气体激光及应用漫谈

1、气体激光及应用漫谈1 引言激光器是二十世纪最重要的技术发明之一，激光技术的发展对人类社会产生了广泛而深刻的影响。自1960年世界首台激光器诞生至今，各种新型激光器如雨后春笋般不断涌现，时至今日也丝毫没有减缓的势头。按产生激光的增益介质的不同，激光器可以大致分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器及自由电子激光器等五大类。气体激光器是指以气体（包括蒸气）为工作物质的激光器，其主要特点是：1. 工作物质种类最多、激光波长覆盖范围极广（已经观测到的谱线万余条，从真空紫外甚至X线直至THz波）；2. 增益介质均匀性好、热效应小，光束质量好；3. 输出光束单色性和空间相干性好；4. 增益介质

2、无损伤阈值限制，无获得大体积增益介质困难，热管理问题不突出，比例放大和输出高功率大能量的潜力大。常见的气体激光器有，He-Ne激光器、CO2激光器、准分子激光器、金属蒸气激光器、氩离子激光器以及化学激光器等，见表1。表1 常见气体激光器类别激光器主要种类主要输出波长m典型应用举例原子气体激光器He-Ne激光器0.6328/1.15精确测量，计量基准，全息摄影He-Xe激光器3.507/2.027激光通信、激光医学铜蒸气激光器0.5782/0.5106激光治疗机金蒸气激光器0.6278碱金属蒸气激光器0.770/0.795/0.895激光传能分子气体激光器CO2激光器10.59/9-11激光加工

3、、标记、清洗，激光医疗，激光雷达，光泵产生THz波，激光推进CO激光器5-6激光加工氮分子激光器0.3371光泵浦准分子 激光器XeCl激光器0.308微加工、光刻，激光医疗，激光化学XeF激光器0.351ArF激光器0.193KrF激光器0.248离子气体激光器Ar+激光器0.4880/0.5145激光演示、激光医疗He-Cd+激光器0.4416/0.3250化学 激光器HF化学激光器2.5-3.0激光武器DF化学激光器3.6-4.0氧碘化学激光器1.315本文将以CO2激光器为重点，对气体激光及其应用做一简单介绍。2 几种典型的气体激光器CO2激光器CO2激光器是应用最为广泛、最具有代表性

4、的气体激光器。除了气体激光器的共同优点外，CO2激光器还具有如下突出优点：1. 输出波段处于大气透过窗口，适合远距离传输；2. 研制及运行维护成本低，适合规模化应用；3. 工作方式灵活多样，即可以连续输出，也可以脉冲输出；既可以输出高功率（最高达几百千瓦），也可以输出大能量（最高达几千焦耳）；4. 激光器电光转换效率较高，一般大于10%，可以达到20%；5. 激励方式丰富多样，既可以放电激励，也可以电子束激励，还可以光泵、热激励等；6. 输出波长可调谐，在9-11m范围内可调谐输出上百条激光谱线；当工作气体压力提高到10个大气压以上时，还可以实现连续调谐。CO2气体激光器的种类繁多，按结构类型

5、不同大致可分为封离型纵向放电CO2激光器、纵向慢流CO2激光器、快轴流CO2激光器、横向流动CO2激光器、横向激励大气压CO2激光器、气动CO2激光器、波导CO2激光器等七大类。上述所列各类CO2激光器，除横向激励大气压CO2激光器，在不采用调制调Q等“脉冲化”技术手段时一般多以连续波方式输出激光。横向激励大气压CO2激光器，即TEA （Transversely Excited Atmospheric pressure）CO2 激光器。“横向激励”是指该类激光器的放电激励方向与激光谐振腔的光轴方向垂直，“大气压”是指该类激光器的工作气压较高，为atm量级。TEA CO2激光器均采用窄脉冲（s级

6、）放电激励，为脉冲输出。TEA CO2激光器具有如下特点和优点：1. 采用横向激励，在相同的增益长度和气体压力下，和纵向激励相比，可以使激光器的放电电压大幅度下降。一方面，降低了对电源及系统绝缘强度的要求；另一方面，采用较低的放电电压，可以有效降低放电的E/N值，提高放电激励的效率；2. 单位体积增益介质的输出脉冲能量与气压成正比，输出峰值功率与气压的平方成正比。TEA CO2激光器工作在较高的气压下，因此单位体积的输出能量和输出峰值功率较高，器件可以更加紧凑；3. TEA CO2激光器采用高压窄脉冲激励，存在着“增益开关”效应，可以得到很高的脉冲峰值功率。输出脉冲能量为焦耳量级的TEA CO

7、2激光器，其输出的脉冲峰值功率一般达几十兆瓦；4. 和纵向放电的结构相比，横向放电的结构，更加有利于器件的模块化。这不仅对器件的工程化和实际使用非常有利，而且有利于激光器输出能量和功率的比例放大，有利于向高功率方向发展。高重复频率TEA CO2 激光器相关的关键技术主要有：预电离技术、均匀场电极技术、高速气流循环冷却技术、快放电激励技术、气体催化还原技术、真空密封技术、激光谐振腔技术、调谐技术、激光器开关电源技术、激光器自动控制技术等。在具体器件研制过程中，因所追求的激光器的技术特点和性能指标的不同，涉及的上述关键技术将各有侧重。高重复频率TEA CO2 激光器是最有希望产生超大功率的激光器件

8、之一。国际上，美国、俄罗斯、德国等国的研究机构，采用电子束泵浦或电子束控制放电的激励方式，分别研制出单脉冲能量数百至二千焦耳、平均功率万瓦至几十万瓦的高重复频率TEA CO2 激光器。国内主要发展电激励的器件，目前单脉冲能量已达到500焦耳级，平均功率已超过万瓦。图1为中科院电子所研制的一台平均功率万瓦级高重复频率TEA CO2激光器。激光器输出平均功率12 kW，脉冲重复频率400 Hz，激光脉冲波形如图2所示，脉冲宽度（FWHM）为150 ns，输出光束的近场光斑尺寸为45 mm×55 mm，远场发散角5 mrad。 图1 万瓦级TEA CO2激光器照片 图2 万瓦级激光器激光脉

9、冲波形图通常自由振荡的CO2 激光器输出激光波长为10.6µm附近。图3所示为CO2激光归一化的小信号增益曲线。在911µm的长波红外波段，CO2气体分子振转能级跃迁有上百条谱线，相邻两条谱线之间波长相差0.01-0.03 µm，分为10P、10R、9P、9R四支。四支中增益最高的谱线分别为10P(20)、10R(20)、9P(20)、9R(20)，波长分别对应10.59m、10.25m、9.55m、9.27m。采用在激光谐振腔中插入带有波长选择性的光学元件等方法，可以实现TEA CO2 激光的调谐输出。常用的调谐元件有光栅、棱镜、法布里泊罗、气体吸收池、镀有特殊

10、膜层的镜片等。其中，最常采用的是光栅。采用光栅谐振腔选线的调谐方案，目前已实现平均功率千瓦级高重复频率可调谐TEA CO2激光输出。图4为中科院电子所研制的平均功率千瓦级可调谐TEA CO2激光器输出光束近场光斑图。10P(20) 10R(20) 9P(20) 9R(20)图3 CO2激光增益分布 图4 输出光斑形状 如果将TEA CO2激光器的工作气体压力由通常的1大气压上下，增加到10至20个大气压，由于压力加宽效应，上述图3中分立的谱线将由于加宽而相互重叠，这时采用光栅调谐等技术手段，可以在911µm的宽广波段范围内实现连续调谐。通常TEA CO2激光器的输出脉冲波形正如图2所

11、示，为一个百ns量级的尖峰加一个几s的拖尾。在该类激光器应用的多数场合，这种波形正是人们所需要的。例如，在激光推进应用中，“尖峰”正好用于产生需要较高峰值功率的空气击穿（等离子体“点火”），而随后的“拖尾”正好用于“点火”后激光支持吸收波（LSAW）的维持。但在某些应用场合，希望最好只保留“尖峰”而斩去“拖尾”（如倍频时），或者，希望尽量减小“尖峰”并适当加宽“拖尾”而得到s至几十s宽度的“宽脉冲”。实现“宽脉冲”输出有许多技术手段，其中比较有效的是在激光器的激励电路中采用 pulser/sustainer 技术。中科院电子所采用pulser/sustainer 技术，已经实现脉冲能量几焦耳到

12、十几焦耳、重复频率百赫兹、脉冲宽度几十微秒的“宽脉冲”高重复频率脉冲激光输出。放电引发DF激光器DF（氟化氘）激光器与HF（氟化氢）激光器，工作原理相同，输出中心波长分别为3.8m和2.7m，均属于化学激光器。DF激光器是目前输出连续功率最高的激光器件，由美国研制的用于激光武器实验的高能DF激光器，输出功率可达220万瓦。该类激光器采用的是链式化学反应，在得到非常高的输出功率的同时，也存在着结构复杂、体积庞大、不易控制等问题。放电引发的DF/HF激光器，采用脉冲放电引发非链式化学反应产生激光，具有结构紧凑、可控性强、可重复频率脉冲输出等优点，具有更广阔的应用前景。半导体泵浦气体激光器半导体泵浦

13、气体激光器是气体激光器家族的一个新成员。半导体泵浦气体激光主要指半导体激光器泵浦碱金属蒸气激光器，英文简称DPAL（Diode Pumped Alkali Laser）。目前开展工作较多的是，半导体泵浦铯（Cs）蒸气激光器、铷（Rb）蒸气激光器和钾（K）蒸气激光器，输出激光波长分别为895nm、795nm和770nm。DPAL结合了半导体激光器体积小效率高和气体激光器光束质量好、热管理问题不突出等长处，具有如下优点，1. 采用半导体激光器泵浦，体积小、重量轻；2. 理论上具有大于95%的量子效率；3. 可以达到接近衍射极限的高光束质量；4. 激光增益介质为气体状态，无明显热透镜效应；5. 激光

14、增益介质可通过流动散热，非常适合向高功率方向发展；6. 输出激光波长处于大气传输窗口，适合远距离传输。半导体泵浦碱金属激光器是于2003年由美国劳伦斯里弗莫尔实验室提出并采用钛宝石激光器泵浦铷蒸气实现输出演示的。2005年，美国劳伦斯里弗莫尔实验室报道了世界首次采用半导体激光器泵浦碱金属蒸气实现激光输出的演示实验。由于该类激光器的突出优点，迅速得到了各国专家的关注。目前，美国、日本等国，尤其是美国，在该领域开展了大量研究工作。目前，国际上达到的最高功率是145 W,泵浦总功率为977 W，达到的斜率效率28%，实验中可连续运行90 s保持稳定输出。3 气体激光器应用时至今日，激光已经应用于方方

15、面面，即使是CO2激光器这一种常用气体激光器的应用，也难以在有限的篇幅内概括。本文谨以TEA CO2激光器为例，对气体激光的应用做一简单描述。激光打标高重复频率TEA CO2激光器的一个典型应用是激光打标。激光打标以其无污染、图案和字迹清晰牢固等优点，正逐渐取代传统的印字等标记方式。TEA CO2激光器用于激光打标一般采用“掩模式”，与“扫描式”及“点阵式”激光打标相比，系统软硬件简单，打标速度快，1个脉冲即可完成1处标记，采用与工件传送速度（最高可达20个/s）相对应的重复频率，即要求激光器的重复频率在20 Hz以上，可以做到传送带不停在线打标，即“飞行打标”。光泵THz波激光器可调谐高重复

16、频率TEA CO2激光用作光泵可产生远红外激光，即目前所说的THz波激光。近年来THz波研究成为国际上光电子研究领域的一个热点，可调谐TEA CO2激光光泵产生远红外激光的研究也因此而再度活跃。用输出波长911µm的可调谐的TEA CO2激光分别泵浦甲酸、甲醇、重水、仲氢、NH3、CF4等介质，可在波长12µm到1.2 mm的宽广波段，产生上百条波长不同的激光跃迁谱线，典型的光泵远红外介质及输出谱线见表2。这些远红外波段(THz波)的激光输出，在激光分离同位素、激光化学研究、激光合成、THz波研究等方面，有非常广泛的应用。表2 TEA CO2激光光泵产生THz波激光的典型介

17、质及输出波长介质THz激光输出名称分子式波长（m）频率（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激光推进激光推进是高重复频率TEA CO2激光的一项非常有潜力的重要应用，高重复频

18、率TEA CO2 激光技术在近年的进步有力地推动了激光推进研究的发展。激光推进作为一种新型的推进技术，在微小卫星发射、空间碎片清除、卫星轨道调整等方面有着广泛的应用前景。激光推进和传统的化学火箭推进方式相比：比冲更高，化学火箭的比冲很难突破500 s，激光推进可轻松达到10002000 s；有效载荷比高，传统推进方法由于需要携带大量化学燃料，有效载荷比一般仅为1.5%，激光推进由于能源与工质分离，有效载荷比可达15；发射费用低，由于发射装置可反复利用，消耗的能源可由电力等廉价能源提供，发射费用有望从目前传统推进的大约每公斤载荷10000美元，降低到每公斤1000美元甚至100美元。脉冲激光推进

19、采用高重复频率的高能脉冲激光聚焦于工质，聚焦区域的激光功率密度可达到107 W/cm2以上，使空气等工质电离击穿成为高温高压的等离子体并迅速膨胀，形成激光支持的爆轰波，产生推力。经估算，发射公斤级的载荷到近地轨道大约需要平均功率为百千瓦到兆瓦的激光器。近年来，国内外采用平均功率千瓦到万瓦级的高重复频率TEA CO2激光器，开展了激光推进的自由飞行演示实验，通过实验对激光推进的可行性进行了初步验证。2000年10月，在美国白沙导弹靶场，采用脉冲能量为1 kJ、重复频率为10 Hz的TEA CO2激光器，成功地将直径为12.2 cm、质量为50.62 g的飞行器模型发射到距地面71 m的高度，创造

20、了迄今为止激光推进演示领域里的最高记录。我国装备指挥学院、中国科技大学、华中科技大学、中科院电子所等单位采用重复频率TEA CO2激光器，开展了激光推进研究及飞行演示实验。图5为中国科学院电子所实现的激光推进自由飞行演示的照片，采用不同时刻的12幅记录图像合成，反映了将一个重量为4.2克的光船样品，垂直推进自由飞行到2.6米的高度，到达实验室天花板的过程，自由飞行持续时间为1.75秒。实验中采用的高重复频率TEA CO2激光器的主要参数为，输出脉冲能量13 J、重复频率50 Hz。图5 激光推进自由飞行演示照片激光清洗激光清洗是高重复频率TEA CO2激光的另一项具有良好发展前景的重要应用。目

21、前的主要应用研究有，激光清除飞机蒙皮表面的油漆、清除文物表面的污垢、清除城市涂鸦、集成电路基底材料表面清洗、橡胶制品模具清洗、核电站内放射性污染物的清洗等。图6是采用激光清洗技术清除受到核污染的建筑物地面，图7是激光清洗汽车轮胎模具的照片。 图6 激光清洗受到核污染的地面 图7 激光清洗汽车轮胎模具激光除漆是激光清洗技术的一个重要研究方向。飞机表面的油漆每3到5年，必须全部去除，在进行必要的维护检查后重新油漆。据美国西北公司的报告，除漆是保养美国海军飞机的7项主要成本之一。传统的方法是采用专用除漆剂除漆，是一种化学方法。采用高重复频率TEA CO2激光除漆，与传统的化学除漆方法相比，具有无污染

22、、可遥控操作、自动化程度高、运行成本低等优点。激光除漆走向实用化需要解决的主要问题是安全性与效率的问题。采用高重复频率脉冲激光除漆，热影响效应弱、基底温升很小，而漆层对10.6微米波长激光吸收好。经研究验证，激光除漆对飞机蒙皮的力学性能没有影响。图8是激光除漆样品的除漆效果照片。图中的样品由带有漆层的飞机蒙皮材料制成，图中的上部和下部分别为激光除漆后和除漆前的样品。经过激光除漆后，样品表面油漆完全去除，露出银白色的铝合金基底。实验结果揭示，为了得到最佳的激光除漆效率，样品上的脉冲激光的能量密度应在68 J/cm2之间。图8 激光除漆样品激光声遥感探测水下目标激光声遥感探测水下目标的主要过程是，从直升机等装载平台上向水面发射TEA CO2脉冲激光，大能量脉冲激光与水相互作用在水中产生声波，声波在水中向各个方向传播，当遇到海底、礁石或潜艇等目标时，声波被反射回水面，通过直接接收通过水面的反射声波或用另一束激光探测反射声波引起的水面扰动，就可以得到水下目标的信息。与传统的直升机吊放声纳等水下目标探测方法相比，由