氣體激光器

利用氣體或蒸氣作為工作物質產生激光的器件。它由放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成（圖1）。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下，利用電子碰撞激發和能量轉移激發等，氣體粒子有選擇性地被激發到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數反轉，產生受激發射躍遷。

與固體、液體比較，氣體的光學均勻性好，因此，氣體激光器的輸出光束具有較好的方向性、單色性和較高的頻率穩定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發粒子濃度，因此，氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。

氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準分子激光器。它們工作在很寬的波長範圍，從真空紫外到遠紅外，既可以連續方式工作，也可以脈衝方式工作。

原子氣體激光器 包括各種惰性氣體激光器和各種金屬蒸氣激光器，如氦氖激光器和銅蒸氣激光器。其中氦氖激光器是最早研究成功的，並且仍在普遍使用。它的工作物質是混有氦的氖(圖2)。在這種混合氣體中放電，部分氦原子被激發到亞穩激發態21S或23S。這部分氦原子與基態氖原子碰撞時，能導致能量轉移激發，使氖原子處於激發能級上，從而實現氖原子的粒子數反轉分佈。氖原子在諧振腔中通過受激發射過程主要發出三個波長（3.39微米，1.15微米和6328埃）的激光。氦氖激光器輸出的激光功率只有幾毫瓦到100毫瓦，效率約為0.1％。但是，氦氖激光器具有單色性好、方向性強、使用簡便、結構緊湊堅固等優點，因而在精密測量、准直和測距中得到廣泛的應用。

銅蒸氣激光器具有平均功率高、重複率高等優點，發展很快。

離子氣體激光器 在惰性氣體和金屬蒸氣的離子的電子態能級之間建立粒子數反轉，其激光波長大多在紫外和可見光區域，輸出激光功率較大。典型的離子激光器有氬離子激光器、氪離子激光器和氦鎘激光器等。應用最多的是氬離子激光器。它可以產生多條波長的激光，其中最強的是4480埃和5145埃。連續輸出激光功率為幾百毫瓦至幾百瓦，效率很低，約為0.1％。它被應用於光譜學、光泵染料激光器、激光化學和醫學等。

分子氣體激光器 工作物質是中性分子氣體，如氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等。波長範圍很廣，從真空紫外、可見光到遠紅外。其中以二氧化碳激光器最為重要，其特點是效率高，大約在10％～25％範圍內，可以獲得很高激光功率，連續輸出功率高達萬瓦，脈衝器件輸出可達萬焦耳每脈衝級。這種激光器工作在以 9.4微米和10.4微米為中心的多條分子振轉光譜線上。二氧化碳激光器分為普通低氣壓封離型激光器、橫向和縱向氣體循環流動型激光器、橫向大氣壓和高氣壓連續調諧激光器、氣動激光器和波導激光器等。這些激光器可用於加工和處理（如焊接、切割和熱處理）、光通信、測距、同位素分離和高溫等離子體研究等方面。其中波導二氧化碳激光器是一種結構緊湊、增益高和可調諧的激光器，特別適用於激光通信和高分辨光譜學。

準分子激光器 利用準分子的束縛高能態和排斥性或弱束縛的基態之間的受激發射的激光器。由於基態壽命極短，可實現高效率和高平均功率。準分子激光器的主要受激準分子是惰性氣體準分子和惰性氣體鹵化物準分子。激光發射波長主要在紫外和真空紫外區域，輸出能量已達百焦耳量級，用於光泵染料激光器、同位素分離和激光化學。