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1、Argon Ion Laser 氬離子雷射雷射躍遷發生在氣體離子能級間的雷射稱為離子氣體雷 射。離子雷射是目前在可見光範圍內連續輸出功率最高的 雷射，而氬離子雷射是離子氣體雷射中最具代表性的。雷射的種類很多，若按工作物質的物態特性之不同，可分為固 體、氣體、液體、半導體等幾大類。而氣體雷射根據活性介質的物理 狀態，可以區分為：（1）中性原子，例如惰性氣體、氦氖、銅蒸汽雷 射等。（2）離子雷射，例如氪、氬離子、氦鎘雷射等。 （ 3）分子雷射， 例如氮、二氧化碳、一氧化碳雷射等。雷射躍遷發生在氣體離子能級之間的雷射稱之為離子氣體雷 射。中性原子或分子失去一個或幾個電子後便形成正離子，如果 從外界獲
2、得電子就形成負離子，這些離子一樣有分立的能級，稱 為離子能級。離子雷射一般包括了惰性氣體離子雷射，分子氣體離子雷射 （如 氮離子2+雷射）和金屬蒸汽離子雷射（如 He-Ccf, He-Se+雷射）。目 前最常用的是惰性氣體離子雷射（如 Ar+M離子，心+氪離子雷射）。 原子氣體雷射的輸出波長主要分佈在可見光的紅色光區或近紅外區 光譜範圍，分子氣體雷射的輸出波長主要在中、遠紅外區。 （雖然 H2 和N2雷射的輸出波長也有在紫外區光譜，但它們只能脈衝工作）。離 子氣體雷射的輸出波長的範圍很寬，從紫外一直到近紅外，但大多數 落在可見光範圍。氬離子雷射是離子化的原子參與振盪，1964年休斯研究所的 W
3、BBridges用Ar+實現綠色到紫色的可視領域振盪。在成為離子的 狀態，在其激起能階間運作的雷射稱為離子雷射。在離子雷射問世的時期，以惰性氣體為雷射媒質，嚐試各種雷射 振盪，確認多種振盪線，但目前常用的離子雷射只有Ar和Kr。氬離子雷射用純氬氣為雷射媒質，在可視光雷射中，輸出最大，以藍色、 綠色為中心的數條同時振盪，應用也廣。而氬氣是空氣中含量最多的 稀有氣體(鈍氣)，乃不易離子化的安定氣體。二、氬離子雷射的振盪原理3 /s圖一氬離子雷射能級圖直流(CW)放電型氬離子雷射往上能階的激起過程是基態的氬原 子與有高能量的電子衝撞，經基態氬離子以2階段進行。第1階段的電子衝撞會從基階Ar(3p6)
4、上升到能階Ar+(3p54s)，再受第2次電 子衝撞，激起到上能階Ar+(3p44p);當從上能階A叶(3p44p)躍遷到下 能階A叶(3p44s)之際，放射藍色光。此上能階的生成需要強烈電將狀 態，為維持電漿，需要大直流電流。放電電流更高的話，會激起二價 氬離子(Ar2+)，得近紫外區的連續振盪線。在氣體放電中，通過電子碰撞激發3p44p能級組的基本過程主要 有三個：二步激發過程，一步直接激發過程和串級躍遷。l .二步激發過程電子與氬原子碰撞先形成處於基態的氬離子A叶(3p5);然後接著第二步，A叶(3p5)與電子再碰撞激發至A叶(3p44p)，即：65e* + Ar(3p ) A叶(3p
5、) + 2e64e* + Ar(3p ) A叶(3p 4p) + e上面(A叶)*表示處於激發態的氬離子；e*表示快速運動電子，e 表示慢速運動電子。根據這種二步激發過程，單位體積內單位時間產 生激發態的離子數目N與放電電流密度的平方成正比：N 二 ne2 二 j2這表示單位體積輸出功率將正比於放電電流的平方。這一關係在很寬的雷射氣壓和電流密度範圍內是存在的，也就是說，在連續工作 的氬離子雷射中，上雷射能級主要靠二步激發。2.一步激發過程：電子與氬原子發生非彈性碰撞，直接形成激發態的氬離子，即：64e* + Ar(3p ) (A叶)*(3p4p) + 2e一步激發到A叶的受激態3p44p中去，
6、3p44p是一個有多重能級微 結構的能級，但各個支能級的激發截面分佈，以巾3/2能級(對應於4765 埃的雷射上能級)的截面最大，也就是說，倘若一步激發過程占主要的，那麼4765埃的雷射強度最大。根據脈衝激發的氬離子雷射輸出 功率按波長的分佈表明確實如此。利用直接一次碰撞方法把氫原子激發到離子激發態，要求電子的 能量很高，大約為36eV,而二步激發的話，則要求電子的能量低得 多，一般只需16到20eV即可。三、氬離子雷射的結構往輸出控制電路1狀板 雷射輸岀= 备Imt输岀.部反射兽回韻路m0形環分東器 光圈遮廠蓋-氧 ft (BeO)管 螺管(水冷)(水冷式) L陰極引線-Brewster 窗
7、反射部反射鏡 基準板陽極Brewste板圖二氬離子雷射的結構1.細管部的材質細管部材質的選定為決定性能的關鍵，細管部材質要求下列特 性：(1) 耐熱性耐離子衝擊性優秀。(2) 熱傳導性優秀。(3) 可得細管部筆直性優秀的材質，容易加工。(4) 易與金屬等接著。（5）高溫絕緣性優秀。滿足這些條件的材質之一為 BeO管。此外，也把中央部開孔的石 墨或鎢作成圓盤狀，分別絕緣而重合，封入石英等外圍器。石墨圓盤 不耐離子衝擊，內徑部份被切削發生粉塵，附著 Brewster 窗內面， 導致輸出下降，最近圓盤型材質用鎢、 AIN（氮化鋁）。mV級空冷型 可用BeO管, W級水冷型用BeO鎢、AIN。2須強制
8、冷卻細管部成高溫，故須冷卻，mW級用風扇強制空冷，W級用水冷。 空冷型的主流是把反射鏡直接封著於兩端，調整光軸的內部反射鏡 型。此時，不只冷卻，為維持反射鏡的平行度，散熱片的形狀、送風 方向須設計成BeO管不發生溫度梯度。水冷型因須施加管軸方向磁 場，所以兼用螺管磁鐵的圓筒，在其與電漿管之間通水，直接水冷。3氣體回流路在細管部兩端藉高電流密度放電，產生封入氣體的壓力差。這是 由於高密度離子流把氬氣推往陰極部，對策是在放電路外另設回流 路，使壓力均勻化。4磁鐵在細管電漿部沿管軸方向絕加直流磁場 （最大 1000高斯） ，可使 輸出增大60100%原因是磁場減輕電子往管壁的擴散損失，電子 密度更高
9、。此效果也可防止內管壁損傷。5氣體補給手段氬氣會漸被管內壁吸水而減少 ，此現象起因於氬氣的封入壓力低 及高電流密度放電。此吸著現象因細管部材質而發生差異，在 BeO較 少，在用石墨的電漿管特別顯著，為長時間維持安定的雷射輸出，都 需要補給氣體 。方法是在放電管安裝氣箱和洩漏閥組成的補給器或大 容積貯氣槽，便管內壓力保持一定。四、氬離子雷射的構成氬雷射的輸出取決於放電電流，軸向磁場、氬氣壓三參數，所以 電源部由可高精度控制這些參數的電路構成氬雷射的輸出大致正比 於放電電流的平方。此特性可使輸出安定化，可任意設定輸出級值。 以受光元件檢知輸出的一部份而回饋，即可控制放電電流而高安定 化。利用回饋的
10、輸出安定化可補償所有輸出下降要因 （ 反射鏡平行度 的偏差、管軸偏差、 Brewster 、反射鏡的光學損失等 ） ，所以短時間 內的輸出變動率在氣體雷射中有最優秀的特性。對線圈供給直流電流而施加磁場。氬氣壓有以氣壓感測器檢測， 關閉電磁閥而補給的方法、用大容積貯氣槽進行的方法。前者用於石 墨系，後者用於BcO管。大容積貯氣槽不需控制電路，可簡化電源部。 另內藏保護電路應付水壓不足、電漿管電流過大、半導體元件超氣、 過熱等。共振器是把雷射管、稜鏡、標準量具等光學零件、雷射反射鏡固 定於光軸上，在振動、周圍溫度變化時，恆可維持光軸與反射鏡的平 行度。反射鏡的平行度變化 10 等，會停止振盪。構成
11、共振器的支持 桿用熱膨脹係數小的恆範鋼(invar)或結晶化玻璃等。通常組合3支 支持桿和二金屬配件而剛體化，雷射管、稜鏡、標準量具等光學零件 固定其上。Ar離子是多振盪線同時振盪，需要波長選擇用元件，通 常用稜鏡選擇波長，改變稜鏡斜度而選擇。五、氬離子雷射的輸出特性氬離子雷射對電流的輸出特性無 人+的3p44p能階飽和現象，3p44s 能階的壽命很短，無He-Ne雷射那種電流最適值，增大放電電流可增 大雷射輸出，約正比於放電電流I4次方(I 4)而增加。出自普通放電 管的自然光正此於放電電流的平方(I 2)而增加。圖三氬離子雷射輸出放電電流特性氬離子雷射在可視光雷射中可得最大輸出，但供給電源
12、的電力也 很大，振盪效率只約0.1%氬離子雷射的光共振器若用波長帶寬的反射鏡，同時可得約十條振盪線。圖四氬離子雷射的振盪線與相對輸出相對輸出W空冷內部反射鏡型Ar雷射不用稜鏡，利用反射鏡的分光透過特 性，可行488nm的單色振盪，但增高電流會成為多色振盪，故須在低 電流值範圍內使用。而水冷式的氬離子雷射若要從很多振盪線中只以 一條必要的振盪線振盪，則利用在光共振器內側裝用波長選擇用稜 鏡。如圖五所示，在稜鏡的折射方向因波長而異，調整成只其一波長 以反射鏡返回光路，則只以一波長振盪。48S mt；圖五氬離子雷射的波長選擇六、氬離子雷射的應用1、高速雷射束印表機用光源雷射印表機是依據記錄於數位 f
13、rame 記憶體的文字等信息 ，調變 雷射束強度，以多面鏡將它反射拂掠後，通過 f B透鏡，使雷射束在 感光圓筒表面等速度運動。感光圓筒是事先藉電暈放電，在其表面累 積+的靜電荷。在感光面上，雷射束照射處有 +電荷移動而成無電荷， 其餘的 +電荷分佈形成潛像。現像法是使帶 +電的調色劑附著無電荷 部，由有負電荷的紙接近它，以靜電引力轉印像。調色劑藉加熱定著 於紙。用高速印字用Se的感光圓筒對紫外500nr有高感度，所以 用藍、綠色雷射光（He-Cd或Ar雷射）為光源。個人電腦用印表機之 類中速印字是用對紅光增感的 Se等，以紅色半導體雷射感光。2、醫療用途氬離子雷射發射出連續的可見光雷射 。有
14、紅藍綠黃多種顏色的譜 線。它的輸出功率最大可達 20 瓦特左右，在醫療止血、癌症的 HpD 螢光診斷、整容、細胞析出等方面有重要的應用。氬離子雷射的光很容易地被血蛋白所吸收 （ 見圖六） 。因此 它們具有良好的止血作用。氬離子雷射除了可以做表皮止血外，亦可 經光纖傳導，配合內視鏡，伸入內臟 （加胃）止血。事實上，它最重要 的止血用途在於眼底網膜止血。因為其波長在可見光範圍內，所以可 穿透角膜、水晶體等射達網膜。又因水晶體是一個透鏡正好可以把雷 射光聚焦到網膜上。在進行手術時，先以光闌擋住大部份雷射光，藉 透過光闌小孔之微弱雷射光來瞄準病灶。對準後即可瞬間打通光闌， 讓雷射全部通過，照射病灶以止
15、血。圖六不同雷射之波長和吸收之關係至於整容，主要在於清除血管腫瘤及去除紋身。雷射所發出之青 色及綠色光，易為紅色的血紅素所吸收，而轉變成熱能，以融合並封 閉血管。此外，雷射光（尤其氬離子雷射）可以透過表皮，為下表皮之 紋身的色素所吸收，使色素因高溫而氣化除去紋身。此法較之傳統法 快捷而無疤痕，非常有效。3、偵檢紙張上潛伏指紋利用雷射輔助偵檢潛伏指紋之技術發展已近十年（始於1976年），從單純以雷射激發指紋中維生素B2、B6產生螢光，到利用粉末法加強潛伏指紋螢光強度及配合瞬間接著劑之應用，及利用液體法如 Dansyl-CI ， Ninhydrin/ZnCI 2及NBD-CI與胺基酸反應產生螢光。七、參考書目1、林三寶編著，雷射原理與應用，台北市，全友書局， 78年三版2、蘇品書編著，雷射原理與實用技術，台南市，復漢出版社， 82年 八月初版3、丁勝懋編著，雷射工程導論，台北市，中央圖書出版社，82年九83 年十月初版月三版4、賴耿陽編著，雷射光工學，台南市，復文出版社，
