分子激光器 Molecular lasers

2022-11-07 15:03:19 浏览:232

定义

气体激光器,其中激光活性气体由分子而不是单独的原子或离子组成。

分子激光器是气体激光器,其中激光活性成分是分子而不是单独的原子或离子。 这种分子的例子是CO2(二氧化碳), CO(一氧化碳), N2(氮气)、HF(氟化氢)、DF(氟化氘)、NH3(氨)和CH3OH(甲醇)。 人们利用这种分子的激发态,其不仅涉及纯电子激发(如原子或离子),还涉及分子的振动和旋转。 在大多数情况下,激发能量相对较小,导致激光发射在中红外或远红外光谱区域的长波长。

可以操作大量旋转振动线(→振动激光器),但是使用腔内带通滤光片不难实现单线发射甚至单频操作,因为激光跃迁的多普勒展宽非常弱。 但是,如果压力相对较高,则由于压力展宽,不同的线路可能会重叠,从而导致更大的增益带宽。

分子气体激光器的常见类型

最常见的类型如下:

  • 二氧化碳激光器 (CO2激光器) 使用CO2的气体混合物, 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CO2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。 它们可以在连续波或脉冲模式下工作,例如使用Q开关。
  • 一氧化碳激光器(CO 激光器)的墙插效率约为 40%,因此比 CO2 激光器 的能效高得多。 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CO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。

一些不太常见的分子气体激光器:

  • 乙炔(C2H2)和氰化氢(HCN)激光器用于激光光谱。
  • 例如,有化学氟化氢(HF)激光器,以H2和 F2,将其转换为HF和氧碘激光器(COIL)。 这种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。

泵浦分子气体激光器

泵浦分子激光器有不同的方法:

  • 许多分子激光器通过气体放电(部分使用射频激发)进行电泵浦,有时还带有高能电子束。 气体排放泵送最突出的例子是一氧化碳2激光,它可以产生具有高光束质量和功率转换效率的数千瓦输出功率,其功率转换效率(由于有利的激发途径)至少比许多其他气体激光器要好得多。 此外,准分子激光器是电泵浦的。
  • 对于某些分子,化学泵浦是一种选择(→化学激光器)。 在这里,激发的分子在放热化学反应中产生,为激光操作提供所需的能量。 例如,氟化氢激光器(HF激光器)和氟化氘激光器(DF激光器)利用乙烯在三氟化氮中的燃烧,然后在与火箭发动机有一些相似之处的设施中注入氦气和氢气(或氘)。 该技术有可能为摧毁火箭等军事应用提供极高的输出功率(有时是几兆瓦);化学品可以储存大量的能量并迅速释放它们。
  • 在极少数情况下,使用光泵浦。 例如,CO2 输出的激光可用于泵送氨(NH3)激光器,高功率氨激光器也可以用HF激光器泵浦。 一些分子激光器已经用激光二极管泵浦。

参考文献

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[2] I. Mukhopadhyay and S. Singh, “Optically pumped far infrared molecular lasers: molecular and application aspects”, Spectrochimica Acta Part A 54 (3), 395 (1998), doi:10.1016/S1386-1425(97)00230-8
[3] B. Wellegehausen and W. Luhs, “Diode-pumped CW molecular lasers”, Appl. Phys. B 122 (5), 133 (2016), doi:10.1007/s00340-016-6409-9

激光器

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