金屬蒸汽激光器的原理、類型與應用

    金屬蒸汽激光器是一種特殊的氣體激光器，它們利用金屬蒸汽作為激光增益介質(zhì)。本文將詳細介紹金屬蒸汽激光器的工作原理、主要類型以及它們的應用領(lǐng)域。

    一、工作原理

    金屬蒸汽激光器的核心在于其增益介質(zhì)——金屬原子或金屬離子。這些激光器的發(fā)射波長覆蓋了從紅外到紫外的廣泛范圍。金屬蒸汽通常被封閉在石英管中，管的兩端裝有電極、激光鏡和光學窗口。與其它氣體激光器不同，金屬蒸汽激光器的增益介質(zhì)在室溫下不處于工作狀態(tài)，需要通過蒸發(fā)金屬或金屬化合物在較高溫度下形成。這通常通過足夠強烈的電弧放電實現(xiàn)，有時還會使用兩個電流脈沖，第一個脈沖產(chǎn)生金屬蒸汽，第二個脈沖更強烈地激發(fā)金屬原子，使激光操作成為可能。

    二、技術(shù)挑戰(zhàn)

    金屬蒸汽激光器面臨的一個技術(shù)挑戰(zhàn)是金屬沉積在光學窗口上，這會降低窗口的透明度。為了解決這個問題，可以使用冷凝陷阱來防止金屬沉積。

    三、主要類型

    1.銅蒸汽激光器

    銅蒸汽激光器是所有金屬蒸汽激光器中最強大的。它們通過強烈的電流脈沖激發(fā)，并在510.6納米（綠色）或578.2納米（黃色）產(chǎn)生納秒脈沖。為了實現(xiàn)足夠的蒸汽壓和密度，銅的溫度需要保持在大約700°C左右。在激光操作開始之前，通常需要對激光器進行預熱。為了簡化蒸汽的產(chǎn)生，有時會使用銅鹵化物代替純銅。

    2.堿金屬蒸汽激光器

    堿金屬蒸汽激光器使用銫或銣等堿金屬作為增益介質(zhì)。這些金屬相對容易蒸發(fā)，不僅用于激光，還用于金屬蒸汽燈和光譜學氣體池。激光躍遷發(fā)生在D2線上，具體波長取決于使用的堿金屬。泵浦是在D1線上進行的，波長略短。通過與緩沖氣體（例如乙烷）分子的碰撞，實現(xiàn)從泵浦能級到上激光能級的粒子數(shù)轉(zhuǎn)移。

    3.氦-鎘激光器

    氦-鎘激光器在某些方面（如連續(xù)操作、高光束質(zhì)量、適度的功率密度、長壽命）與氦-氖激光器相似，盡管激光活性鎘需要在激光操作前蒸發(fā)。它們在441.6納米（藍色）、325.0納米或353.6納米（紫外線）連續(xù)發(fā)射，光功率約為100毫瓦。

    四、應用領(lǐng)域

    金屬蒸汽激光器因其強大的可見光輸出和堅固的設(shè)置，適用于激光表演等應用。它們也用于泵浦脈沖染料激光器（例如用于激光同位素分離）或放大器和鈦-藍寶石激光器。此外，它們還用于光動力療法。氦-鎘激光器則在光譜學和全息攝影等領(lǐng)域有著典型應用。

    金屬蒸汽激光器的研究和應用仍在不斷發(fā)展，它們在科學和工業(yè)領(lǐng)域的潛力巨大。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，我們可以期待這些激光加工在未來將有更廣泛的應用。