气体激光器与激光混合气体
第 27卷第 5期 2OO9年 10月 低 温 与 特 气
Low Temperature and Specialty Gases
"CoL 27，No．5
Oct．，2OO9
· 综 述 评 论 ·
气体激光器与激光混合气体
李志行 ，张 军
(西南 化工研究设 计院 ，四川 成都 610225)
摘要：简要介绍了激光器的分类 ，着重阐述常用气体激光器的种类和气体激光器的基本原理 ，以及激光混合气体的
品种 、规格 和典型组成 。
关键 词 ：激光 器 ；混合气体 ；品种 ；组成
中图分类号 ：TQll7 文献 标识码 ：A 文章编号 ：1007-7804(2009)05．0001．04
doi：10．3969／j．issn．1007-7804．2009．05．001
The Gas Laser And The Laser Gas M ixture
LI Zhi—xing，ZHANG Jun
(The Southwest Research& Design Institute of Chemical Industry，Chengdu 610225，China)
Abstract：In the paper，the classification of laser was introduced． Emphasize oH the sort and principle of gas laser，the
variety，specification and typical composition of laser gas mixture were also done．
Key W ords：laser；gas mixture；sort；composition
1 激光器
1．1 激光器的分类?
激光器品种繁多 ，若按工作物质分类 ，大致可
分为固体激光器、液体激光器 、气体激光器和半导
体激光器等几大类 。
1．1I 1 固体激光器
固体激 光器选用 红宝石 激光器 ，常 用波 长为
694．3 nrll的红色可见光 ，后来多 以钕玻璃及 钇铝
石榴石 (YAG)代替 了红 宝石。固体 激光谱线 较
宽 ，但可以给出很高的脉冲功率 ，因而适用于激光
测距和激光雷达方面的应用 。
1．1．2 液体 激 光器
液体激光器分无机液体和有机液体两大类 ，其
中有机染料激光器可以安装成波长连续可调。染料
激光器的波长可调谐范 围很 宽 ，可从 0．321 m 到
近红外 的 1．168 m，有 利 于 光 谱研 究 及 选 择激
发 。
1．1．3 气体激光器
气体激光器是品种繁多 、应用最广的一类激光
收 稿 日期 ：2009—08—15
器 ，诸如氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激
光器、氮分子激光器、氟激光器、密封束激光器和
准分子激光器等。氦氖激光器具有频率稳定 、谱线
窄 、连续输 出、使用方便、价格便宜等特点。本文
着重介绍常用的几种气体激光器的工作原理 、结构
及性能特点 。
1．1．4 半导体激光器
半导体激光器是用半导体材料作为工作物质 的
一 类激光器 ，其基本结构由工作物质 、谐振腔和激
励源组成 。砷化镓激光器是应用较广 的一种半导体
激光器 ，激 光谱线 中心波长 为 904．0 am，落在近
红外区。这种激光器主要用于激光通讯和激光报警
等领域。
1．2 激光 器 的结 构 组成
激光器一般 由工作物质、激励源 、谐振腔三部
分组 成 。
1．2．1 "I-作 物质
这是发射激光的材料 ，其功能和普通光源 中的
发光材料 (如气体 电光源 中的气体、 白炽 灯 中的
钨丝)相同。从原理上说 ，任何光学透 明的固体 、
2 低 温 与 特 气 第27卷
气体、液体都可以作激光器的工作物质。不过 ，如
果所用的材料其原子能级结构满足一些要求 ，会使
激光器获得更好的性能 ，比如 ，能量转换效率高，
输出的激光功率高 ；可以脉冲激励输出激光 ，也可
连续激励输 出激光 ，输 出的激光波长可以连续变化
等。
1．2．2 激励 源
这是 向工作物质输入 能量 ，把原子从基态激励
至高能级 的能 源。常用 的激 励 源 有 ：普 通 光 源
(如氙灯 、氪灯)；气体放 电 (利用气体 放电中产
生的电子碰撞气体原子 ，把它激励至高能级)；电
子束 ；化学反应 能 (化学激光器 就是 利用化学反
应的能量激励产物的原子)等。
1．2．3 谐振腔
这是 由放置在工作物质两端的反射镜组成的光
学系统 ，其 中一块反射镜 的反射率接近 100％ ，另
一 块有适量 的透过率 ，激光是从这 块反射镜输 出
来 。谐振腔的作用主要有两个方面 ；一是让工作物
质生产的受激辐射来回多次通过工作物质 ，增强受
激辐射强度，最后达到激光振荡 ；另一个是有选择
地只让沿工作物质光轴附近传播的以及波长在原子
谱线中心附近的受激辐射不断地 受到工作物质放
大，达到激光振荡。显然 ，这有助于改善激光器的
方向性和单色性。
2 气体激 光器
气体激光器是 以气体或蒸气作为工作物质的激
光器 ，统称为气体激光器 ，这是 目前种类最多、发
展最快、应用最广的一类激光器。气体激光器的工
作物质是气态的原子 、分子、离子 ，所以又可分为
原子气体激光器 、分子气体激光器、离子气体激光
器和准分子激光器。气体激光器种类繁多 ，激光谱
线分布很广 ，波长分布在从真空紫外到远红外波段
内。气体激光器 比固体激光器和半导体激光器输出
光束质量好，它在精密计量、通讯、雷达、全息等
方面都得到广泛应用。
2。1 气体激光器的基本结构
气体 激光器是 由光学谐振腔 和激光 放电管组
成。根据不同的使用要求 ，放 电管与腔镜之间又有
几种不 同的连接方式 ，即内腔式、半 内腔式和外腔
式 。内腔式结构紧凑 ，使用方便 ，但有时为了某些
特殊 的需要 ，例如 ：需要在腔 内插入 其它光学元
件 ，或者需要产生线偏振激光束 ，稳频激光器需要
调节腔长等 ，则多采用外腔式或半外腔式结构 。此
外 ，放 电管太长的激光器 ，管体的变形难 以避免 ，
一 般也必须采用外腔式结构。
2．1．1 光学谐振腔
气体激光器的谐振腔大多采用稳定球面腔，一
端为全反镜，输 出端为部分反射镜。因不同的激光
器增益大小不同，输出反射镜透过率 的差别较大。
大功率 、大能量 的气体激光器也采用非稳腔 。
2．1．2 激光放 电管和放 电电极
放电毛细管是提供激光增益的区域 ，毛细管的
内孔应直而圆，内径的大小对激光器 的输 出功率有
很大的影响。因为阴极溅射 ，管壁的吸收和吸附以
及气体通过管壁渗透等原因将使管内气压降低 0储
气管是用来稳定工作气压 ，以获得稳定的激光输出
并延长激光器 的寿命。布儒斯特窗是为了减少电矢
量在入射 面内的线偏振光反射损耗 。加人布儒斯特
窗后输出的激光束为线偏振光 。气体激光器一般用
气体放电激励 ，在直流激励 的激光管 中，必须有一
个放电的阴极和阳极。
2．2 气体激光器的激励
气体激光器的激励方式很多 ，通常采用气体放
电激励 ，另外 还可 以采用 电子束激励 、气 动式激
励、化学激励 、光激励 和核动激励等 ]，气体激
光器 的激励 ，一般 采用气体放 电激励。直 流放 电
(如辉光放电 、弧光放 电)、高频放 电、脉冲放 电
都可用作激励源。
2．3 典型气体激光器
气体激光 器品种繁 多，本文介绍 氦一氖激光
器、二氧化碳激光器 、氩离子激光器 、氮分子激光
器 、准分子激光器等几种激光器的一般结构 、激励
机理、性能特点及主要应用领域。
2．3．1 氦一氖激光器
氦一氖激光器是一种原子气体激光器 ，也是世
界上第一个实现激光发射的气体激光器 。氦一氖激
光器谱线宽度窄 ，可获得极高的频率稳定度 ，发散
角小，发 出的光束有极好 的单色性和方向性 ，相干
长度可达几 十公里 ，因而可用在精密计量 、全息照
相、测距、激光陀螺 、通讯、跟踪等各个方面。氦
一 氖激光器是应用最广 的一种激光器。它的缺点是
增益低、输出功率小 ，能量转换效率低 。
2．3．2 二 氧化碳 激光 器
第 5期 李志行 ，等 ：气体激光器与激光混合 气体 3
二氧化碳激光器是一种分子激光器 ，工作物质
是二氧化碳分子 ，氦和氮为辅助气体 。二氧化碳激
光器有 多种类 型，如纵 向激励二 氧化碳 激光 器 、
气体流动二氧化碳激光器、横 向激励二氧化碳激光
器、气动二氧化碳激光器。同氦一氖 激光器一样 ，
二氧化碳激光器 的充气 比例 、充气压力 、放 电电流
也存在最佳值。
二氧化 碳激光器是一种 比较重要 的气体激光
器 ，它已广泛应用于激光加工、通讯 、雷达 、激光
分离同位素 、激光手术、物理化学等领域。
2．3．3 氩离子激光器
氩离子激光器是一种离子气体激光器 ，氩离子
激光器有多种 波长 的激 光输 出，但其 中最强 的是
488 nm 的蓝光和 514．5 nm的绿光 。
氩离子激光器 目前是在可见光 区域输出功率最
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 ，最高输出功率可达到 150 W。因此它在
全息照相 、信息存储 、激光 电视、光谱分析 以及 医
疗等方面都有重要应用 ，也是连续波染料激光器一
个较为理想的泵浦源 。
表 1 典型激光混合气组成
Tab．1 Typital composition of laser gas mixture
表 2 激光混合气的原料气纯度
Tab．2 The purity of feed gases of laser gas mixture
2．3．4 氮分 子激 光 器
氮分子激光器是一种特殊类型 的气体激光器 ，
因激光上能级的寿命短 ，且激光下能级 的寿命比上
能级长 ，其 电激励方式只能是快速 的脉冲放 电；在
比激光上能级寿命短的一瞬间形成粒子数反转 ，但
随着粒子从上能级向下能级 的跃迁 ，粒子数反转 自
行结束 ，激光脉冲 自行终止 。氮分子激光器常作可
调谐染料激光器的泵浦源。它在检测大气污染、物
质的荧光分析、医疗 、原子和分子激发态寿命 的测
量、喇曼光谱 、光化学、农业育种等方面有着广泛
4 低 温 与 特 气 第27卷
的应用 。
2．3．5 准分 子激 光器
基态情况下的稀有气体原子，其电子壳层全被
填满，故化学性能比较稳定 ，它不可能和其它原子
结合成稳定的分子 。处于激发态的分子称为受激准
分子。准分子激光器就是 以这种准分子作为激活介
质的激光器。
准分子激光器可分为稀有气体准分子激光器 ，
如：Xe 、Kr2 、 ’准分子激光器 ；稀有气体
氧化物准分子激光器 ，如 XeO、KrO、ArO准分子
激光 器 ；稀 有 气 体 卤化 物 准 分 子 激 光 器 ，如 ：
XeF’、KrF 、ArF’、KrCI’、ArC1’准分子激光器
和金属蒸气准分子激光器 。
3 典型激光 混合气 的组成与相关质量
标准
气体激光器 的重要特点 之一 ，激光器工作 物
(即振荡介质)是混合气体或单一纯气体。由于激
光混合气中组分气的纯度及组分浓度将直接影响激
光器 的性能 ，因此对激光混合气的质量有着特殊的
要求 。
3．1 典型激光混合气 的组成
表 1列出氦一氖激光气 、二氧化碳激光气 、氦
氟激光气 、准分子激光气和密封束激光气等几种典
型激光气 的组成、混合 比例 (规格 )及其主要用
途 引。
3．2 激光气体质量要求
激光混合气配制所用的原料气体，要选择纯度
高 、有害杂质含量低的气体。激光混合气所用原料
气的纯度要求列于表 2中。由于激光混合气 中组分
的纯度将直 接影 响激光 的性 能，特别是气体 中的
氧、水分、碳氢化合物等杂质的存在 ，将导致激光
输 出功率在镜 (面) 和电极上的耗损，同时还会
引起激光发射 的不稳定 ，影响激光器的使用寿命 。
因此对激光混合气所用原料气 的纯度有着 特殊 要
求。
3．3 激光混合气的组成与精度的影响
气体激光器的种类繁多 ，激光混合气 的品种、
规格也较多。对于激光混合气的组成与精度都有严
格的要求。众所周知 ，混合气 中组分浓度的变化对
于振荡效率和激光器使用寿命影响极大。例如，对
于二氧化碳激光器 ，若混合气氮组分气浓度发生变
化 ，受电子冲撞则引起氮分子激励状态发生变化 ，
结果会造成二氧化碳气体分子的激励效率等发生变
化 。正 因为如此 ，激光混合气 的制备精度亦必须严
格控制 ，特别是对于高精度的二氧化碳激光器，要
求制备精度为 士2％ 。对于一般激光混合气而言 ，
制备精度要求控制在 ±5％左右。
3．4 包 装容器 要求
激光混合气一般采用钢瓶包装 。为了防止包装
钢瓶对混合气的二次污染 ，充装混合气之前 ，必须
对钢瓶进行加温、抽真空、置换 等程 序 的严格处
理 ，以消除钢瓶内残存的水分和空气对混合气的污
染 ，从而确保混合气的制备精度。
参考文献 ：
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作者 简介 ：
李 志行 (1943一)，男 ，1966年毕 业 于 四 川 大 学 化 学
系 ，教授 级高 工。 自大学毕 业 以来 ，一 直从 事 稀有 气 体 、
特种气体 以及标准气 体 的研制 ，近 三十年来 ，开 发研制 了
国家标 准样品和标 准物质共 6o多项 ，其 中 “氩 中甲烷 等六
项标 准气 体的研制” 获化工部科 技进 步三等 奖 ；在 国 内杂
志刊物上 发表论 文 5O多 篇。2000～2004年 合著 《工业 气
体手册》 和 《中国工业气 体标 准应用手 册》，并参 加 了 中
国气协主编的 《中 国工业气 体大全》 一书 的撰写工 作等。
气体激光器与激光混合气体.pdf
