定义
以气体（或等离子体）为增益介质的激光器。
各种激光器都基于气体作为增益介质。 激光活性实体是单个原子，离子或分子，并且通常与具有辅助功能的其他物质混合使用。 在操作过程中，气体通常处于等离子体状态，含有大量带电粒子。
气体激光器的操作通常需要高压电源，但不一定需要高功率。
虽然气体激光器在早期是非常重要的激光源，但其中许多后来被更紧凑的低成本激光二极管取代，部分被固态激光器取代。 然而，对于某些激光应用，某些类型的气体激光器很难替代，因此仍然被广泛使用。 例如，二氧化碳激光器在激光材料加工中仍然很重要。
气体激光器的类型
气体激光器可以根据其激光活性物种的性质进行分组：中性原子、离子或分子。 有一篇关于金属蒸汽激光器的单独百科全书文章；例如铜蒸气激光器、碱蒸气激光器和氦镉激光器。这里还简要提到了准分子激光器。
中性原子气体激光器
一些气体激光器使用中性原子作为激光活性物质：
- 氦氖激光器（He-Ne激光器）于1961年首次展示，通常发出632.8nm的红光，但也可以通过引入具有适当光谱特性的腔内损耗来制造其他波长，例如543.5 nm（绿色），594.1nm（黄色），611.9nm（橙色），3.39μm或1.15μm。 典型的氦氖激光器具有长度约为20厘米的气体单元，在632.8nm的连续波操作中使用几瓦的电力产生几毫瓦的输出功率。 氦氖激光器通常用于对准和干涉仪，并与更紧凑、更高效的激光二极管竞争。 一些氦氖激光器用于光学频率标准。
- 不太常见的是基于其他惰性气体（如氩气、氪气和氙气）的气体激光器。 氦氙激光器可以发射例如 2.026 μm 或 3.5 μm。
中性原子气体激光器的共同特征是它们使用功率密度相对较低的辉光放电，并且仅发射相对较低的光功率（通常远低于1 W），通常在连续波操作中。 在运行过程中，气体温度保持相对较低。 发射波长大多在1μm和10μm之间，氦氖激光器是一个明显的例外。
单频操作通常不难实现，至少使用相对较短的激光管。
一些金属蒸汽激光器（例如铜蒸汽）也与中性原子一起工作，但具有截然不同的特性：更高的功率密度和典型的脉冲操作。
离子激光器
离子激光器通常利用带正电荷的离子是活性介质。 最常见的离子激光器类型如下：
- 氩离子激光器使用通常约1米长的带有氩等离子体的水冷管，该管具有高电流密度的放电，以实现高度电离。 它们可以在 514.5 nm 的绿光下产生超过 20 W 的输出功率，而在 457.9、488.0 或 351 nm 等其他波长下可以产生更少的输出功率。 它们的功率效率相当低，因此多瓦绿色输出需要数十千瓦的电力，并且冷却系统具有相应的尺寸。 风冷氩激光器有较小的管，需要数百瓦才能产生数十毫瓦的功率。 氩离子激光器可用于泵浦钛蓝宝石激光器和染料激光器，可与倍频二极管泵浦固态激光器相媲美。
- 氪离子激光器类似于氩离子激光器，可以发射647.1nm和其他一些波长的高功率。
离子激光器属于最重要的可见气体激光器，有些甚至适合作为紫外激光器。 与此相反，大多数其他气体激光器以红外线发射。
离子激光器的共同特征是它们需要具有相当高的功率密度的激发。 通常只有在输出功率至少约为1 W且消耗几千瓦电力的状态下才能实现足够高的增益。 大量的废热需要通过有效的激光冷却系统来减少。
不幸的是，高功率密度和高等离子体温度与昂贵的激光管的使用寿命相对有限有关 - 通常远低于1000小时。 再加上高耗电量导致相当高的运营费用。 因此，这种激光器又被二极管泵浦和倍频固态激光器所取代。
由于管子的大量加热，通常需要相对较长的预热时间才能实现稳定运行。
离子激光器通常难以实现单频操作，因为所需的长管长度导致激光谐振器的自由光谱范围较小，而激光跃迁的大量多普勒展宽阻碍了窄线宽操作。
分子激光器
气体激光器还可以利用分子作为激光活性剂。 在这里，激发态涉及这些分子的振动和旋转。 这些激发的相对较低的频率导致相应的低光学频率（长波长）的激光发射。
分子气体激光器最重要的例子如下所述：
- 二氧化碳激光器 (一氧化碳2激光器） 使用一氧化碳的气体混合物2， 氦气 （He）， 氮气 （N2），可能还有一些氢气（H2）、水蒸气和/或氙气（Xe），用于产生激光辐射，主要为10.6μm。 它们的墙插效率高于 10%，适用于具有相当高光束质量的几千瓦输出功率。 一些大功率一氧化碳2激光器使用快速循环气体的系统（强制对流，快速流动）。 它们广泛用于激光材料加工，例如切割、焊接和打标，也用于激光手术。
- 一氧化碳激光器（CO 激光器）的墙插效率约为 40%，因此比 CO 的能效高得多2激光器。 它们可以在4.8μm和8.3μm之间的各种线上发射，主要用作激光吸收光谱的光源。 随着有关器件寿命的技术进步，发射约5.5μm的一氧化碳激光器也可能成为激光材料加工（例如玻璃切割）的兴趣所在；与广泛的一氧化碳相比2激光，它们在许多材料中提供更好的吸收和更好的聚焦能力。
- 氮气激光器是另一种类型的脉冲紫外激光器，基于纯氮气，氮气 - 氦气混合物，有时甚至只是空气（性能较低）。 发射通常以短脉冲的形式发生在 337.1 nm 处；使用自终止激光跃迁。 即使没有激光谐振器，高增益也能实现相对高效的超发光发射。 氮气激光器相对容易制造和操作，并且是由许多没有精制实验室设备的业余爱好者制造的。
有关更多详细信息，请参阅有关分子激光器的文章。
与中性气体激光器相比，分子气体激光器的共同特点是发射波长长、输出功率高和功率转换效率相对较高。 由于所用层跃迁的多普勒宽度较低，因此至少在低功耗版本中通常很容易实现单频操作。
准分子激光器
准分子激光器（稀有气体卤化物激光器，exciplex激光器）也泵浦放电，但在这种情况下，泵浦能量用于形成不稳定的分子，这些分子在解离时可以发射光子。 大多数准分子激光器是紫外激光器，并且使用电流脉冲操作，导致发射强烈的纳秒脉冲。 它们用于各种类型的材料加工，包括脉冲激光沉积、激光打标和光纤布拉格光栅的制造。 还有医疗应用，例如眼科。
奇特类型的气体激光器
化学激光器将气体的化学能转换为激光（通常在中红外或近红外区域），功率高达兆瓦级。 例如，有氟化氢（HF）激光器，以H2和 F2，将其转换为HF和氧碘激光器（COIL）。 化学激光器主要用于军事目的，例如作为反导弹武器，甚至可以在大型飞机上操作。
拉曼气体激光器是拉曼激光器，基于受激拉曼散射的光学放大，而不是激发离子的受激发射。 例如，它们可以使用氢电池，并且需要光学泵送。
一种特别奇特的气体激光器是基于中空芯光纤的。 在这里，人们利用这种光纤的波导功能，并从填充中空光纤芯的气体（例如乙炔）中获得激光增益。使用激光二极管可以实现光泵浦。 这种气体光纤激光器的一个例子是在3.1μm至3.2μm的光谱区域内发射的乙炔激光器[14]。 即使是太赫兹激光器也可以以类似的方式制造[15]。
气体激光器的各种技术方面
激发
创建种群反转作为通过受激发射获得增益的先决条件的通常方法是用放电泵送气体。 在这里，电子在气体内的电场中被加速，并且在与原子或分子的碰撞中，它们将能量传递给它们。 通过或多或少复杂的激发过程，可以填充上部激光水平仪。 然后，受激发射将原子带到较低的状态，但通常不是基态。 最终水平可能以不同的方式减少，例如通过自发发射（例如在氦氖激光器中）或通过与其他原子或分子的碰撞。 在某些情况下（例如铜蒸汽激光器），具有自终止激光跃迁，仅允许脉冲操作。
一种常用的方法是主要激发气体中的一种物质（例如氦气），放电到某种亚稳态，并利用能量转移过程。 例如，在氦氖激光器中，亚稳氦原子将能量传递给氖原子。 巧合的是，氖原子具有激发态，其激发态的激发能仅略低于氦的两个主要亚稳态。 因此，激励能量可以在碰撞中轻松传递。 从那里，氖原子被转移到其他能级，这些能级可以用作上激光能级。 类似的机制用于二氧化碳激光器，其中氮气(N2)起着有益的作用。 在使用潘宁电离的氦镉激光器中，情况有些不同：向镉的能量转移与镉的电离有关。 在这里，释放的电子可以带走一些可变量的能量，因此该过程的效率不依赖于激发能量的紧密匹配。
电场通常是通过电极施加的直流电场（例如，两端的环形电极，中间的透射光），但也经常使用射频（RF）激励。
使用放电的不同激光器可以具有相当不同的特性；气体密度、电流密度和施加电压等参数可能会有很大差异。 许多气体激光器使用辉光放电工作，表现出相对较低的电流密度和功率密度，而其他类型的气体激光器具有强烈的电弧放电，其功率密度可能高出几个数量级。
另一种重要的方法已在气体动态CO2激光器中实现 。 在这里，燃烧将气体带到非常高的温度，但随后在超音速膨胀喷嘴中实现温度的快速降低。 人们利用了这样一个事实，即在能量上降低CO2的振动状态比地势较高的州放松得更快，因此可以获得人口反转。
不太常见的是，人们使用其他激发机制，例如涉及电子束，化学反应（→化学激光器）或光泵浦（特别是对于某些金属蒸汽激光器）。
此外，还有基于拉曼活性气体的拉曼激光器。 在这里，人们利用光学非线性而不是经典的激光操作。
冷却
至少在高功率激光器的情况下，需要去除沉积在气体中的大量热量，以避免过热的各种可能影响 - 例如，将原子或分子激发到不需要的状态，化学过程或管壁损坏。 使用不同的气体冷却方法：
- 在某些情况下，热量通过扩散到管壁或电极（可能是水冷的）来去除。 可以通过向气体中添加氦气（有时也执行其他功能）并使冷却的管壁尽可能接近激光活性体积来优化热扩散。
- 在其他情况下，人们会快速将气体泵送通过系统 - 通常在一个封闭的系统中，在激光活性区域之外有一个热交换器。
再生气体
在一些气体激光器中，激光气体会由于各种影响而随着时间的推移而变质，例如由于电极溅射或化学过程（例如分子解离）引起的污染。 （后者的一个例子是在CO2激光器中将CO2转化为CO和O2 。) 气体压力也可能随着时间的推移而降低，例如通过将气体成分掺入管壁中。
由于这些原因，有时只有通过额外的措施才能实现一致的性能和较长的使用寿命。 在某些情况下，在运行几个小时后完全交换激光气体。 在其他情况下，人们使用密封系统，不允许气体交换，而是添加额外的气体或一些固体作为催化剂来撤消不需要的化学过程。 例如，CO可以在密封的CO2激光器中被氧化回CO2，将H2和O2添加到气体中。
输出功率、光束质量等特性
有气体激光器的类型非常不同，它们在各种特性上有很大差异：
- 不同的气体可以处理各种激光跃迁，从紫外线到可见光谱区域，再到红外线。
- 虽然某些类型的气体激光器（例如CO2激光器）可以达到许多千瓦的输出功率，其他的很难超过几十毫瓦。
- 大多数气体激光器发射的光束质量很高，通常接近衍射极限，因为尽管温度梯度很大，气体只会引入微弱的光学畸变。
- 一些激光器特别适用于连续波操作，而其他激光器或多或少仅限于脉冲操作 - 通常具有纳秒脉冲持续时间（→纳秒激光器）。
- 气体激光系统的使用寿命可能相当长（运行数千小时）；气体相当坚固，通常也很容易交换。 但是，寿命可能会受到其他因素的限制，例如电极的侵蚀或气体管的变黑。
低密度、低能耗存储
气体是密度特别低的激光增益介质。 即使固态增益介质仅含有激光活性离子作为掺杂剂，浓度很小，例如1%，与气体原子、离子或分子相比，这些离子的密度通常相当高。
然而，气体可以产生大量的激光增益，主要是通过利用允许的激光跃迁而不是（弱）禁止的跃迁（如固态激光器）。
然而，低密度意味着只能存储相当有限的能量。 因此，因为激光通常不适合产生非常强烈的激光脉冲。 一个例外是CO2激光器，其中上态寿命足够长，可以进行有效的Q切换。
低密度的另一个结果是增益介质的折射率接近1，并且不受温度和气体压力变化等影响太大。 因此，热透镜非常弱，即使在高功率水平下也更容易实现高光束质量。
自端接激光转换
一些气体激光器具有自终止激光跃迁，其中较低状态具有较长的使用寿命。 一旦低州人口变得过高，激光就会停止。 这种气体激光器的例子是氮气激光器和铜蒸汽激光器。准分子激光器也只能在脉冲模式下工作，尽管原因不同[9]。
