CN110890688A - 一种利用Kr-Xe混合气体产生激光的激光器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括一种产生激光的Kr‑Xe混合气体以及以Kr‑Xe混合气体作为激光增益介质产生激光的方法和激光器，其工作介质为Kr和Xe混合气体。Kr‑Xe激光器的工作方式为：放电产生大量的Kr的亚稳态5s[3/2]2原子，通过Kr的5s[3/2]2原子和基态的Xe原子碰撞传能，产生大量的Xe的6p[1/2]0，5d[1/2]1，6p[3/2]2和6p[3/2]1原子。而此时Xe的一些低激发能级的布居数接近0，所以很容易产生以6p[1/2]0，5d[1/2]1，6p[3/2]2和6p[3/2]1原子为上能级，低激发能级为下能级的粒子数反转，通过使用不同的谐振腔能够实现的不同波长的激光输出。

Description

一种利用Kr-Xe混合气体产生激光的激光器和方法
技术领域
本发明涉及一种产生激光的Kr-Xe混合气体，以及采用Kr-Xe混合气体作为介质产生激光的新方法和激光器，属于气体激光技术领域。
背景技术
自从1960年，梅曼等人做出世界上第一台红宝石激光器之后，激光的研究受到了广泛的关注。到目前为止，已经发展出了多种体系的激光器，诸如：He-Ne激光器，准分子激光器，CO2激光器，Nd:YAG激光器等等。激光器的波长从紫外到红外都有覆盖。激光器的应用遍布于通讯、医疗、工业、计算机、材料、科研等众多领域。
激光技术发展至今，发展激光新体系仍然是一个热门的课题，这是因为不同波长的激光器在各个领域都有非常重要的应用，所以人们致力于寻找各种波长的新型激光体系。紫外激光在激光刻蚀领域有着不可或缺的作用，因为光的衍射极限的限制，为了实现在较小的芯片上刻蚀尽量多的晶体管，刻蚀所采用的激光必须采用尽量短的波长；近红外激光在医疗领域是一种非常重要的手术刀和止血手段，因为近红外激光具有一定的热效应，因此采用这种波长的激光作为手术刀可以准确快速地切除肿瘤和坏死的组织；中红外激光在工业和国防领域有着重要的应用，因为中红外的热效应非常强，所以在工业切割和焊接领域发挥着重要的应用，同时3-5μm中红外是一种重要的大气窗口，做出该波段高功率的中红外激光器在国防领域意义重大。
如果能发展一种可以输出多种波长的激光新体系，那么这种激光体系必定非常实用。我们常见的商业Nd:YAG激光器能够输出三种波长(355nm；532nm；1064nm)，它采用的手段是倍频和合频，这种方式必然会导致一定的能量损失。
发明内容
本发明提供了产生激光的Kr-Xe混合气体，以及以Kr-Xe混合气体作为增益介质产生激光的激光器和方法，通过选择不同的谐振腔输出不同波长的激光，在实际的操作中仅仅只需要更换谐振腔的输出耦合镜就可以实现不同波长的激光输出，而且输出波长从近红外到中红外都有覆盖。
本发明一方面提供了一种产生激光的混合气体，所述的混合气体为Kr和Xe的混合气体。
根据以上的技术方案，作为优选，混合气体采用较多的Kr和较少的Xe，混合气体的总压强为0.5–500Torr，pKr:pXe的范围为4:1–15:1。
另一方面，本发明提供了一种以Kr-Xe混合气体作为增益介质的气体激光器，所述激光器包括盛装混合气体的池子、放电装置和光学谐振腔。
根据上述技术方案，作为优选，所述的光学谐振腔包括：输出耦合镜、激光增益介质和反射镜，激光增益介质置于输出耦合镜和反射镜之间。
根据上述技术方案，作为优选，放电装置包括阳极和阴极，所述的阳极和阴极放置于盛装混合气体的池子里，在阳极和阴极之间加电压，对池子里面的混合气体放电产生有效的激光增益介质，放电电压为500–5000V，电流为1–100mA，输出耦合镜、增益介质和反射镜构成激光谐振腔，光能够在这个谐振腔里面不断放大，最后输出激光。
根据上述的技术方案，通过选择不同镀膜的输出耦合镜和反射镜，能选择不同的波长输出。
再一方面，本发明提供了一种利用Kr和Xe的混合气体作为增益介质产生激光的方法，产生激光的能量来源为放电。
根据以上的技术方案，如图1所示，本发明的运行机理为：放电激发基态Kr到各个高激发能级，因为Kr的5s[3/2]2能级既是第一激发能级，同时它向基态的跃迁又是电耦极距选择定则禁阻的。所以5s[3/2]2能级的爱因斯坦系数极其小，同时碰撞弛豫的效率也非常弱，因此其寿命非常长，有数十秒之长。而Kr的高激发能级的寿命都非常短，通常都是纳秒级别的寿命，因此在放电之后，大量的亚稳态Kr(5s[3/2]2)原子就会产生。而Kr(5s[3/2]2)原子的能级能量和Xe的一些高激发态的能级能量非常接近，所以Kr(5s[3/2]2)原子能通过碰撞传能的方式将能量传递给基态Xe原子，从而产生大量的Xe的高激发态原子，同时Xe的低激发态上的布居数接近0，这样就会在Xe的高激发态和低激发态之间形成粒子数反转，最终产生多种波长的激光输出。根据以前的研究基础，我们发现Kr的5s[3/2]2能级可以和很多Xe的能级发生能量转移，包括Xe的6p[1/2]0，5d[1/2]1，6p[3/2]2和6p[3/2]1能级。
第一种能量转移的方式为5s[3/2]2(Kr)→5d[1/2]1，Kr的5s[3/2]2能级和Xe的5d[1/2]1能级的能级差仅仅只有14.9cm-1，因此这种的碰撞弛豫是一种近共振传能。在以前的工作中，我们通过双光子激发基态Xe到6p[1/2]0能级，发现在较高的激发功率下可以诱发3408nm(6p[1/2]0-6s’[1/2]1)的ASE，而如果在体系中充入Kr作为缓冲气体，发现Kr具有ASE峰转移效应：3408nm的ASE渐渐减弱，3680nm(5d[1/2]1-6p[1/2]1)的ASE出现并且渐渐增强。基于速率方程，我们发现在Kr作为缓冲气体的条件下，6p[1/2]0→5d[1/2]1的能量转移的过程是通过Kr的亚稳态能级5s[3/2]2能级作为中间态来完成的，这说明5s[3/2]2(Kr)→5d[1/2]1转移的概率非常高。第二种能量转移的方式是5s[3/2]2(Kr)→6p[1/2]0，两个能级的能级差也比较小只有147.2cm-1，虽然在前期的工作中，我们并没有直接的证据证明这个能量转移过程的趋势比较大，但是如此小的能级差应该比较容易通过近共振传能完成。第三种、第四种能量转移的方式为5s[3/2]2(Kr)→6p[3/2]2，6p[3/2]1，虽然这两种能量转移的能级差分别为759.3cm-1和1015.7cm-1，但是我们发现在Kr作为缓冲气体的条件下，这两个能级的标志性荧光823nm(6p[3/2]2-6s[3/2]2)和916nm(6p[3/2]1-6s[3/2]1)随着Kr的充入都显著增强(He S.Guo J.et al.J.Phys.Chem.A 2018,122,5361-5369.DOI:10.1021/acs.jpca.8b03238)。因此5s[3/2]2(Kr)→6p[3/2]2，6p[3/2]1的趋势也必然比较强。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)利用一种全新的激光增益介质：Kr-Xe混合气体来产生激光；(2)新颖的激光产生机理，在放电产生大量Kr的5s[3/2]2原子之后，通过Kr(5s[3/2]2)和基态Xe碰撞能够产生大量Xe的6p[1/2]0，5d[1/2]1，6p[3/2]2和6p[3/2]1原子，而6p[1/2]1，6s[3/2]1和6s[3/2]2等低激发能级的布居接近于0，所以非常容易在形成粒子数反转，通过不同的谐振腔可以选择性地输出某种波长的激光；(3)通过这一种激光增益介质能输出多种谱线的激光，这些波长包括：828nm(6p[1/2]0-6s[3/2]1)，3408nm(6p[1/2]0-6s’[1/2]1)，3680nm(5d[1/2]1-6p[1/2]1)，823nm(6p[3/2]2-6s[3/2]2)，895nm(6p[3/2]2-6s[3/2]1)，841nm(6p[3/2]1-6s[3/2]2)和916nm(6p[3/2]1-6s[3/2]1)。
附图说明
图1是Kr-Xe产生激光的能级图，1表示放电激发，2表示碰撞弛豫，3表示波长为828nm(6p[1/2]0-6s[3/2]1)的激光输出，4表示波长为3408nm(6p[1/2]0-6s’[1/2]1)的激光输出，5表示波长为823nm(6p[3/2]2-6s[3/2]2)的激光输出，6表示波长为895nm(6p[3/2]2-6s[3/2]1)的激光输出，7表示波长为916nm(6p[3/2]1-6s[3/2]1)的激光输出，8表示波长为841nm(6p[3/2]1-6s[3/2]2)的激光输出，9表示波长为3680nm(5d[1/2]1-6p[1/2]1)的激光输出。
图2为外腔式的Kr-Xe激光器，1代表阳极，2代表阴极，3为布氏窗，4为输出耦合镜，5是平凹全反镜，6为输出的激光。
图3为内腔式的Kr-Xe激光器。1代表阳极，2代表阴极，3为输出耦合镜，4是平凹全反镜，5是输出激光的。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用外腔式的激光器实施，如图2所示，其中电极1和电极2组成的有效放电区域为是30cm，两个电极之间的距离为3cm，其中电极之间的电压的调节范围为100-5000V，盛装混合气体的池子是带有两个布氏窗的不锈钢管，不锈钢管上带有刀口，在刀口上放置无氧铜O圈，然后采用焊接有布氏窗的法兰挤压O圈，采用这样的方式对池子进行密封。首先对平行板电容器加电压，对混合气体用500V的电压进行放电，放电的电流为3.1mA，混合气体的总压强为0.8Torr，pKr:pXe＝4，采用500V的放电电压，电流为3.1mA，输出耦合镜4和平凹全反镜5之间的距离为50cm，平凹全反镜5的曲率为80cm，混合气体放电会产生大量的亚稳态Kr(5s[3/2]2)原子，然后通过近共振传能获得大量的Xe高激发态原子，这时Xe的高激发态和低激发态之间形成粒子数反转，这样放电区域也就变成了激光增益区域，激光增益区域和布氏窗3、输出耦合镜4以及平凹全反镜5之间形成谐振腔，输出激光，在耦合镜上镀不同的膜可以输出不同波长的激光。
采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@3680nm，能输出波长为3680nm、功率为14.1mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@3408nm，能输出波长为3408nm、功率为1.5mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@828nm，能输出波长为828nm、功率为0.5mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@823nm，能输出波长为823nm、功率为4.1mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@895nm，能输出波长为895nm、功率为0.4mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@841nm，能输出波长为841nm、功率为0.3mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为3％@916nm，能输出波长为916nm、功率为4.0mW的激光。
实施例2
采用外腔式的激光器实施，如图2所示。实施的条件为：混合气体总压强500Torr，pKr:pXe＝15，采用5000V的放电电压，电流为100mA，输出耦合镜4和平凹全反镜5之间的距离为40cm，平凹全反镜5的曲率为80cm，其他步骤参考实施例1，具体得到的结果如下：
采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@3680nm，能输出波长为3680nm、功率为70.2mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@3408nm，能输出波长为3408nm、功率为7.0mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@828nm，能输出波长为828nm、功率为1.5mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@823nm，能输出波长为823nm、功率为18.4mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@895nm，能输出波长为895nm、功率为1.3mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@841nm，能输出波长为841nm、功率为1.3mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为5％@916nm，能输出波长为916nm、功率为9.7mW的激光。
实施例3
采用外腔式激光器实施，如图2所示。实施条件为：混合气体总压强50Torr，pKr:pXe＝9，采用1800V的放电电压，电流为8.2mA，输出耦合镜4和平凹全反镜5之间的距离为40cm，平凹全反镜的曲率为100cm，其他步骤参考实施例1，得到的结果如下：
采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@3680nm，能输出波长为3408nm、功率为21.2mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@3408nm，能输出波长为3408nm、功率为2.4mW的激光；采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@828nm，能输出波长为828nm、功率为0.9mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@823nm，能输出波长为823nm、功率为6.7mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@895nm，能输出波长为895nm、功率为1.7mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@841nm，能输出波长为841nm、功率为1.9mW的激光；如果采用的输出耦合镜的输出耦合率为2％@916nm，能输出波长为916nm、功率为6.3mW的激光。
实施例4
采用的内腔式的激光腔体，如图3所示，激光腔体是石英玻璃材质的，输出耦合镜3和平凹全反镜4都焊接在腔体上。因为这种方式更换输出耦合镜3和平凹全反镜4非常困难，所以以下的实施例都采用曲率为80cm的平凹全反镜5和输出耦合率为3％@3680nm的输出耦合镜，输出3680nm的激光。
这种激光腔体的工作步骤为：首先在阳极1和阴极2之间加5000V的高压作为击穿电压，将1和2之间的区域击穿，这样就使得池子中在1和2之间的区域电离。然后再加上稳定电压获得亚稳态的Kr(5s[3/2]2)原子。池中的击穿区域就是激光增益区域，增益区域为30cm。在全反镜4、增益区域以及输出耦合镜3之间形成谐振腔，输出激光。
混合气体总压强为1.0Torr，pKr:pXe＝5，稳定电压为800V，电流为2.5mA，输出耦合镜4和平凹全反镜5之间的距离为50cm，能输出10.1mW的激光。
实施例5
采用的内腔式的谐振腔，如图3所示，改变混合气体总压强为100Torr，pKr:pXe＝7，采用1500V的放电电压，电流为4.7mA，输出耦合镜4和平凹全反镜5之间的距离为60cm，具体步骤参考实施例4，输出33.1mW的激光。
实施例6
采用内腔式的谐振腔，如图3所示，改变混合气体的总压强为10Torr，pKr:pXe＝10，采用1600V的放电电压，电流为5.5mA，输出耦合镜4和平凹全反镜5之间的距离为40cm，具体步骤参考实施例4，输出21.3mW的激光。

Claims (8)

1.一种产生激光的混合气体，其特征在于所述混合气体为氪气和氙气的混合气体。
2.根据权利要求1所述的产生激光的混合气体，其特征在于所述的混合气体的总压强为0.5–500Torr，pKr:pXe的范围为4:1–15:1。
3.一种气体激光器，包括放电装置和光学谐振腔，其特征在于所述的光学谐振腔内的激光增益介质为Kr和Xe的混合气体。
4.根据权利要求3所述的气体激光器，其特征在于所述的放电装置包括阳极和阴极，放电电压为500–5000V，电流为1–100mA。
5.根据权利要求3所述的气体激光器，其特征在于所述的光学谐振腔包括输出耦合镜、激光增益介质和反射镜，激光增益介质设置在输出耦合镜和反射镜之间。
6.根据权利要求5所述的气体激光器，其特征在于选择不同镀膜的输出耦合镜和反射镜来选择不同的波长输出。
7.一种利用Kr-Xe混合气体产生激光的方法，其特征在于，激光增益介质为氪气和氙气的混合气体，产生激光的能量来源为放电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于放电产生大量的Kr的亚稳态5s[3/2]2原子，这些5s[3/2]2原子和基态Xe原子碰撞传能可以产生大量的Xe的6p[1/2]0，5d[1/2]1，6p[3/2]2和6p[3/2]1原子，6p[1/2]0，5d[1/2]1，6p[3/2]2和6p[3/2]1能级和Xe的低激发能级之间形成粒子数反转，所以能产生以这些能级为上能级的多种激光输出，优选包括：828nm(6p[1/2]0-6s[3/2]1)、3408nm(6p[1/2]0-6s’[1/2]1)、3680nm(5d[1/2]1-6p[1/2]1)、823nm(6p[3/2]2-6s[3/2]2)、895nm(6p[3/2]2-6s[3/2]1)、841nm(6p[3/2]1-6s[3/2]2)和916nm(6p[3/2]1-6s[3/2]1)。
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