1、氣體激光及應(yīng)用漫談1 引言激光器是二十世紀最重要的技術(shù)發(fā)明之一，激光技術(shù)的發(fā)展對人類社會產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。自1960年世界首臺激光器誕生至今，各種新型激光器如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，時至今日也絲毫沒有減緩的勢頭。按產(chǎn)生激光的增益介質(zhì)的不同，激光器可以大致分為固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器及自由電子激光器等五大類。氣體激光器是指以氣體（包括蒸氣）為工作物質(zhì)的激光器，其主要特點是：1. 工作物質(zhì)種類最多、激光波長覆蓋范圍極廣（已經(jīng)觀測到的譜線萬余條，從真空紫外甚至X線直至THz波）；2. 增益介質(zhì)均勻性好、熱效應(yīng)小，光束質(zhì)量好；3. 輸出光束單色性和空間相干性好；4. 增益介質(zhì)

2、無損傷閾值限制，無獲得大體積增益介質(zhì)困難，熱管理問題不突出，比例放大和輸出高功率大能量的潛力大。常見的氣體激光器有，He-Ne激光器、CO2激光器、準分子激光器、金屬蒸氣激光器、氬離子激光器以及化學激光器等，見表1。表1 常見氣體激光器類別激光器主要種類主要輸出波長m典型應(yīng)用舉例原子氣體激光器He-Ne激光器0.6328/1.15精確測量，計量基準，全息攝影He-Xe激光器3.507/2.027激光通信、激光醫(yī)學銅蒸氣激光器0.5782/0.5106激光治療機金蒸氣激光器0.6278堿金屬蒸氣激光器0.770/0.795/0.895激光傳能分子氣體激光器CO2激光器10.59/9-11激光加工

3、、標記、清洗，激光醫(yī)療，激光雷達，光泵產(chǎn)生THz波，激光推進CO激光器5-6激光加工氮分子激光器0.3371光泵浦準分子 激光器XeCl激光器0.308微加工、光刻，激光醫(yī)療，激光化學XeF激光器0.351ArF激光器0.193KrF激光器0.248離子氣體激光器Ar+激光器0.4880/0.5145激光演示、激光醫(yī)療He-Cd+激光器0.4416/0.3250化學 激光器HF化學激光器2.5-3.0激光武器DF化學激光器3.6-4.0氧碘化學激光器1.315本文將以CO2激光器為重點，對氣體激光及其應(yīng)用做一簡單介紹。2 幾種典型的氣體激光器CO2激光器CO2激光器是應(yīng)用最為廣泛、最具有代表性

4、的氣體激光器。除了氣體激光器的共同優(yōu)點外，CO2激光器還具有如下突出優(yōu)點：1. 輸出波段處于大氣透過窗口，適合遠距離傳輸；2. 研制及運行維護成本低，適合規(guī)模化應(yīng)用；3. 工作方式靈活多樣，即可以連續(xù)輸出，也可以脈沖輸出；既可以輸出高功率（最高達幾百千瓦），也可以輸出大能量（最高達幾千焦耳）；4. 激光器電光轉(zhuǎn)換效率較高，一般大于10%，可以達到20%；5. 激勵方式豐富多樣，既可以放電激勵，也可以電子束激勵，還可以光泵、熱激勵等；6. 輸出波長可調(diào)諧，在9-11m范圍內(nèi)可調(diào)諧輸出上百條激光譜線；當工作氣體壓力提高到10個大氣壓以上時，還可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。CO2氣體激光器的種類繁多，按結(jié)構(gòu)類型

5、不同大致可分為封離型縱向放電CO2激光器、縱向慢流CO2激光器、快軸流CO2激光器、橫向流動CO2激光器、橫向激勵大氣壓CO2激光器、氣動CO2激光器、波導(dǎo)CO2激光器等七大類。上述所列各類CO2激光器，除橫向激勵大氣壓CO2激光器，在不采用調(diào)制調(diào)Q等“脈沖化”技術(shù)手段時一般多以連續(xù)波方式輸出激光。橫向激勵大氣壓CO2激光器，即TEA （Transversely Excited Atmospheric pressure）CO2 激光器。“橫向激勵”是指該類激光器的放電激勵方向與激光諧振腔的光軸方向垂直，“大氣壓”是指該類激光器的工作氣壓較高，為atm量級。TEA CO2激光器均采用窄脈沖（s級

6、）放電激勵，為脈沖輸出。TEA CO2激光器具有如下特點和優(yōu)點：1. 采用橫向激勵，在相同的增益長度和氣體壓力下，和縱向激勵相比，可以使激光器的放電電壓大幅度下降。一方面，降低了對電源及系統(tǒng)絕緣強度的要求；另一方面，采用較低的放電電壓，可以有效降低放電的E/N值，提高放電激勵的效率；2. 單位體積增益介質(zhì)的輸出脈沖能量與氣壓成正比，輸出峰值功率與氣壓的平方成正比。TEA CO2激光器工作在較高的氣壓下，因此單位體積的輸出能量和輸出峰值功率較高，器件可以更加緊湊；3. TEA CO2激光器采用高壓窄脈沖激勵，存在著“增益開關(guān)”效應(yīng)，可以得到很高的脈沖峰值功率。輸出脈沖能量為焦耳量級的TEA CO

7、2激光器，其輸出的脈沖峰值功率一般達幾十兆瓦；4. 和縱向放電的結(jié)構(gòu)相比，橫向放電的結(jié)構(gòu)，更加有利于器件的模塊化。這不僅對器件的工程化和實際使用非常有利，而且有利于激光器輸出能量和功率的比例放大，有利于向高功率方向發(fā)展。高重復(fù)頻率TEA CO2 激光器相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：預(yù)電離技術(shù)、均勻場電極技術(shù)、高速氣流循環(huán)冷卻技術(shù)、快放電激勵技術(shù)、氣體催化還原技術(shù)、真空密封技術(shù)、激光諧振腔技術(shù)、調(diào)諧技術(shù)、激光器開關(guān)電源技術(shù)、激光器自動控制技術(shù)等。在具體器件研制過程中，因所追求的激光器的技術(shù)特點和性能指標的不同，涉及的上述關(guān)鍵技術(shù)將各有側(cè)重。高重復(fù)頻率TEA CO2 激光器是最有希望產(chǎn)生超大功率的激光器件

8、之一。國際上，美國、俄羅斯、德國等國的研究機構(gòu)，采用電子束泵浦或電子束控制放電的激勵方式，分別研制出單脈沖能量數(shù)百至二千焦耳、平均功率萬瓦至幾十萬瓦的高重復(fù)頻率TEA CO2 激光器。國內(nèi)主要發(fā)展電激勵的器件，目前單脈沖能量已達到500焦耳級，平均功率已超過萬瓦。圖1為中科院電子所研制的一臺平均功率萬瓦級高重復(fù)頻率TEA CO2激光器。激光器輸出平均功率12 kW，脈沖重復(fù)頻率400 Hz，激光脈沖波形如圖2所示，脈沖寬度（FWHM）為150 ns，輸出光束的近場光斑尺寸為45 mm×55 mm，遠場發(fā)散角5 mrad。 圖1 萬瓦級TEA CO2激光器照片 圖2 萬瓦級激光器激光脈

9、沖波形圖通常自由振蕩的CO2 激光器輸出激光波長為10.6µm附近。圖3所示為CO2激光歸一化的小信號增益曲線。在911µm的長波紅外波段，CO2氣體分子振轉(zhuǎn)能級躍遷有上百條譜線，相鄰兩條譜線之間波長相差0.01-0.03 µm，分為10P、10R、9P、9R四支。四支中增益最高的譜線分別為10P(20)、10R(20)、9P(20)、9R(20)，波長分別對應(yīng)10.59m、10.25m、9.55m、9.27m。采用在激光諧振腔中插入帶有波長選擇性的光學元件等方法，可以實現(xiàn)TEA CO2 激光的調(diào)諧輸出。常用的調(diào)諧元件有光柵、棱鏡、法布里泊羅、氣體吸收池、鍍有特殊

10、膜層的鏡片等。其中，最常采用的是光柵。采用光柵諧振腔選線的調(diào)諧方案，目前已實現(xiàn)平均功率千瓦級高重復(fù)頻率可調(diào)諧TEA CO2激光輸出。圖4為中科院電子所研制的平均功率千瓦級可調(diào)諧TEA CO2激光器輸出光束近場光斑圖。10P(20) 10R(20) 9P(20) 9R(20)圖3 CO2激光增益分布 圖4 輸出光斑形狀 如果將TEA CO2激光器的工作氣體壓力由通常的1大氣壓上下，增加到10至20個大氣壓，由于壓力加寬效應(yīng)，上述圖3中分立的譜線將由于加寬而相互重疊，這時采用光柵調(diào)諧等技術(shù)手段，可以在911µm的寬廣波段范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。通常TEA CO2激光器的輸出脈沖波形正如圖2所

11、示，為一個百ns量級的尖峰加一個幾s的拖尾。在該類激光器應(yīng)用的多數(shù)場合，這種波形正是人們所需要的。例如，在激光推進應(yīng)用中，“尖峰”正好用于產(chǎn)生需要較高峰值功率的空氣擊穿（等離子體“點火”），而隨后的“拖尾”正好用于“點火”后激光支持吸收波（LSAW）的維持。但在某些應(yīng)用場合，希望最好只保留“尖峰”而斬去“拖尾”（如倍頻時），或者，希望盡量減小“尖峰”并適當加寬“拖尾”而得到s至幾十s寬度的“寬脈沖”。實現(xiàn)“寬脈沖”輸出有許多技術(shù)手段，其中比較有效的是在激光器的激勵電路中采用 pulser/sustainer 技術(shù)。中科院電子所采用pulser/sustainer 技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)脈沖能量幾焦耳到

12、十幾焦耳、重復(fù)頻率百赫茲、脈沖寬度幾十微秒的“寬脈沖”高重復(fù)頻率脈沖激光輸出。放電引發(fā)DF激光器DF（氟化氘）激光器與HF（氟化氫）激光器，工作原理相同，輸出中心波長分別為3.8m和2.7m，均屬于化學激光器。DF激光器是目前輸出連續(xù)功率最高的激光器件，由美國研制的用于激光武器實驗的高能DF激光器，輸出功率可達220萬瓦。該類激光器采用的是鏈式化學反應(yīng)，在得到非常高的輸出功率的同時，也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、不易控制等問題。放電引發(fā)的DF/HF激光器，采用脈沖放電引發(fā)非鏈式化學反應(yīng)產(chǎn)生激光，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可控性強、可重復(fù)頻率脈沖輸出等優(yōu)點，具有更廣闊的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體泵浦氣體激光器半導(dǎo)體泵浦

13、氣體激光器是氣體激光器家族的一個新成員。半導(dǎo)體泵浦氣體激光主要指半導(dǎo)體激光器泵浦堿金屬蒸氣激光器，英文簡稱DPAL（Diode Pumped Alkali Laser）。目前開展工作較多的是，半導(dǎo)體泵浦銫（Cs）蒸氣激光器、銣（Rb）蒸氣激光器和鉀（K）蒸氣激光器，輸出激光波長分別為895nm、795nm和770nm。DPAL結(jié)合了半導(dǎo)體激光器體積小效率高和氣體激光器光束質(zhì)量好、熱管理問題不突出等長處，具有如下優(yōu)點，1. 采用半導(dǎo)體激光器泵浦，體積小、重量輕；2. 理論上具有大于95%的量子效率；3. 可以達到接近衍射極限的高光束質(zhì)量；4. 激光增益介質(zhì)為氣體狀態(tài)，無明顯熱透鏡效應(yīng)；5. 激光

14、增益介質(zhì)可通過流動散熱，非常適合向高功率方向發(fā)展；6. 輸出激光波長處于大氣傳輸窗口，適合遠距離傳輸。半導(dǎo)體泵浦堿金屬激光器是于2003年由美國勞倫斯里弗莫爾實驗室提出并采用鈦寶石激光器泵浦銣蒸氣實現(xiàn)輸出演示的。2005年，美國勞倫斯里弗莫爾實驗室報道了世界首次采用半導(dǎo)體激光器泵浦堿金屬蒸氣實現(xiàn)激光輸出的演示實驗。由于該類激光器的突出優(yōu)點，迅速得到了各國專家的關(guān)注。目前，美國、日本等國，尤其是美國，在該領(lǐng)域開展了大量研究工作。目前，國際上達到的最高功率是145 W,泵浦總功率為977 W，達到的斜率效率28%，實驗中可連續(xù)運行90 s保持穩(wěn)定輸出。3 氣體激光器應(yīng)用時至今日，激光已經(jīng)應(yīng)用于方方

15、面面，即使是CO2激光器這一種常用氣體激光器的應(yīng)用，也難以在有限的篇幅內(nèi)概括。本文謹以TEA CO2激光器為例，對氣體激光的應(yīng)用做一簡單描述。激光打標高重復(fù)頻率TEA CO2激光器的一個典型應(yīng)用是激光打標。激光打標以其無污染、圖案和字跡清晰牢固等優(yōu)點，正逐漸取代傳統(tǒng)的印字等標記方式。TEA CO2激光器用于激光打標一般采用“掩模式”，與“掃描式”及“點陣式”激光打標相比，系統(tǒng)軟硬件簡單，打標速度快，1個脈沖即可完成1處標記，采用與工件傳送速度（最高可達20個/s）相對應(yīng)的重復(fù)頻率，即要求激光器的重復(fù)頻率在20 Hz以上，可以做到傳送帶不停在線打標，即“飛行打標”。光泵THz波激光器可調(diào)諧高重復(fù)

16、頻率TEA CO2激光用作光泵可產(chǎn)生遠紅外激光，即目前所說的THz波激光。近年來THz波研究成為國際上光電子研究領(lǐng)域的一個熱點，可調(diào)諧TEA CO2激光光泵產(chǎn)生遠紅外激光的研究也因此而再度活躍。用輸出波長911µm的可調(diào)諧的TEA CO2激光分別泵浦甲酸、甲醇、重水、仲氫、NH3、CF4等介質(zhì)，可在波長12µm到1.2 mm的寬廣波段，產(chǎn)生上百條波長不同的激光躍遷譜線，典型的光泵遠紅外介質(zhì)及輸出譜線見表2。這些遠紅外波段(THz波)的激光輸出，在激光分離同位素、激光化學研究、激光合成、THz波研究等方面，有非常廣泛的應(yīng)用。表2 TEA CO2激光光泵產(chǎn)生THz波激光的典型介

17、質(zhì)及輸出波長介質(zhì)THz激光輸出名稱分子式波長（m）頻率（THz）甲醇CH3OH43.56.970.54.2596.53.11118.82.521631.84170.61.76251.11.19392.10.77570.60.53699.40.43甲酸HCOOH393.90.764190.724330.7513.70.58重水D2O664.551132.653850.78氨NH3664.5590.43.321112.71132.662811.073850.78甲基氟CH3F4520.664960.615410.56激光推進激光推進是高重復(fù)頻率TEA CO2激光的一項非常有潛力的重要應(yīng)用，高重復(fù)頻

18、率TEA CO2 激光技術(shù)在近年的進步有力地推動了激光推進研究的發(fā)展。激光推進作為一種新型的推進技術(shù)，在微小衛(wèi)星發(fā)射、空間碎片清除、衛(wèi)星軌道調(diào)整等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。激光推進和傳統(tǒng)的化學火箭推進方式相比：比沖更高，化學火箭的比沖很難突破500 s，激光推進可輕松達到10002000 s；有效載荷比高，傳統(tǒng)推進方法由于需要攜帶大量化學燃料，有效載荷比一般僅為1.5%，激光推進由于能源與工質(zhì)分離，有效載荷比可達15；發(fā)射費用低，由于發(fā)射裝置可反復(fù)利用，消耗的能源可由電力等廉價能源提供，發(fā)射費用有望從目前傳統(tǒng)推進的大約每公斤載荷10000美元，降低到每公斤1000美元甚至100美元。脈沖激光推進

19、采用高重復(fù)頻率的高能脈沖激光聚焦于工質(zhì)，聚焦區(qū)域的激光功率密度可達到107 W/cm2以上，使空氣等工質(zhì)電離擊穿成為高溫高壓的等離子體并迅速膨脹，形成激光支持的爆轟波，產(chǎn)生推力。經(jīng)估算，發(fā)射公斤級的載荷到近地軌道大約需要平均功率為百千瓦到兆瓦的激光器。近年來，國內(nèi)外采用平均功率千瓦到萬瓦級的高重復(fù)頻率TEA CO2激光器，開展了激光推進的自由飛行演示實驗，通過實驗對激光推進的可行性進行了初步驗證。2000年10月，在美國白沙導(dǎo)彈靶場，采用脈沖能量為1 kJ、重復(fù)頻率為10 Hz的TEA CO2激光器，成功地將直徑為12.2 cm、質(zhì)量為50.62 g的飛行器模型發(fā)射到距地面71 m的高度，創(chuàng)造

20、了迄今為止激光推進演示領(lǐng)域里的最高記錄。我國裝備指揮學院、中國科技大學、華中科技大學、中科院電子所等單位采用重復(fù)頻率TEA CO2激光器，開展了激光推進研究及飛行演示實驗。圖5為中國科學院電子所實現(xiàn)的激光推進自由飛行演示的照片，采用不同時刻的12幅記錄圖像合成，反映了將一個重量為4.2克的光船樣品，垂直推進自由飛行到2.6米的高度，到達實驗室天花板的過程，自由飛行持續(xù)時間為1.75秒。實驗中采用的高重復(fù)頻率TEA CO2激光器的主要參數(shù)為，輸出脈沖能量13 J、重復(fù)頻率50 Hz。圖5 激光推進自由飛行演示照片激光清洗激光清洗是高重復(fù)頻率TEA CO2激光的另一項具有良好發(fā)展前景的重要應(yīng)用。目

21、前的主要應(yīng)用研究有，激光清除飛機蒙皮表面的油漆、清除文物表面的污垢、清除城市涂鴉、集成電路基底材料表面清洗、橡膠制品模具清洗、核電站內(nèi)放射性污染物的清洗等。圖6是采用激光清洗技術(shù)清除受到核污染的建筑物地面，圖7是激光清洗汽車輪胎模具的照片。 圖6 激光清洗受到核污染的地面 圖7 激光清洗汽車輪胎模具激光除漆是激光清洗技術(shù)的一個重要研究方向。飛機表面的油漆每3到5年，必須全部去除，在進行必要的維護檢查后重新油漆。據(jù)美國西北公司的報告，除漆是保養(yǎng)美國海軍飛機的7項主要成本之一。傳統(tǒng)的方法是采用專用除漆劑除漆，是一種化學方法。采用高重復(fù)頻率TEA CO2激光除漆，與傳統(tǒng)的化學除漆方法相比，具有無污染

22、、可遙控操作、自動化程度高、運行成本低等優(yōu)點。激光除漆走向?qū)嵱没枰鉀Q的主要問題是安全性與效率的問題。采用高重復(fù)頻率脈沖激光除漆，熱影響效應(yīng)弱、基底溫升很小，而漆層對10.6微米波長激光吸收好。經(jīng)研究驗證，激光除漆對飛機蒙皮的力學性能沒有影響。圖8是激光除漆樣品的除漆效果照片。圖中的樣品由帶有漆層的飛機蒙皮材料制成，圖中的上部和下部分別為激光除漆后和除漆前的樣品。經(jīng)過激光除漆后，樣品表面油漆完全去除，露出銀白色的鋁合金基底。實驗結(jié)果揭示，為了得到最佳的激光除漆效率，樣品上的脈沖激光的能量密度應(yīng)在68 J/cm2之間。圖8 激光除漆樣品激光聲遙感探測水下目標激光聲遙感探測水下目標的主要過程是，從直升機等裝載平臺上向水面發(fā)射TEA CO2脈沖激光，大能量脈沖激光與水相互作用在水中產(chǎn)生聲波，聲波在水中向各個方向傳播，當遇到海底、礁石或潛艇等目標時，聲波被反射回水面，通過直接接收通過水面的反射聲波或用另一束激光探測反射聲波引起的水面擾動，就可以得到水下目標的信息。與傳統(tǒng)的直升機吊放聲納等水下目標探測方法相比，由