离子激光器 Ion lasers

2022-11-15 13:38:52 浏览:245

定义

离子激光器是一种气体激光器,其中离子用作激光活性剂。 通常,一些带正电荷的惰性气体离子如Ar+, Ar2+ 或者 Kr+起关键作用。 它们由强烈的直流电弧放电中的激发过程形成,而中性原子气体激光器通常使用辉光放电,通常功率密度要低得多。 电离程度通常是百分之几,气体压力在100pa量级 。

过去,离子激光器属于最重要的可见光激光器。

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。 离子激光器较短的发射波长与离子的电离能大大大于中性原子的电离能有关 - 通常远高于15 eV。 对于像Ar2+ 这样的双电荷离子尤其如此。适用于紫外激光器。

大多数离子激光器用于连续波操作。脉冲操作原则上是可能的,但在准连续模式下,脉冲持续时间在微秒区域,而不是以Q开关的形式。

离子激光器的类型

氩离子激光器

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。

有关更多详细信息,请参阅有关氩离子激光器的文章。

氪离子激光器

氪离子激光器类似于氩离子激光器,大多使用Kr+ 离子的5p→5s。 它们可以发射647.1nm(红色)和其他一些波长,如413.1nm(蓝色),530.9nm(绿色)或568.2nm(黄色),但可见光,紫外和红外光谱区域中的各种其他线也可以访问。 与氩离子激光器相比,它们的输出功率通常更小。 这部分是由于较低激光水平的使用寿命更长。

氩/氪离子激光器

也可以同时使用氩和氪操作离子激光器,从而可以在多条可见光谱线上进行激光照射。 这样,可以获得具有出色光束质量的高功率白光源。 然而,光谱组成和色调在操作过程中会发生变化。

氦镉激光器

与氦氖激光器相比,氦镉激光器也是离子激光器,因为它们的激光活性物质是Cd+离子 。 同时,它们可以被认为是金属蒸汽激光器。 在这里,激光管有一个含有金属镉的侧臂,该侧臂被加热以达到适当的蒸气压。

氦镉激光器在各个方面都与中性原子激光器更相似,例如在所需的低输出功率和中等功率密度方面。 例如,激光管的使用寿命也相应比氩铁激光器长得多。 这些激光器以 441.6 nm(蓝色)、325.0 nm 或 353.6 nm(紫外线)连续发射,光功率约为 100 mW。

激光跃迁发生在Cd+离子中,Cd+离子在与亚稳态氦原子(由辉光放电产生)碰撞时被激发。碰撞过程还涉及Cd到Cd+的电离(彭宁电离)。这一点很重要,因为被释放的电子可以带走一定量的能量。结果是,该过程的效率并不依赖于激发能量的密切匹配。

类似的激光器已经用锌或硒代替镉构建,但并不常见。

技术细节

激光管

离子激光器的中心部分是一根管子,通常由高抗性陶瓷材料制成。 在大多数情况下(氦镉激光器除外),高电流通过末端的电极施加,或者有时在具有RF激励的无电极管中。 电流和相对热等离子体的约束通常通过磁场(强度为例如0.1 T)来改善,磁场由激光管周围的线圈产生。 外壁通常是水冷的,否则它们会变得太热;但是,低功率版本可以风冷。

功率密度

离子激光器(氦镉激光器除外)的一个共同特征是它们需要具有相当高的功率密度的激发。 在输出功率至少约为 1 W 且消耗几千瓦电力的状态下实现最佳运行条件。 大量的废热需要通过有效的激光冷却系统来减少。

效率

强烈的激发导致气体中原子和离子的许多激发能级,包括相当高的激发能级。 只有相对较小的使用能量导致上激光能级的聚集,此外量子缺陷相当小。 因此,壁插效率通常相当低 - 例如,氩离子激光器的0.1%量级。

光束质量

尽管气体的温度相当高,但由于密度低,热透镜效应较弱,光束质量通常相当高。

管寿命

不幸的是,高功率离子激光器的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。 (离子溅射在很大程度上有助于老化,例如通过降解电极;此外,管中的强紫外光会降解光学材料和密封件。 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。

激光谐振器

激光谐振器通常是一个简单的双镜谐振器,其中基模半径与等离子体的直径大致匹配,因此可以实现单横向模操作。

光谱控制

使用的离子提供了许多波长明显不同的激光跃迁。 虽然一些离子激光器在单个激光线上工作,该激光线在谐振器(通常是棱镜)中通过色散光学元件进行选择,但其他离子激光器则有意在多线模式下工作,从而实现最大输出功率。

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。

离子激光器的应用

在激光的早期,可见光激光器的选择非常有限,因此离子激光器能够在可见光谱区域的不同波长下产生多瓦的功率,而这些区域通常用于激光表演等应用。

长期以来,氩离子激光器也被用于泵浦染料激光器和钛蓝宝石激光器,因为制造具有足够高输出功率和光束质量的固态激光器很困难或至少相当昂贵。 请注意,钛:蓝宝石激光器需要特别高的泵浦强度。

其他应用包括拉曼光谱、粒子流测速、法医学、全息术、半导体工业中的晶圆检测和光刻、CD 母版的光刻制造和激光打印机。 还有医疗应用,如视网膜光疗。 也可以治疗糖尿病相关的视网膜视网膜脱离。

氦镉激光器用于光谱学和全息学等领域。 虽然蓝色氦镉激光器越来越多地被更便宜、更紧凑的基于氮化镓的蓝色镓激光二极管所取代,但 325 nm紫外版本更难更换。

离子激光器的替代品

通常,离子激光器越来越多地被二极管泵浦固态激光器和光学参量振荡器(OPO)所取代,因为它们的能效要高得多,并且通常具有更长的使用寿命。 例如,使用Nd:YAG激光器或钒酸盐激光器和倍频器可以实现具有高光束质量的高功率绿色激光器。

当需要特殊的发射波长时,OPO大多需要,而这些波长很难直接从激光器获得。

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激光物理

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