[发明专利]变色气体激光器及其激励方法

说明书

本发明是一种利用改变气体激光管中激发态粒子浓度分布来实现输出波长可变的变色气体激光器，属于气体激光技术领域。

现有的可变波长输出气体激光器，工作物质激发态粒子的浓度分布是不变化的，激光输出波长的改变是通过调节谐振腔(常用的调谐元件是光栅、棱镜)使放电中不同的谱线产生激光振荡。无论是准分子激光器、二氧化碳激光器，还是氩离子激光器或氦氖激光器，都只能在一个特定的比较窄的波长范围内实现可变激光波长输出，它们局限于一个所选用的激光工作物质上能级很接近的那几条谱线，局限于一个激光管使用一种激光工作物质，不能根据某种应用需要，设计和制作成可变波长输出的气体激光器。

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种输出波长变化范围较宽的变色气体激光器，它可根据不同要求，设计和制作相应的输出波长可变的气体激光器。

本发明利用改变激发态粒子浓度分布来实现激光可变波长输出。它通过调节激励电源控制放电中电子的能量，使激光工作物质由电子直接碰撞激发或再经过其它碰撞过程(如共振转移、电荷转移等)产生所要的选择性激发反应，从而实现可变波长输出。本发明由激光管、光学谐振腔和激励电源组成，其特点是激光管内充有工作物质与辅助气体，工作物质可以为一种工作物质或多种工作物质混合而成的气体(或蒸气)，谐振腔采用宽带高反射膜反射镜，激励电源采用脉冲和直流电压均可调的电源。若电子能量相当大，可产生激光上能级能量大的激光谱线(如离子激光谱线)，若电子能量较小，则可产生激光上能级能量较小的激光谱线(如原子激光谱线)。若激光工作物质本身容易建立放电和能产生足够大的激光上能级粒子数反转密度，则不需再加辅助气体。如果所需应用的可变激光谱线增益系数相当小，则还需辅助以配合调谐元件，例如将调谐元件(如棱镜、光栅等)插入到谐振腔内。激光管的结构可为外腔式、半外腔式或内腔式。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是可变波长输出范围宽，只要两条或两条以上气体激光谱线的激光上能级能量相差较大，就可控制这些谱线在一个激光管中不同时间内出现。二是可根据需要，制作不同波段的变色气体激光器，在已有的二千多条气体激光谱线中，制成近红外、可见光到近紫外区，紫外区，红外区的变色气体激光器。三是一个变色气体激光器可作为两个或两个以上输出波长相差较大的气体激光器使用，并且发出的激光束在空间位置完全重合。四是变色气体激光器可以是全部脉冲输出，也可以其中一个波长为连续输出，其它波长为脉冲输出。本发明可在激光信息传输、激光测量、激光全息、激光医疗等领域获得广泛的应用，并将为光子学的发展作出贡献。

图1为本发明的结构示意图；图2为激励电源方框示意图；图3为电容放电式主放电电路图；图4为布鲁姆林电路式主放电电路图；图5为变色氦氖氩激光器的激光能级示意图；图6为变色氦镉激光器的激光能级示意图；图7为变色氩激光器的激光能级示意图。

本发明可采用附图所示的方案实现。本发明可采用图1所示的结构，其中(1)为毛细管，(2)为宽带反射镜，(3)为布儒斯特窗，(4)为阳极，(5)为阴极，(6)为激励电源。本发明结构可采用外腔式或半外腔式，也可以采用内腔式结构，有时可将可调谐元件(如棱镜)插入到激光器谐振腔内，起辅助实现可变波长输出的作用。激光管的形状可为直管型，阴极可为热电子发射型或冷阴极结构，管壳由有硬质玻璃或石英等材料制成。激励电源(6)可有直流输出和脉冲输出，可采用图2所示的电路结构。高压直流电源(7)可采用输出电压可调的高电压直流电源，脉冲输出电源可采用脉冲触发电路(8)和主放电电路(9)构成。脉冲触发电路(8)可采用触发器构成，触发器(10)可采用陶瓷氢闸流管或火花隙。主放电电路(9)可采用图3或图4所示的电路结构，它由电阻、电感和电容构成。图3所示的主放电电路为电容放电电路，由电阻R₁、电容C₁和电感L₁构成。图4所示的主电电路为布鲁姆林电路(Blumlein Circuit)，由电阻R₂、电容C₂和C₃、电感L₂构成。主放电电路输出脉冲重复频率由触发脉冲决定，脉冲幅值主要受直流电源电压调节。