【正文】 要較大體積的工作物質(zhì)才能獲得足夠的輸出功率。因此需要大的激活區(qū)，長(zhǎng)度從幾十厘米至 1m，做成的激光器體積都比較龐大。 ? 氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小，不宜采用光泵浦，而采用氣體放電泵浦方式。在放電過(guò)程中，受電場(chǎng)加速而獲得足夠能量的電子與粒子碰撞時(shí)，將粒子激發(fā)到高能態(tài)，在一對(duì)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。氣體激光器還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦和核泵浦等方式。可據(jù)不同氣體電子能級(jí)分布狀態(tài)來(lái)選用氣體激光器。如需獲得從紅光到近紅外的振蕩激光，使用 HeNe氣體激光器；需要獲得從紫外到可見區(qū)振蕩的，使用 Kr+離子激光器， Ar+離子激光器， Xe+離子激光器等。 ? 根據(jù)氣體工作物質(zhì)的種類不同，可將氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器和分子氣體激光器三種。 ? 原子氣體激光器的工作物質(zhì)是中性原子氣體，激光躍遷發(fā)生于中性原子的不同激發(fā)能級(jí)之間，其工作物質(zhì)有兩類：一類是惰性氣體原子，如氮（ He）、氖（ Ne）、氦（ Ar）、氪（ Kr）和氙（ Xe）等，這類激光器輸出的波長(zhǎng)多在紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)，只有少數(shù)在可見光區(qū)。另一類是金屬原子蒸氣，如鎘 (Cd)、銅 (Cu)、錳 (Mn)和錫 (Sn)等，這類激光器的輸出波長(zhǎng)大都在可見光區(qū)。 ? 原子氣體激光器中應(yīng)用最普遍、最典型的是惰性氣體類中的 He一 Ne激光器和金屬原子蒸氣類中的銅原子激光器。 ? 離子激光器是在陰極放電區(qū)中使電子與稀有氣體碰撞，形成強(qiáng)制放電電離，造成高能態(tài)離子，然后向低能態(tài)區(qū)實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射。但某些離子激光器盡管能夠有連續(xù)輸出幾瓦至幾十瓦的激光輸出，但由于振蕩效率低，適用的范圍受到限制，較多用來(lái)作特殊顯示等用途。 ? 在紫外到可見區(qū)有較高實(shí)用價(jià)值的氣體激光器為氮激光器和金屬蒸氣離子激光器。氮激光器在 331~ 400nm范圍內(nèi)有幾條紫外譜線，能以l0ns的窄脈沖寬度產(chǎn)生很高的峰功率。 ? 金屬蒸氣離子激光器是使固體和液體金屬蒸發(fā)，成為氣態(tài)并進(jìn)行放電的一類離子激光器。由于能夠獲得高增益，所以激光效率比較高。在Cd, Se, Zn。 Pb, Sn等金屬蒸氣中，需混和 He作為緩沖氣體后使用。波長(zhǎng) 325nm的 HeCd激光器，脈沖輸出時(shí)達(dá)幾百毫瓦、連續(xù)輸出時(shí)達(dá)幾十毫瓦。 HeSe激光器在 ~ 50條振蕩譜線。其中藍(lán)和綠的振蕩譜線很強(qiáng)，可得到約 100mW的連續(xù)輸出。 Cu激光器在 。 XeCl和 KrF等準(zhǔn)分子激光器是效率較高的紫外光源，可以考慮用作光致抗蝕劑的光源，也可以考慮用作核聚變和分光、化學(xué)應(yīng)用的激光器。 ? 離子氣體激光器是以氣態(tài)離子在不同激發(fā)態(tài)之間的激光躍遷工作的一種激光器，其工作物質(zhì)為惰性氣體的離子和金屬蒸氣離子，由于其離子氣體激光器的輸出波長(zhǎng)大多在紫外和可見光區(qū)，因此是目前可見光波段連續(xù)輸出功率最高的激光器，其閾值電流密度相當(dāng)高，可達(dá)幾百安培。 ? 在分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間振蕩的分子激光器的代表是 CO2激光器。放電管內(nèi)充以 CO N He的混合氣體，采用輝光放電激發(fā)。由于分子振動(dòng)的振動(dòng)能級(jí)間能量差很小，所以振蕩的形成激光都處于紅外區(qū)。在 200條振蕩譜線。 ? 除了半導(dǎo)體激光二極管外， CO2激光器的激光效率最高，可達(dá) 15％～20％以上。雖然 CO2激光器工作物質(zhì)是氣體，但是由于增益高，所以用作 CO2激光共振腔的反射鏡其反射率沒有必要裝備比其它氣體激光器更高的反射鏡。在激光器共振腔的一端用反射式衍射光柵能夠選擇波長(zhǎng)。用簡(jiǎn)單的 CO2激光裝置就可做到連續(xù)輸出幾瓦至 100W，大型裝置也有連續(xù)輸達(dá) 20kW。 ? 在其它如 CO、 HF、 DF、 CH3F、 CH3OH等分子激光器中，差不多凡是具有偶極矩的分子都可能實(shí)現(xiàn)激光振蕩。 CH3OH（乙醇）激光器在波長(zhǎng)從幾十微米至亞毫米波區(qū)中，多數(shù)譜線能產(chǎn)生激光振蕩。 ? 分子氣體激光器的工作物質(zhì)也可分為雙原子分子和三原子分子，如一氧化碳 ((CO)、氮?dú)猓?N2）、水蒸氣 (H2O)和二氧化碳 (CO2)等。雙原子分子激光器的輸出波長(zhǎng)在紫外和可見光區(qū)，而三原子分子激光器的輸出波長(zhǎng)在中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)。 ? 分子氣體激光器的電子基態(tài)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)十分接近基態(tài)，因而具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，而且分子振動(dòng)能級(jí)的激發(fā)截面一般都比較大，可以獲得絕對(duì)值較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值。最具有代表性的雙原子氣體激光器是氮分子激光器和三原子氣體的二氧化碳激光器。 圖 HeNe激光器結(jié)構(gòu)示意圖 ? 為了解氣體激光器的有關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作特性下面將分別介紹一些主要的氣體離子激光器。 ? （ 1） HeNe激光器 ? 最早研制成功的氣體激光器。其在可見光和紅外波段可產(chǎn)生多條譜線，最強(qiáng)的是 nm、 ，以。 ? HeNe激光器的基本結(jié)構(gòu)包括放電管、電極和光學(xué)諧振腔三部分，如圖 。放電管由毛細(xì)管和儲(chǔ)氣管構(gòu)成，毛細(xì)管是放電工作增益區(qū)，儲(chǔ)氣管的作用是增加工作氣體總量。放電管一般用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃制成。 ? HeNe激光器采用直流放電激勵(lì)形式 ,工作電流幾到幾百毫安 .放電長(zhǎng)度為 1mm的激光器，起輝電壓在 8000 V左右。放電電極大采用冷陰極形式，陰極材料為鋁或鋁合金。為了增大電子發(fā)射面積和減低濺射，陰極通常制成圓筒狀，而陽(yáng)極一般多采用鎢針。 ? 光學(xué)諧振腔是由一對(duì)涂有高反射多層介質(zhì)膜的反射鏡組成，采用平凹腔形式，輸出平面鏡的透過(guò)率為 1％ ~2％，凹面全反鏡的反射率接近 100％。 ? 根據(jù)諧振腔與放電管的連接方式， HeNe激光器可分為內(nèi)腔式、半內(nèi)腔式和外腔式三種。圖 (a)為內(nèi)腔式，即反射鏡和放電管連在一起； (b)為半內(nèi)腔式，一塊反射鏡與放電管相連，另一塊反射鏡與放電管相分離；（ c）為外腔式，反射鏡和放電管為互相分離。內(nèi)腔式的優(yōu)點(diǎn)是整體性強(qiáng)，輸出功率較高，不用調(diào)制，使用方便，但不能直接輸出線偏振光。半內(nèi)腔 ? 式和外腔式激光器的優(yōu)點(diǎn)則是適于輸出線偏振光，便于進(jìn)行內(nèi)調(diào)制。 ? HeNe激光器的工作物質(zhì)是 He和 Ne的原子氣體，在放電管內(nèi)充以一定比例和壓力的氦、氖混合氣體。在電極兩端加上 2~4 kV的直流高壓，由于氣體放電可使 Ne原子的能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?；旌蠚怏w中，雖然 He的含量數(shù)倍于 Ne，但激光躍遷只發(fā)生在 Ne原子的不同激發(fā)態(tài)之間， He原子是輔助氣體，用做對(duì) Ne原子的共振激發(fā)，使能量轉(zhuǎn)移，以提高泵浦效率。 ? 影響 HeNe激光器輸出功率的因素除工作物質(zhì)尺寸、諧振腔損耗和輸出耦合外，還有氣體放電電流參數(shù)、充氣氣壓 ,He與 Ne這兩種氣體的比例及毛細(xì)管的管徑等。 ? HeNe激光器輸出功率較?。◣?mW到 100mW），能量轉(zhuǎn)換功率也較低 (%)，但其激光光束的單色性較好，譜線寬度窄，頻率穩(wěn)定度高，方向性好，發(fā)散角小，相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里?？梢赃B續(xù)、單色平面偏振光輸出，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠穩(wěn)定，在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測(cè)量、精密計(jì)量、光盤錄放等很多方面具有廣泛的應(yīng)用。 ? （ 2）氬離子激光器 ? A r+激光器是離子氣體激光器的代表，其發(fā)射的激光譜線十分豐富，主要分布在藍(lán)綠區(qū)域內(nèi)，連續(xù)運(yùn)行輸出的功率為幾瓦到幾十瓦，最高可達(dá)數(shù)百瓦，可以算是可見光波段連續(xù)輸出功率最高的激光器，所以用途很廣。氬離子激光器主要的用途是作染料激光器的泵浦源，以及用于全息照相、信息存儲(chǔ)、快速排字、彩色電視、激光醫(yī)學(xué)和光譜分析等方面。 ? 氬離子激光器是一種發(fā)射多譜線的激光器，并且這些譜線都靠的很近，常會(huì)出現(xiàn)幾條譜線同時(shí)振蕩的現(xiàn)象。連續(xù)工作的 Ar+的激光器可產(chǎn)生 9條藍(lán)綠激光譜線，其中以 藍(lán)光和 514. 5 nm綠光譜線最強(qiáng)，占總功率輸出的 30%~40%。若要獲得單譜線激光，可在腔內(nèi)插入棱鏡等光學(xué)色散元件，進(jìn)行調(diào)制。氬離子二次離化的結(jié)果是氬離子激光器也可以輸出 ，這種情況在電流密度很大時(shí)可以觀察到。 ? 由氬離子激光器的激發(fā)機(jī)理，決定了它有以下三個(gè)主要特征： ? （低于 102Pa），可以保證管內(nèi)電子具有高的能量； ? ，能夠增加管內(nèi)電離和激發(fā)過(guò)程，以提高管內(nèi)電子密度，以保證在激光能級(jí)有上足夠的粒子； ? （約 2~4 mm），以保證激光下能級(jí)粒子排空。 圖 氬離子激光器結(jié)構(gòu)示意圖 ? 氬離子激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖 。由于氬原子的電離能量（約 15eV）和激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量（約 20eV）較高，這樣所要求的正常運(yùn)轉(zhuǎn)平均電子動(dòng)能（溫度）很高。為了提高電子動(dòng)能，氬離子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在 150 Pa以下。低壓強(qiáng)意味著氬原子密度較小，為了提高電離和激發(fā)速率，必須增加放電管內(nèi)的電子密度。因此 Ar＋激光器必須采用低氣壓、大電流弧光放電激發(fā)，其放電電流比 HeNe激光器高出約 1000倍（管內(nèi)電流密度可高達(dá) 100~1000 A/cm2）。為提高放電電流密度，放電區(qū)域被約束在毛細(xì)管中心 1~2 mm范圍內(nèi)。為此沿放電毛細(xì)管加一軸向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的洛倫茲力能夠使帶電粒子沿著磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，在加大了發(fā)光區(qū)的電流密度的同時(shí)也減少了高能粒子對(duì)管壁的轟擊，有助于延長(zhǎng)激光器的壽命。但是由于高密度電流通過(guò)氣體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫等離子體，使放電毛細(xì)管承受很大的熱負(fù)荷（放電管需要耗散相當(dāng)于 90％輸入功率的熱量），高能離子轟擊管壁及電極濺射使剝落的顆粒會(huì)污染氣體和窗口。鑒于這種情況，放電毛細(xì)管材料必須能耐高溫、導(dǎo)熱性好、氣密性好和機(jī)械強(qiáng)度高，常用的放電管采用石英玻璃管或陶瓷毛細(xì)管、金屬管、石墨管等制作，并且還需要通水冷卻。 ? ? ? （ 3）二氧化碳激光器 ? CO2激光器輸出功率大（連續(xù)輸出幾瓦～幾萬(wàn)瓦），能量轉(zhuǎn)換效率高（可高達(dá) 20％ ~25％），是使用最廣泛、能量利用率最高的分子氣體激光器之一。 CO2激光器的輸出譜帶相當(dāng)豐富，主要波長(zhǎng)分布在 9~11um，正好處于目前盛行的光通信的“大氣窗口”之中，因而常被用做地面與空間光通信的光源。 CO2激光器的形式多樣，既可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，又可脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其它軍事領(lǐng)域。 ? CO2激光器以 CO N2和 He的混合氣體作為工作物質(zhì)，激光躍遷發(fā)生在CO2