紫外激光器的發(fā)展及應(yīng)用

譚威

紫外激光器的產(chǎn)生源于光電子技術(shù)的產(chǎn)生以及發(fā)展， 首先從它的原理來(lái)說(shuō)， 紫外光波之所以優(yōu)于紅外光波以及可見(jiàn)光波主要是由于紫外激光可以直接破壞連接物質(zhì)原子組分的化學(xué)鍵加工物質(zhì)而不會(huì)破壞周圍環(huán)境。而以準(zhǔn)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(lái)運(yùn)用廣泛對(duì)工業(yè)技術(shù)具有很大影響的紫外激光。近十年中用激光二極管抽運(yùn)的固體激光器技術(shù)不僅提高了功率， 優(yōu)化了模式質(zhì)量而且使方向穩(wěn)定性更加長(zhǎng)期。在一些工業(yè)中符合高重復(fù)率的紫外激光器要數(shù)對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體進(jìn)行打標(biāo)的紫外激光器， 它避免了對(duì)晶片的微創(chuàng)。當(dāng)然激光二極管抽運(yùn)的固體激光器還有體積小易操作等多種優(yōu)點(diǎn)。而科學(xué)家們更想在性能和體積上優(yōu)化電子設(shè)備， 所以納米技術(shù)無(wú)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(chǎn)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(chǎn)生激光的必不可少的條件就是離子數(shù)反轉(zhuǎn)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(lì)（或抽運(yùn)） 源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)， 為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。

激光工作物質(zhì)是指用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系， 有時(shí)也稱為激光增益媒質(zhì)， 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(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對(duì)激光工作物質(zhì)的主要要求， 是盡可能在其工作粒子的特定能級(jí)間實(shí)現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 并使這種反轉(zhuǎn)在整個(gè)激光發(fā)射作用過(guò)程中盡可能有效地保持下去; 為此， 要求工作物質(zhì)具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性。

而我們所說(shuō)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(jiàn)激光做比較， 紅外激光和可見(jiàn)光通?？烤植康募訜崾刮镔|(zhì)熔化或者氣化的方式來(lái)加工， 但是這種加熱會(huì)使物質(zhì)周圍遭到破壞因而限制了邊緣強(qiáng)度和產(chǎn)生小精細(xì)特征的能力。紫外激光直接破壞連接物質(zhì)原子組分的化學(xué)鍵， 這種被稱為“冷”過(guò)程的方式不產(chǎn)生對(duì)外圍的加熱而是直接將物質(zhì)分離成原子。

2、激光器的產(chǎn)生及發(fā)展

激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)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(yùn)動(dòng)及其混亂的分子和原子的發(fā)光過(guò)程， 從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線、可見(jiàn)光線和紫外線（以至X 射線和γ射線） 的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。

激光器的誕生大致分為幾個(gè)階段， 從1916年愛(ài)因斯坦提出的受激輻射的理論基礎(chǔ)到量子力學(xué)的建立為激光器的誕生奠定了有力的科學(xué)理論基礎(chǔ)，1960年12月， 出生于伊朗的美國(guó)科學(xué)家賈萬(wàn)率人終于成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了全世界第一臺(tái)氣體激光器—氦氖激光器。1962年， 有三組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。1966年， 科學(xué)家們又研制成了波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)染料激光器。此外， 還有輸出能量大、功率高， 而且不依賴電網(wǎng)的化學(xué)激光器等紛紛問(wèn)世。由于激光器具備的種種突出特點(diǎn)， 因而被很快運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測(cè)量和探測(cè)、通訊與信息處理、醫(yī)療、軍事等各方面， 并在許多領(lǐng)域引起了革命性的突破。

今后， 隨著人類對(duì)激光技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展， 激光器的性能將進(jìn)一步提升， 成本將進(jìn)一步降低， 但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)擴(kuò)大， 并將發(fā)揮出越來(lái)越巨大的作用。

3、最新成果及發(fā)展前景

在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下， 化學(xué)所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚建年院士課題組開(kāi)發(fā)了一種吸附劑輔助的物理氣相沉積技術(shù)， 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(jī)納米材料的結(jié)晶性和尺寸均勻性。這種方法已經(jīng)被證明是一種制備尺寸均勻的有機(jī)小分子單晶納米線的普適性的技術(shù)。利用該技術(shù)， 他們制備了一系列有機(jī)一維納米材料， 并研究了納米材料所表現(xiàn)出的光學(xué)特異（Chem.Mater.2006，18，2302-2306;Adv.Mater.2007，19， 3554-3558;Adv.Mater.2008，20，79-83） 。結(jié)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(xué)性質(zhì)， 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。