氣體激光器

這是一類以氣體為工作物質的激光器。此處所説的氣體可以是純氣體，也可以是混合氣體；可以是原子氣體，也可以是分子氣體；還可以是離子氣體、金屬蒸氣等。多數採用高壓放電方式泵浦。最常見的有氦-氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和銅蒸氣激光器等。

氦-氖激光器是最早出現也是最為常見的氣體激光器之一。它於1961年由在美國貝爾實驗室從事研究工作的伊朗籍學者佳萬(Javan)博士及其同事們發明，工作物質為氦、氖兩種氣體按一定比例的混合物。根據工作條件的不同，可以輸出5種不同波長的激光，而最常用的則是波長為632.8納米的紅光。輸出功率在0.5～100毫瓦之間，具有非常好的光束質量。氦-氖激光器是當前應用最為廣泛的激光器之一，可用於外科醫療、激光美容、建築測量、準直指示、照排印刷、激光陀螺等。不少中學的實驗室也在用它做演示實驗。

比氦-氖激光器晚3年由帕特爾(Patel)發明的二氧化碳激光器是一種能量轉換效率較高和輸出最強的氣體激光器。準連續輸出已有400千瓦的報導，微秒級脈衝的能量則達到10千焦，經適當聚焦，可以產生1013瓦/米2的功率密度。這些特性使二氧化碳激光器在眾多領域得到廣泛應用。工業上用於多種材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、改性、塗覆等；醫學上用於各種外科手術；軍事上用於激光測距、激光雷達，乃至定向能武器。

與發明二氧化碳激光器同年，發明了幾種惰性氣體離子激光器，其中最常見的是氬離子激光器。它以離子態的氬為工作物質，大多數器件以連續方式工作，但也有少量脈衝運轉。氬離子激光器可以有35條以上譜線，其中25條是波長在408.9～686.1納米範圍的可見光，10條以上是 275～363.8納米範圍的紫外輻射，並以488.0納米和514.5納米的兩條譜線為最強，連續輸出功率可達100瓦。氬離子激光器的主要應用領域包括眼疾治療、血細胞計數、平版印刷及作為染料激光器的泵浦源。

1968年發明的氦-鎘激光器以鎘金屬蒸氣為發光物質，主要有兩條連續譜線，即波長為325.0納米的紫外輻射和441.6納米的藍光，典型輸出功率分別為1～25毫瓦和1～100毫瓦。主要應用領域包括活字印刷、血細胞計數、集成電路芯片檢驗及激光誘導熒光實驗等。

另一種常見的金屬蒸氣激光器是1966年發明的銅蒸氣激光器。一般通過電子碰撞激勵，兩條主要的工作譜線是波長510.5納米的綠光和 578.2納米的黃光，典型脈衝寬度10～50納秒，重複頻率可達100千赫。當前水平一個脈衝的能量為1毫焦左右。這就是説，平均功率可達100瓦，而峯值功率則高達100千瓦。

銅蒸氣激光器發明後過了15年才進入商品化階段，其主要應用領域為染料激光器的泵浦源。此外，還可用於高速閃光照相、大屏幕投影電視及材料加工等。

氣體激光器利用氣體作為工作物質產生激光的器件。它由放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下，利用電子碰撞激發和能量轉移激發等，氣體粒子有選擇性地被激發到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數反轉，產生受激發射躍遷。

與固體、液體比較，氣體的光學均勻性好,因此,氣體激光器的輸出光束具有較好的方向性、單色性和較高的頻率穩定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發粒子濃度，因此，氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。

氣體激光器結構簡單、造價低，操作方便，工作介質均勻，光束質量好以及能長時間較穩定地連續工作。是品種最多、應用最廣泛的一類激光器，市場佔有率達60%。

氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準分子激光器。它們工作在很寬的波長範圍，從真空紫外到遠紅外,既可以連續方式工作,也可以脈衝方式工作。

包括各種惰性氣體激光器和各種金屬蒸氣激光器，如氦氖激光器和銅蒸氣激光器。其中氦氖激光器是最早研究成功的，並且仍在普遍使用。它的工作物質是混有氦的氖(圖2)。在這種混合氣體中放電，部分氦原子被激發到亞穩激發態21S或23S。這部分氦原子與基態氖原子碰撞時,能導致能量轉移激發，使氖原子處於激發能級上，從而實現氖原子的粒子數反轉分佈。氖原子在諧振腔中通過受激發射過程主要發出三個波長（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器輸出的激光功率只有幾毫瓦到100毫瓦，效率約為0.1%。但是，氦氖激光器具有單色性好、方向性強、使用簡便、結構緊湊堅固等優點，因而在精密測量、準直和測距中得到廣泛的應用。

氣體激光器

銅蒸氣激光器具有平均功率高、重複率高等優點,發展很快。

在惰性氣體和金屬蒸氣的離子的電子態能級之間建立粒子數反轉，其激光波長大多在紫外和可見光區域，輸出激光功率較大。典型的離子激光器有氬離子激光器、氪離子激光器和氦鎘激光器等。應用最多的是氬離子激光器。它可以產生多條波長的激光，其中最強的是4480埃和5145埃。連續輸出激光功率為幾百毫瓦至幾百瓦,效率很低，約為0.1%。它被應用於光譜學、光泵染料激光器、激光化學和醫學等。

工作物質是中性分子氣體，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波長範圍很廣，從真空紫外、可見光到遠紅外。其中以二氧化碳激光器最為重要，其特點是效率高，大約在10%～25%範圍內，可以獲得很高激光功率,連續輸出功率高達萬瓦,脈衝器件輸出可達萬焦耳每脈衝級。這種激光器工作在以 9.4微米和10.4微米為中心的多條分子振轉光譜線上。二氧化碳激光器分為普通低氣壓封離型激光器、橫向和縱向氣體循環流動型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續調諧激光器、氣動激光器和波導激光器等。這些激光器可用於加工和處理（如焊接、切割和熱處理）、光通信、測距、同位素分離和高温等離子體研究等方面。其中波導二氧化碳激光器是一種結構緊湊、增益高和可調諧的激光器，特別適用於激光通信和高分辨光譜學。

利用準分子的束縛高能態和排斥性或弱束縛的基態之間的受激發射的激光器。由於基態壽命極短，可實現高效率和高平均功率。準分子激光器的主要受激準分子是惰性氣體準分子和惰性氣體鹵化物準分子。激光發射波長主要在紫外和真空紫外區域，輸出能量已達百焦耳量級，用於光泵染料激光器、同位素分離和激光化學。