用的便主要是正柱区中电子和气体原子（分子）的碰撞。

气体中的电子在外电场作用下，一方面获得由场方向的加速度，产生由场方向的漂移运动，本身的动能增加，另一方面又不断地和气体原子（或分子）相碰撞，把得到的能量传递给气体原子（或分子）。由于电子的质量比原子分子小得多，碰撞损失能平均来说只占自身能量的很少的部分，因此在外电场下，电子的平均动能会比气体原子分子的平均动能高得多；我们知道气体粒子的平均动能等于3／2KT（T是气体的绝对温度，K是波尔兹曼常数）；因此人们也常常把外电场下气体中电子平均动能高于气体原子、分子的平均动能这个情况，叫作在外电场下电子的温度Te高于气体的温度T；例如实验观察表明，在通常的氦氖激光器的放电管中，电子的温度有6万～7万度或者更高，而这时气体的温度则不过是400～500 K；电子温度这样高，就使得相当多的电子具有足够的动能，当它在和气体粒子（包括原子、分子或离子）发生碰撞时，能使这些粒子的内部运动状态发生变化，即电子提供能量使气体粒子从基态跃迁到激发态，这便是气体击穿后，一般都发出耀眼的光辉的原因，也是气体激光器用来激励的主要方法。

在气体放电时，正柱区中间的情况大体上有以下一般规律：

①正柱区中的电子密度正比于放电电流密度；电子密度分布是不均匀的，在放电管中央最大，向两边逐渐下降，在放电管壁上电子密度为0，近似地说，截面上电子密度的分布是

式中：R是放电管半径，J0是零阶贝赛尔函数。

②正柱区中轴向电场的大小是正好能维持碰撞电离抵消复合的损失，大致上说，轴向电场E，气体压强P和放电管半径R之间有这样的关系：E／P是RP的函数，这函数是随着RP的增大而减小的。

③正柱区中电子的温度大体上与放电电流的大小无关，而只决定于E／P这个参量，因而也就只是RP这个参量的函数；一般说这个函数是一个变化得比较慢的函数。这些一般规律对了解激光器的工作是有帮助的。

气体导电本身是一个比较复杂的现象，这里简单叙述的只是了解气体激光器的激励过程的基础，实际上还有许多原理上、线路上、工艺上和材料上的问题需要考虑，这些是在具体激光器的制造和使用中要注意的。

（1）原子激光器

原子激光器是利用中性原子的不同激发态之间发生的激光跃迁工作的一种气体激光器。能够产生跃迁的原子种类很多，主要是惰性气体（氦、氖、氩、氪、氙）和某些金属原子蒸汽（铜、锰、铅、锌、镉、铯、锡、汞等）。

氦氖气体原子激光器是在1960年制作成功的第一种气体激光器。其结构简单，使用方便、工作可靠且制作比较容易，是应用广泛的一种气体激光器。

普通氦氖激光器基本上是由激光器放电管和一对镀有多层介质膜的高反射率反射镜组成。这两个反射镜组成激光器的光学谐振腔，其中一个是全反射镜，它在工作波长上尽可能接近100%反射率，另一个是输出反射镜，它是在工作波长上具有特定透过率的部分反射镜。

氦氖激光器的放电管与谐振腔之间有不同的几种结构方式，即内腔式、半腔式和外腔式。内腔式氦氖激光器的两个反射镜直接密封在激光放电管两端，半内腔式和外腔式氦氖激光器则分别在激光放电管的一端和两端通过布儒斯特窗片实现真空密封。

氦氖激光器是一种输出功率通常是毫瓦级，目前已出现高达1W的小功率气体激光器。其输出功率决定于放电毛细管的长度。单纵横输出率约0.5mW毫瓦；25～30 cm的TEM模，其输出2～4mW；50 cm左右时，为8～10 mW；150～200 cm时，约为50mW。这种可见光的小功率气体激光器广泛应用于精密计量、检测、准直、导向、全息照相和信息处理以及医疗、光学实验等各个方面。

氦原子核外有两个电子，基态是11 S0氦原子有两个亚稳态能级，即He（23 S1）和He（21 S0）。氖原子有1S、2S、3S、2P、3P（帕邢符号）等激发态，其中1S、2S、3S各由四个能级组成；2P、3P各由十个能级组成。

氦氖激光器的激光跃迁发生在氖原子的不同激发态之间。在适当的放电条件下，已知氖原子的3S与3P及2P态之间，以及在2S态与2P态之间的很多对能级之间获得了一百多条激光跃迁谱线。其中最重要的是波长为6328Å、1.15μm和3.39μm的激光跃迁谱线；对应的跃迁能级是3S2－2P4、2S2－2P4、3S2－3P4。

（2）分子激光器(www.xing528.com)

分子激光器中最典型的代表是二氧化碳激光器。

二氧化碳激光器是一种比较重要的气体激光器。它具有一些比较突出的优点：第一，它有比较大的功率和比较高的能量转换率。一般的闭管CO2激光器就可有几十瓦的连续输出功率，这就远远超过一般的气体激光器。横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦（105 W）的连续输出。此外横向大气压CO2激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高的水平，可以与固体激光器比美。CO2激光器的能量转换效率可达30%～40%，这也超过了一般的气体激光器和固体激光器。第二，它是利用CO2分子的振动—转动能级间的跃迁的。有比较丰富的谱线，波长在10μm附近有几十个波长的激光输出。近年来发展的高气压CO2激光器，可做到9～10μm间连续可调谐的输出。第三，它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长相对说比较透明）。除了这些突出优点外，一般气体激光器的优点如输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等也都具备。因此，CO2激光器在国民经济和国防上都有许多应用，例如应用于加工（焊接、切割、打孔等），通信、雷达，激光诱发化学反应，化学分析，外科手术等方面。在激光引发热核反应，激光分离同位素，激光传输能量，激光武器等方面也可能获得重要应用。

最常见的闭管（或称封离型）CO2激光器类似于内腔式氦氖激光器的结构，差别在于前者有水冷套而后者没有，且放电管的长度和直径一般都比氦氖激光器大。

典型的闭管CO2激光器包括腔片架、放电管、电极和电源等几部分。腔片架是放置和调节谐振腔反射镜的装置。简单的方法是直接将镜片贴在放电管两端，如腔内式氦氖激光器那样。放电管一般采用气体放电管、水冷套管、储气管三者制成共轴套管的多层套筒式结构，两端分别有排气口，进水口和出水口。长度比较长的激光器可以折叠起来以缩小外形尺寸，折叠的两端之间用反射镜M2，M3（它们可以是平面或带有一定曲率半径的反射镜）来耦合光路，激光从具有一定透过率的反射镜M4输出。

下面讲一讲CO2分子的结构和振动能级。

CO2分子是一种线性对称排列的三原子分子（3个原子排列成一条直线，中央是碳原子，两端是氧原子）。

CO2分子具有三种基本振动形式（或简称三种简正振动）：

①反对称振动　3个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子的相反。用U3标记这一振动方式，并称为U3振动模，相应的振动能量用EU3标记（U3＝0、1、2等）。基振动的波数U3＝2349.3／cm。

②对称振动　3个原子也是沿对称轴振动，但碳原子保持不动，两个氧原子同时对着碳原子或背向碳原子振动。这一振动方式用U1标记，并称为U1振动模，相应的振动能量用EU1标记（U1＝0、1、2等）。基振动波数U1＝1388.3／cm。

③形变波动　三个原子的振动方向不是沿对称轴，而是垂直于对称轴，并且碳原子的运动方向两个与氧原子相反。这一振动方式用U2表示，称作U2振动模。相应的振动能量用EU2标记（U2＝0、1、2等）。这一振动式二度简并的，因为它对应着两种振动方式，一种是三个原子做上下形变振动，一种是做前后形变振动。如在没有外界扰动时，这两种振动方式所具有的能量相同。基振动的波数U2＝667.3／cm。

在一级近似中，以上三种振动方式相互独立，CO2分子可以被激发到由这三种独立振动方式组成的某一个态。分子的振动态由三个（简正振动的）量子数来U1、U2、U3来确定，振动能级用（U1 U2 LU3）的形式表示。其中L是与两个形变振动方式相联系的角动量量子数。当U2为偶数时，L＝U2，U2—2，…，0；当U2为奇数时，L＝U2，U2—2，…，1；L＝0的能级是非简并的，L＞0时的能级是二度简并的。由于CO2分子的非谐性，当U2＞1时它将解除简并。

CO2分子可能产生的跃迁很多，但其中最强的，也是具有实用价值的仅有两条：一条是000 1→100：跃迁，波长约为10.6μm；另一条000 1→0020 0是跃迁，波长约为9.6μm。CO2激光的量子效率很高并可表示为：

式中：E1和E2分别为低能级和高能级所对应的能量，v为跃迁频率。

将高能级1000 1能量E3＝0.291 eV，低能级100 0能量E1＝0.172 eV代入上式即可得出高达41%的量子效率。但是，仅凭量子效率高还不能反映出激光器的实际运转效率，还要看激光上能级的激励是否有效。

（3）氩离子激光器

离子激光器是以气离子的不同激发态之间的激光跃迁工作的一种气体激光器。包括惰性气体离子激光器，分子气体离子激光器，金属蒸气离子激光器等。最常见的离子激光器有氩离子激光器和氦—镉激光器。我们只介绍氩离子激光器的工作原理、结构和工作特性。

氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器，与之相类似的还有氪、氖、氙的离子激光器。氩离子激光器的主要激光波长在可见光的蓝绿区。目前在可见光区氩离子激光器是输出功率最高的一种连续工作的激光器。一般输出功率为几瓦或几十瓦，最高可达150W。比6 328Å的氦氖激光器的输出约高三个数量级，用途极广。如在激光器电视、全息照相、信息照相、信息储存、光谱分析等。在刑事技术中用于显现潜在手印，寻找发现精斑等。