【正文】 強制放電電離，造成高能態(tài)離子，然后向低能態(tài)區(qū)實現受激發(fā)射。 ? 在紫外到可見區(qū)有較高實用價值的氣體激光器為氮激光器和金屬蒸氣離子激光器。 ? 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)并進行放電的一類離子激光器。在Cd, Se, Zn。波長 325nm的 HeCd激光器，脈沖輸出時達幾百毫瓦、連續(xù)輸出時達幾十毫瓦。其中藍和綠的振蕩譜線很強，可得到約 100mW的連續(xù)輸出。 XeCl和 KrF等準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、化學應用的激光器。 ? 在分子振動、轉動能級間振蕩的分子激光器的代表是 CO2激光器。由于分子振動的振動能級間能量差很小，所以振蕩的形成激光都處于紅外區(qū)。 ? 除了半導體激光二極管外， CO2激光器的激光效率最高，可達 15％～20％以上。在激光器共振腔的一端用反射式衍射光柵能夠選擇波長。 ? 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現激光振蕩。 ? 分子氣體激光器的工作物質也可分為雙原子分子和三原子分子，如一氧化碳 ((CO)、氮氣（ N2）、水蒸氣 (H2O)和二氧化碳 (CO2)等。 ? 分子氣體激光器的電子基態(tài)的振動和轉動能級十分接近基態(tài)，因而具有很高的能量轉換效率，而且分子振動能級的激發(fā)截面一般都比較大，可以獲得絕對值較高的粒子數反轉值。 圖 HeNe激光器結構示意圖 ? 為了解氣體激光器的有關結構特點、工作特性下面將分別介紹一些主要的氣體離子激光器。其在可見光和紅外波段可產生多條譜線，最強的是 nm、 ，以。放電管由毛細管和儲氣管構成，毛細管是放電工作增益區(qū)，儲氣管的作用是增加工作氣體總量。 ? HeNe激光器采用直流放電激勵形式 ,工作電流幾到幾百毫安 .放電長度為 1mm的激光器，起輝電壓在 8000 V左右。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，而陽極一般多采用鎢針。 ? 根據諧振腔與放電管的連接方式， HeNe激光器可分為內腔式、半內腔式和外腔式三種。內腔式的優(yōu)點是整體性強，輸出功率較高，不用調制，使用方便，但不能直接輸出線偏振光。 ? HeNe激光器的工作物質是 He和 Ne的原子氣體，在放電管內充以一定比例和壓力的氦、氖混合氣體?；旌蠚怏w中，雖然 He的含量數倍于 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 Ne原子的共振激發(fā)，使能量轉移，以提高泵浦效率。 ? HeNe激光器輸出功率較?。◣?mW到 100mW），能量轉換功率也較低 (%)，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，相干長度可達幾十公里。 ? （ 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，主要分布在藍綠區(qū)域內，連續(xù)運行輸出的功率為幾瓦到幾十瓦，最高可達數百瓦，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，常會出現幾條譜線同時振蕩的現象。若要獲得單譜線激光，可在腔內插入棱鏡等光學色散元件，進行調制。 ? 由氬離子激光器的激發(fā)機理，決定了它有以下三個主要特征： ? （低于 102Pa），可以保證管內電子具有高的能量； ? ，能夠增加管內電離和激發(fā)過程，以提高管內電子密度，以保證在激光能級有上足夠的粒子； ? （約 2~4 mm），以保證激光下能級粒子排空。由于氬原子的電離能量（約 15eV）和激光躍遷上能級的激發(fā)能量（約 20eV）較高，這樣所要求的正常運轉平均電子動能（溫度）很高。低壓強意味著氬原子密度較小，為了提高電離和激發(fā)速率，必須增加放電管內的電子密度。為提高放電電流密度，放電區(qū)域被約束在毛細管中心 1~2 mm范圍內。但是由于高密度電流通過氣體時，會產生高溫等離子體，使放電毛細管承受很大的熱負荷（放電管需要耗散相當于 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污染氣體和窗口。 ? ? ? （ 3）二氧化碳激光器 ? CO2激光器輸出功率大（連續(xù)輸出幾瓦～幾萬瓦），能量轉換效率高（可高達 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激光器的形式多樣，既可連續(xù)運轉，又可脈沖運轉，因此被廣泛應用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其它軍事領域。 N2的作用是提高激光器上能級的激勵效率， He則有助于激光下能級的抽空。其輸出端可采用小面積耦合方式或由可透紅外光的 Ge,GaAs等材料制成輸出窗。 ? CO2激光器，其結構如圖 ，由放電管、電極、儲氣管、回氣管、冷卻水套以及諧振腔鏡等幾部分組成，采用縱向放電激勵。在充入的放電氣體中加入催化劑 O2，可促使 CO2分子分解的 CO與 O重新結合為 CO2，并選用不與 O2起作用的陰極材料以保證激光器中有足夠的 O2與 CO重新結合 CO2。封離型激光器的輸出功率約為 50~60 W/m。 CO2氣體從放電管的一端輸入，被從另一端抽出，這里的氣流、放電電流均與光軸方向一致。當氣體慢速流動時，每單位放電長度上的輸出功率與封離型相似。在此類激光器中，放電電流密度與氣體壓強存在一個使輸出功率最大的最佳值。 ? CO2激光器。整個激光器是一個真空密封體，結構緊湊，既能全封閉運行，又能補充少量氣體。在橫向流動 CO2激光器中一般采用縱向放電，此類激光器單位長度的輸出功率可達每米數千瓦，總輸出功率可達 1~20 kW。這是一種小型激光器，一般由氧化鈹（ BeO）陶瓷或玻璃做放電管材料，放電管很細，直徑僅 1~4mm。由于放電管很細，氣壓可高達 ( ~) 104Pa，其輸出功率為 50 W/m，適于制做輸出功率小于 30 W的小型封離型激光器。圖 波導 CO2激光器示意圖。染料激光器是液體激光器中最重要、最普遍的激光器。有代表性的染料若丹明 6G，能夠從 570 ~ 620nm內進行波長調諧。 ? 激光器所用的染料是一種有機化合物，它是一種復雜的大分子系統(tǒng)，通常由數十個原子所組成。由于這些染料分子的運動包括電子運動、組成染料分子的原子間的相對振動和整個染料分子的轉動，所以在染料分子的能級中，對應每個電子能級都有一組振動一轉動能級，并且由于染料分子與溶劑分子的頻繁碰撞，使得振動一轉動能級被展寬。 ? 在電子能級中，有單態(tài) (S0、 S S2…) 和三重態(tài) (T T2…) 兩類，三重態(tài)較相應的單態(tài)能級略低。 ? 染料激光器在紫外和可見光波段范圍內有較強的吸收帶。因此，其它激發(fā)態(tài)的分子迅速無輻射躍遷到 S1態(tài)的最低振動能級上。同時，由于分子間的碰撞，一部分 S1態(tài)分子很容易無輻射躍遷到比其能量稍低的三重態(tài) T1上，這種躍遷稱為“系際交叉”，而從 T T2到 S0的躍遷屬自旋禁戒躍遷。也可以采用快速噴流技術，使在 T1態(tài)積聚之前，染料高速流過激活區(qū)，這是連續(xù)波輸出染料激光器的主要工作方式。在諧振腔中放入棱鏡、衍射光柵等波長選擇裝置，可以在較大范圍內實現精確的調諧和獲得較窄的線寬。用閃光燈泵浦結構簡單，價格便宜，但因泵浦光脈沖較寬，三重態(tài)的影響不能消除，需在染料中添加卒滅劑。若用脈沖激光泵浦，常用準分子激光器（主要在紫外區(qū)）、氮分子激光器 (337nm)、紅寶石激光器 ( nm),YAG激光器（ ）及它的倍頻光等做泵浦源。若用連續(xù)激光泵浦，應是高功率激光，且在染料中添加淬滅劑，以及染料應當高速流過激活區(qū)。目前，染料激光器產生的超短光脈沖的時間寬度已壓縮到幾納秒，若利用鎖模技術還可以獲得從皮秒 (1012s)到飛秒(1015s)量級的激光脈沖。染料激光器已在光測量、光化學、光生物學、光譜學、全息學、同位素分離和激光醫(yī)學等方面獲得了廣泛應用。從激光器的角度根據各種激光器發(fā)射光的功率密度，相干性、準直性、單色性的不同，可以對激光和激光器的應用范圍進行分類，例如：激光通迅、激光測距、激光定向、激光準直、激光雷達、激光切削、激光手術、激光武器、激光顯微分析、激步受控熱核反應等這些方面，主要是利用激光的方向性與高功率密度；而激光全息、激光測長、激光干涉、激光多譜勒效應則主要是利用了激光的單色性和相干性。下面就一些方面的主要應用做些簡單的舉例介紹。巨脈沖紅寶石激光器可在 20ns的時間內發(fā)射 4 J的能量，脈沖功率達 2 108W，而發(fā)散角經透鏡進一步會聚可小至 5″。 ? （ 2）激光加工 ? 激光束的平行度高，通過透鏡可使之聚焦于很小一點，在此焦點可產生非常高的溫度，能夠使各種難熔的材料熔化或氣化，由此產生的急速膨脹的沖擊波還可穿透工件。 ? 激光加工還有如下特點：①激光加工實施的是無接觸加工，加工端可適當地與加工材料分離，因此，有可能對零件中復雜曲折的細微部分進行精密的加工，也可以在磁場中進行加工。③激光加工適用于多種材料的微細加工，與機械加工相比，更容易實現自動操控。例如，用激光治療視網膜脫落，可從外部用很強的光線照射眼睛，利用眼球內水晶體的聚焦作用，將光能集中在視網膜的微小點上，靠它的熱效應使組織凝結，能將脫落的視網膜熔接到眼底上，利用激光對視網膜的作用還可以用來矯治近視眼。激光還可以被用來破壞腫瘤細胞、測定血液成分、探測體內器官的病變等。又由于機體中的水分對紅外光有強烈的吸收，所以用二氧化碳激光器作手術刀，也可導致小范圍內的凝結作用。 ? (4)激光受控熱核聚變 ? 氫、氘、氚等輕原子核可以聚合為較重的原子核，在聚合的過程中會釋放出巨大的核能，這個過程稱為核聚變反應，在軍事上和能源工業(yè)上具有非常重要的意義。由于氘、氚混合物的質量及激光的能量都可被控制，這種過程被稱為受控核聚變。人們在已經掌握的激光技術的基礎上開始了嘗試利用這種受控聚變中產生的能量，作為電力的能源。 ? （ 5）非線性光學效應 ? 現在我們可以認為，激光出現之前的光學的研究基本上是弱光束在介質中的