紫外激光器的發(fā)展及應用

高海瑞

（哈爾濱學院物理系，黑龍江 哈爾濱 150086）

紫外激光器的產生源于光電子技術的產生以及發(fā)展，首先從它的原理來說，紫外光波之所以優(yōu)于紅外光波以及可見光波主要是由于紫外激光可以直接破壞連接物質原子組分的化學鍵加工物質而不會破壞周圍環(huán)境。而以準分子激光器和離子激光器為代表的氣體激光器是很多年來運用廣泛對工業(yè)技術具有很大影響的紫外激光。近十年中用激光二極管抽運的固體激光器技術不僅提高了功率，優(yōu)化了模式質量而且使方向穩(wěn)定性更加長期。在一些工業(yè)中符合高重復率的紫外激光器要數(shù)對寬禁帶半導體進行打標的紫外激光器，它避免了對晶片的微創(chuàng)。當然激光二極管抽運的固體激光器還有體積小易操作等多種優(yōu)點。而科學家們更想在性能和體積上優(yōu)化電子設備，所以納米技術無疑成為了最好了選擇。

本文主要介紹紫外激光器的原理以及常用的激光器，紫外激光器的優(yōu)良性能，激光器的發(fā)展以及最新的激光器產品。

1 紫外激光器的原理

除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產生激光的必不可少的條件就是離子數(shù)反轉或者增益大于損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。

激光工作物質是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系，有時也稱為激光增益媒質，它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體等媒質。對激光工作物質的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉，并使這種反轉在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質具有合適的能級結構和躍遷特性。

而我們所說的紫外激光器是按照輸出波段的范圍分類的，主要與紅外激光和可見激光做比較，紅外激光和可見光通?？烤植康募訜崾刮镔|熔化或者氣化的方式來加工，但是這種加熱會使物質周圍遭到破壞因而限制了邊緣強度和產生小精細特征的能力。紫外激光直接破壞連接物質原子組分的化學鍵，這種被稱為“冷”過程的方式不產生對外圍的加熱而是直接將物質分離成原子。

2 激光器的產生及發(fā)展

激光器的發(fā)明是20世紀科學技術的一項重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數(shù)量極大、運動及其混亂的分子和原子的發(fā)光過程，從而獲得產生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。激光科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。

激光器的誕生大致分為幾個階段，從1916年愛因斯坦提出的受激輻射的理論基礎到量子力學的建立為激光器的誕生奠定了有力的科學理論基礎，1960年12月，出生于伊朗的美國科學家賈萬率人終于成功地制造并運轉了全世界第一臺氣體激光器—氦氖激光器。1962年，有三組科學家?guī)缀跬瑫r發(fā)明了半導體激光器。1966年，科學家們又研制成了波長可在一段范圍內連續(xù)調節(jié)的有機染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網的化學激光器等紛紛問世。由于激光器具備的種種突出特點，因而被很快運用于工業(yè)、農業(yè)、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面，并在許多領域引起了革命性的突破。

今后，隨著人類對激光技術的進一步研究和發(fā)展，激光器的性能將進一步提升，成本將進一步降低，但是它的應用范圍卻還將繼續(xù)擴大，并將發(fā)揮出越來越巨大的作用。

3 幾種常見的紫外激光器

多年來紫外激光器的唯一來源是氣體激光器，主要有準分子激光器這種以脈沖方式應用的激光器和離子激光器和氦-鎘激光器以連接方式應用的激光器。我們經?？梢钥吹降暮つ始す馄靼l(fā)出的光束方向性和單色性都很好，多用于全息照相的精密測量和準直定位上。氬離子激光器發(fā)出的藍綠色光正好適用于醫(yī)學的眼科，并且可以進行水下作業(yè)。但是這幾種激光器都有各種各樣的缺點主要表現(xiàn)在設備設別占地面積大可靠性小能耗高設備費用高等地方。

以紅寶石為典型的固體激光器已經開發(fā)出了許多新產品，這些新產品種類多激勵的方式多更方便于應用。固體激光器中常用的還有釔鋁石榴石激光器，它的工作物質是氧化鋁和氧化釔合成的晶體，并摻有氧化銣。激光是由晶體中的釹離子放出，是人眼看不見的紅外光，可以連續(xù)工作，也可以脈沖方式工作。由于這種激光器輸出功率比較大，不僅在軍事上有用，也可廣泛用于工業(yè)上。

現(xiàn)今的激光器中為了適應半導體工業(yè)開發(fā)設計了半導體激光器，這種激光器體積小，使用壽命長，激勵方式簡單，閾值電流低，易于規(guī)?；a。隨著研究的深入和半導體材料和結構的拓展，半導體激光器家族中出現(xiàn)了諸如邊發(fā)射激光器、量子阱激光器、垂直腔表面發(fā)射激光器等等輸出激光性能優(yōu)異的新成員，輸出激光頻率類型在可見光區(qū)域也廣有分布。尤其是垂直腔表面發(fā)射激光器，除了具有單縱模輸出、低閾值電流起振等優(yōu)異特性之外，還具有在生產工藝上大規(guī)模化和陣列化，這樣，半導體激光器也能輸出大功率激光，而且進一步降低半導體激光器的生產成本，利于激光器的普及應用。我們以人們廣泛使用的對寬禁帶半導體進行打標的高重復率紫外激光器為例，這類激光器不僅重復率高而且由于它在傳入晶片過程中穿透窗口層在晶體的保護層產生規(guī)則的表面標記。由此科學家設計了高重復率激光二極管抽運Nd：YVQ4激光器。這種激光器融合了半導體激光器和固體激光器的雙重優(yōu)點，是多年來的研究熱點。

4 最新成果及發(fā)展前景

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學所光化學院重點實驗室姚建年院士課題組開發(fā)了一種吸附劑輔助的物理氣相沉積技術，將色譜用的吸附劑引入氣相沉積體系，從而顯著改善了有機納米材料的結晶性和尺寸均勻性。這種方法已經被證明是一種制備尺寸均勻的有機小分子單晶納米線的普適性的技術。利用該技術，他們制備了一系列有機一維納米材料，并研究了納米材料所表現(xiàn)出的光學特異性 (Chem.Mater.2006,18,2302-2306；Adv.Mater.2007,19,3554-3558；Adv.Mater.2008,20,79-83)。結果表明，所制備的單晶納米線表現(xiàn)出了與塊體材料不同的光學性質，納米線在室溫下就明顯出現(xiàn)了發(fā)射光譜的窄化，為研究納米線的受激發(fā)射行為提供了可能性。因此有機納米材料有望成為下一代微型光電器件的組成單元。

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