各種典型激光器原理全ppt課件

1、激光器原理與技運(yùn)用激光器原理與技運(yùn)用第三章 典型激光器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器 第三節(jié)第三節(jié) 固體激光器固體激光器第四節(jié)第四節(jié) 染料激光器染料激光器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、一、 激光器的根本構(gòu)造激光器的根本構(gòu)造 激光器的根本構(gòu)造由任務(wù)物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔激光器的根本構(gòu)造由任務(wù)物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成。三部分構(gòu)成。激光器的根本構(gòu)造n任務(wù)物質(zhì)是激光器的中心,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。n泵浦源為在任務(wù)物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。任務(wù)物質(zhì)類型不同,采用的泵浦方式不同。n光學(xué)諧振腔那么為激光振蕩的建立提供正反

2、響,同時(shí),諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n二、分類及輸出特性二、分類及輸出特性n激光器種類繁多激光器種類繁多,習(xí)慣上主要按照以下兩種方式習(xí)慣上主要按照以下兩種方式劃分劃分:一種是任務(wù)物質(zhì)一種是任務(wù)物質(zhì),另一種是按照激光器任務(wù)方另一種是按照激光器任務(wù)方式。式。n1 按照激光任務(wù)物質(zhì)按照激光任務(wù)物質(zhì)n1 氣體激光器氣體激光器n氣體和金屬蒸氣作為任務(wù)物質(zhì)。氣體和金屬蒸氣作為任務(wù)物質(zhì)。n根據(jù)氣體任務(wù)物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離根據(jù)氣體任務(wù)物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離子子,又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光又可將氣體激光器分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。器

3、和離子激光器。n n 原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原原子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體原子子,激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。激光躍遷發(fā)生在氣體原子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體采用的氣體主要是氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光和鎘、銅、錳、鋅、鉛等金屬原子蒸氣。原子激光器的典型代表是器的典型代表是He-Ne激光器。激光器。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子分子激光器中產(chǎn)生激光作用的是未電離的氣體分子,激光躍遷發(fā)激光躍遷發(fā)生在氣體分子不同的振生在氣體分子不同的振-轉(zhuǎn)

4、能級(jí)之間。采用的氣體主要有轉(zhuǎn)能級(jí)之間。采用的氣體主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子氣體。分子激光器的等分子氣體。分子激光器的典型代表是典型代表是CO2 激光器。激光器。n準(zhǔn)分子激光器。所謂準(zhǔn)分子準(zhǔn)分子激光器。所謂準(zhǔn)分子,是一種在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)是一種在基態(tài)離解為原子而在激發(fā)態(tài)暫時(shí)結(jié)合成分子態(tài)暫時(shí)結(jié)合成分子(壽命很短壽命很短)的不穩(wěn)定締合物的不穩(wěn)定締合物,激光躍遷產(chǎn)生于激光躍遷產(chǎn)生于其束縛態(tài)和自在態(tài)之間。采用的準(zhǔn)分子氣體主要有其束縛態(tài)和自在態(tài)之間。采用的準(zhǔn)分子氣體主要有XeF* 、KrF* 、ArF* 、XeCl* 、XeBr* 等。其典型代表為等。其典型代表為X

5、eF* 準(zhǔn)準(zhǔn)分子激光器。分子激光器。n離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子離子激光器中產(chǎn)生激光作用的是已電離的氣體離子,激光躍遷發(fā)激光躍遷發(fā)生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性生在氣體離子的不同激發(fā)態(tài)之間。采用的離子氣體主要有惰性氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸氣離子三類。其典型代表為氣體離子、分子氣體離子和金屬蒸氣離子三類。其典型代表為Ar+ 激光器。激光器。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n 鼓勵(lì)方式n 氣體激光器普通采用氣體放電鼓勵(lì),還可以采用電子束鼓勵(lì)、熱鼓勵(lì)、化學(xué)反響鼓勵(lì)等方式。n 波長(zhǎng)范圍：n 氣體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于真空紫外遠(yuǎn)紅外波段n 特點(diǎn)：n激光譜線上萬(wàn)條

6、,具有輸出光束質(zhì)量高(方向性及單色性好)、延續(xù)輸出功率大(如CO2 激光器)等輸出特性,其器件構(gòu)造簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n運(yùn)用運(yùn)用n 氣體激光器廣泛運(yùn)用于工農(nóng)業(yè)消費(fèi)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)氣體激光器廣泛運(yùn)用于工農(nóng)業(yè)消費(fèi)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域域,如計(jì)量、資料加工、激光醫(yī)療、激光通訊、能源等方面。如計(jì)量、資料加工、激光醫(yī)療、激光通訊、能源等方面。n 1961年年,第一臺(tái)氣體激光器第一臺(tái)氣體激光器He-Ne激光器問(wèn)世。激光器問(wèn)世。n2)固體激光器固體激光器n固體激光器以固體激光介質(zhì)作為任務(wù)物質(zhì)。固體激光器以固體激光介質(zhì)作為任務(wù)物質(zhì)。n固體任務(wù)物質(zhì)通常是在基質(zhì)資料固體任務(wù)物質(zhì)通常是在基

7、質(zhì)資料,如晶體或玻璃中摻入少量的如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子金屬離子(稱為激活離子稱為激活離子),激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同任務(wù)能激光躍遷發(fā)生在激活離子的不同任務(wù)能級(jí)之間。用作激活離子的元素可分為四類級(jí)之間。用作激活離子的元素可分為四類:n三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和錒系三價(jià)稀土金屬離子、二價(jià)稀土金屬離子、過(guò)渡金屬離子和錒系金屬離子。金屬離子。n固體激光器的典型代表是紅寶石固體激光器的典型代表是紅寶石(Cr3+:Al2O3 )激光器、摻釹激光器、摻釹釔鋁石榴石釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍(lán)寶石激光器、釹玻璃激光器和摻鈦藍(lán)寶石(Ti 3+:

8、Al2 O3 )激光器。激光器。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n固體激光器多采用光泵浦,泵浦光源主要有閃光燈和半導(dǎo)體激光二極管兩類。n固體激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍主要位于可見(jiàn)光近紅外波段,激光譜線數(shù)千條,具有輸出能量大(多級(jí)釹玻璃脈沖激光器,單脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式多樣等特點(diǎn)。器件構(gòu)造緊湊、結(jié)實(shí)耐用、易于與光纖耦合進(jìn)展光纖傳輸。n固體激光器主要運(yùn)用于工業(yè)、國(guó)防、科研、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如激光測(cè)距、資料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學(xué)、激光核聚變等方面。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述3)液體激光器液體激光器液體激光器的任務(wù)物質(zhì)分為二類液體激光器的任務(wù)物質(zhì)分為二類:一類為有機(jī)一類為有機(jī)化合物液體化合物液體(染料染料)

9、,另一類為無(wú)機(jī)化合物液體。其另一類為無(wú)機(jī)化合物液體。其中中,染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的染料激光器是液體激光器的典型代表。常用的有機(jī)染料有四類有機(jī)染料有四類:吐噸類染料、香豆素類激光染料、吐噸類染料、香豆素類激光染料、惡嗪激光染料和花青類染料。惡嗪激光染料和花青類染料。染料激光器多采用光泵浦染料激光器多采用光泵浦,主要有激光泵浦和閃主要有激光泵浦和閃光燈泵浦光燈泵浦染料激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到近紅外波染料激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到近紅外波段段(300nm1.3m),經(jīng)過(guò)混頻等技術(shù)還可將波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)混頻等技術(shù)還可將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至真空紫外到中紅外波段。激光波長(zhǎng)延范圍擴(kuò)展至真空紫外到中

10、紅外波段。激光波長(zhǎng)延續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件續(xù)可調(diào)諧是染料激光器最重要的輸出特性。器件特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)錢低廉。染料溶液的穩(wěn)定性特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)錢低廉。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的缺乏。比較差是這類器件的缺乏。染料激光器主要運(yùn)用于科學(xué)研討、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)染料激光器主要運(yùn)用于科學(xué)研討、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域域,如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分別、光生物如激光光譜學(xué)、光化學(xué)、同位素分別、光生物學(xué)等方面。學(xué)等方面。1966年年,世界上第一臺(tái)染料激光器世界上第一臺(tái)染料激光器由紅由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器問(wèn)世。寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器問(wèn)世。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述4)半導(dǎo)體

11、激光器半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管半導(dǎo)體激光器也稱為半導(dǎo)體激光二極管,或簡(jiǎn)稱激光或簡(jiǎn)稱激光二極管二極管(LaserDiode,縮寫縮寫LD)。由于半導(dǎo)體資料本。由于半導(dǎo)體資料本身物質(zhì)構(gòu)造的特異性以及半導(dǎo)體資料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)身物質(zhì)構(gòu)造的特異性以及半導(dǎo)體資料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性律的特殊性,使半導(dǎo)體激光器的任務(wù)特性有其特殊使半導(dǎo)體激光器的任務(wù)特性有其特殊性。性。 半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體資料為任務(wù)物質(zhì)。常用的半半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體資料為任務(wù)物質(zhì)。常用的半導(dǎo)體資料主要有三類導(dǎo)體資料主要有三類:(1)A A 族化合物半導(dǎo)族化合物半導(dǎo)體體,如砷化鎵如砷化鎵(GaAs)、磷化銦、磷化銦(In

12、P)等。等。(2) B A族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體,如硫化鎘如硫化鎘(CdS)等。等。(3)AA族化合物半導(dǎo)體族化合物半導(dǎo)體,如碲錫鉛如碲錫鉛(PbSnTe)等。等。 根據(jù)生成根據(jù)生成pn結(jié)所用資料和構(gòu)造的不同結(jié)所用資料和構(gòu)造的不同,半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)(單、雙單、雙)、量子阱等多種類型。、量子阱等多種類型。 半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。半導(dǎo)體激光器采用注入電流方式泵浦。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n 半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍普通在近紅外波段(920nm1.65m),其中1.3m與1.55m為光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)窗口。n半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、易于進(jìn)展

13、高速電流調(diào)制、超小型化、構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)用壽命長(zhǎng)(普通可達(dá)數(shù)十萬(wàn)乃至百萬(wàn)小時(shí)以上)等突出特點(diǎn)。n半導(dǎo)體激光器廣泛運(yùn)用于光纖通訊、光存儲(chǔ)、光信息處置、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動(dòng)化、激光準(zhǔn)直及激光醫(yī)療等方面。n 1962年,世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器GaAs激光器問(wèn)世。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述5)化學(xué)激光器化學(xué)激光器 化學(xué)激光器是經(jīng)過(guò)化學(xué)反響實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光化學(xué)激光器是經(jīng)過(guò)化學(xué)反響實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生受激光輻射的。任務(wù)物質(zhì)可以是氣體或液體輻射的。任務(wù)物質(zhì)可以是氣體或液體,但目前主要是氣體但目前主要是氣體,如如氟化氫氟化氫(HF)、氟化氚、氟化氚(DF)、氧

14、碘、氧碘(COIL)等。等?；瘜W(xué)激光器采用化學(xué)能鼓勵(lì)。為促成任務(wù)物質(zhì)的化學(xué)反響化學(xué)激光器采用化學(xué)能鼓勵(lì)。為促成任務(wù)物質(zhì)的化學(xué)反響,普普通需采用一些引發(fā)措施通需采用一些引發(fā)措施,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。如光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等。 化學(xué)激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到紅外波段化學(xué)激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍為紫外到紅外波段,直至微米波直至微米波段段,功率高、能量輸出高功率高、能量輸出高,無(wú)需外界提供泵浦源無(wú)需外界提供泵浦源,可將化學(xué)能直可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點(diǎn)接轉(zhuǎn)換成激光能量是其突出特點(diǎn),特別適宜于野外等無(wú)電源特別適宜于野外等無(wú)電源處任務(wù)。處任務(wù)。 化學(xué)激光器主要運(yùn)用于國(guó)防、科學(xué)研討

15、等領(lǐng)域化學(xué)激光器主要運(yùn)用于國(guó)防、科學(xué)研討等領(lǐng)域,如激光武器、如激光武器、同位素分別等。同位素分別等。 1964年年,第一臺(tái)光解離碘原子化學(xué)激光器問(wèn)世。第一臺(tái)光解離碘原子化學(xué)激光器問(wèn)世。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述6)自在電子激光器自在電子激光器自在電子激光器是一種新型激光器。自在電子激光器是一種新型激光器。自在電子激光器的任務(wù)物質(zhì)是相對(duì)論電子束。自在電子激光器的任務(wù)物質(zhì)是相對(duì)論電子束。所謂相對(duì)論電子束是指經(jīng)過(guò)電子加速器加所謂相對(duì)論電子束是指經(jīng)過(guò)電子加速器加速的高能電子。自在電子激光器將相對(duì)論速的高能電子。自在電子激光器將相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠?。電子束的?dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛淠?。自在電子激光?/p>

16、的泵浦源為空間周期磁場(chǎng)或電自在電子激光器的泵浦源為空間周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。磁場(chǎng)。具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長(zhǎng)延具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率、輸出激光波長(zhǎng)延續(xù)可調(diào)諧是自在電子激光器兩個(gè)最顯著的續(xù)可調(diào)諧是自在電子激光器兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)。特點(diǎn)。自在電子激光器在未來(lái)的生物、醫(yī)療、核能等自在電子激光器在未來(lái)的生物、醫(yī)療、核能等領(lǐng)域具有重要的運(yùn)用前景領(lǐng)域具有重要的運(yùn)用前景 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述7X射線激光器射線激光器X射線激光器輸出激光波長(zhǎng)位于射線激光器輸出激光波長(zhǎng)位于X射線波段射線波段(110nm)。 X射線激光器任務(wù)物質(zhì)為高度電離的等離子體射線激光器任務(wù)物質(zhì)為高度電離的等離子體,采用光泵浦采用光

17、泵浦,但需求特殊的但需求特殊的X射線泵浦源。射線泵浦源。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述8) 光纖激光器光纖激光器任務(wù)物質(zhì)任務(wù)物質(zhì):以摻入某些激活離子的光纖以摻入某些激活離子的光纖,或者利用或者利用光纖本身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。光纖本身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。分類：分類： 晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、晶體光纖激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。泵浦方式主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。泵浦方式主要采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 光纖激光器是一種新型的激光器件光纖激光器是一種新型的激光器件,具有具有總

18、增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的總增益高、閾值低、能量轉(zhuǎn)換效率高、很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及器件構(gòu)造緊湊等突出特點(diǎn)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍及器件構(gòu)造緊湊等突出特點(diǎn),在遠(yuǎn)在遠(yuǎn)間隔光纖通訊等領(lǐng)域顯示出了寬廣的運(yùn)用前景。間隔光纖通訊等領(lǐng)域顯示出了寬廣的運(yùn)用前景。1963年年,第一臺(tái)光纖激光器第一臺(tái)光纖激光器Nd2 O3 光纖激光光纖激光器問(wèn)世器問(wèn)世 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述二、按照激光器任務(wù)方式劃分二、按照激光器任務(wù)方式劃分激光器可分為延續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式激光器可分為延續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式, 延續(xù)激光器延續(xù)激光器脈沖激光器。脈沖激光器。按照激光技術(shù)的運(yùn)用分為按照激光技術(shù)的運(yùn)用分為調(diào)調(diào)Q激光器激光器鎖模激

19、光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器穩(wěn)頻激光器可調(diào)諧激光器等可調(diào)諧激光器等,按照諧振腔腔型的不同分為按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。球面腔激光器等類型。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器一、一、 氣體放電鼓勵(lì)根底氣體放電鼓勵(lì)根底所謂氣體放電所謂氣體放電,是指在高電壓作用下是指在高電壓作用下,氣體分子氣體分子(或或原子原子)發(fā)生電離而導(dǎo)電。發(fā)生電離而導(dǎo)電。常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電常用氣體激光器的氣體放電屬于弱電離氣體放電,其氣體電離度普通不超越其氣體電離度普通不超越0.1%。1. 分類分類 1).直流延續(xù)放電直流延續(xù)放電直流延續(xù)放

20、電是指在氣體激光器放電管兩電極間直流延續(xù)放電是指在氣體激光器放電管兩電極間加上可調(diào)的直流電壓。調(diào)理放電管兩端的電壓加上可調(diào)的直流電壓。調(diào)理放電管兩端的電壓或電阻，測(cè)出相應(yīng)的放電電流，即可得到放電或電阻，測(cè)出相應(yīng)的放電電流，即可得到放電管直流延續(xù)放電的伏安特性曲線。管直流延續(xù)放電的伏安特性曲線。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的管壓降稱為著火電壓，也稱起輝電壓，或擊穿電壓。nAD段為非自持放電階段。放電電流雖然隨端電壓升高而添加,但其值很小。此時(shí)假設(shè)去掉外界電離源,放電電流那么很快減小直至放電終止。此階段的放電電流范圍普通在10 -20-10 -11 A之間。 第二節(jié)第二節(jié) 氣體激

21、光器氣體激光器n D點(diǎn)以后,那么為自持放電階段,緣由陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射nDE段叫作自持暗放電,放電不穩(wěn)定n平坦的EF段。該區(qū)域的特點(diǎn)是電流添加,但管壓降幾乎堅(jiān)持不變,放電管內(nèi)出現(xiàn)明暗相間的輝光,稱之為正常輝光放電。輝光放電階段,由于二次發(fā)射的電子隨電場(chǎng)的添加而迅速添加,故當(dāng)放電管端電壓略有添加時(shí),放電電流就增大很多。輝光放電的電流范圍普通在10-410-1 A之間nFG段那么為反常輝光放電階段。此階段管壓降隨著電流添加而添加。反常輝光放電階段,陰極濺射很劇烈,放電管普通應(yīng)防止在此形狀下任務(wù)。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器nG點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓叫做弧光著火電壓。n過(guò)G點(diǎn)后,放電管管壓降再次迅速

22、下降,放電電流快速增大,放電管中發(fā)出耀眼的弧光,稱之為弧光放電。n弧光放電的GH段呈現(xiàn)出負(fù)阻特性,放電不穩(wěn)定。nHK段為穩(wěn)定弧光放電階段,放電電流普通大于10-1A。n輝光放電 高電壓、小電流(幾毫安至幾十毫安)放電,是一種穩(wěn)定的自持放電。n He-Ne激光器與CO2 激光器都是任務(wù)在輝光放電區(qū)域。 第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n弧光放電弧光放電 n低電壓大電流低電壓大電流(幾十安至幾千安幾十安至幾千安)的自持放電。的自持放電。n弧光放電的著火電壓普通比輝光放電的著火弧光放電的著火電壓普通比輝光放電的著火電壓高電壓高,但對(duì)陰極外表積和電子逸出功都很小但對(duì)陰極外表積和電子逸出功都很小的放電

23、管而言的放電管而言,其弧光著火電壓也可低于輝光其弧光著火電壓也可低于輝光著火電壓。著火電壓。n弧光放電分類：弧光放電分類：n 熱陰極弧光放電、熱陰極弧光放電、n 冷陰極弧光放電冷陰極弧光放電n 人工陰極弧光放電人工陰極弧光放電nAr+ 激光器任務(wù)于弧光放電區(qū)域。激光器任務(wù)于弧光放電區(qū)域。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器 2).高頻放電高頻放電也叫做射頻氣體放電。所謂射頻,通常指頻率在幾兆到幾百兆范圍內(nèi)的電磁波。當(dāng)兩電極間施加高頻交變電場(chǎng)后,由于帶電粒子在兩電極之間的渡越時(shí)間遠(yuǎn)大于電場(chǎng)的變化周期,使得電子不能再做長(zhǎng)間隔的運(yùn)動(dòng),而只能在某個(gè)固定位置附近振蕩,并在振蕩過(guò)程中與氣體粒子碰撞,產(chǎn)生電離

24、和激發(fā),以維持放電。射頻放電時(shí),由于電子不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)使電子飛越的路程增大,從而使電子與氣體粒子碰撞的次數(shù)添加,電離才干極大提高,也使得作為電子來(lái)源的陰極的重要性大為減弱。因此,射頻放電可以用內(nèi)電極,也可以用外電極,甚至可以不用電極。20世紀(jì)70年代,射頻氣體放電技術(shù)勝利地運(yùn)用于大功率輸出CO2 激光器,并已展現(xiàn)出其寬廣的運(yùn)用前景。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器 3).脈沖放電放電管兩電極間施加脈沖電壓時(shí),即產(chǎn)生脈沖放電。按放電電流密度的大小,放電管內(nèi)可產(chǎn)生脈沖輝光放電和脈沖弧光放電。按所加電壓的交變形狀,可分為直流脈沖放電和交流脈沖放電。按脈沖繼續(xù)時(shí)間,又可分為短脈沖放電和長(zhǎng)脈沖放電。準(zhǔn)分

25、子激光器采用脈沖放電方式。大功率高氣壓氣體激光器多采用短脈沖放電方式。氣體放電除上述三種放電方式外,還有火花放電和電暈放電等方式。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器2氣體放電中的粒子碰撞與激發(fā)、電離過(guò)程氣體放電中的粒子碰撞與激發(fā)、電離過(guò)程在氣體放電中在氣體放電中,帶電粒子帶電粒子(電子和離子電子和離子)與中性氣體粒子與中性氣體粒子(原子或分子原子或分子)之間的碰撞決議著放電進(jìn)展的情況。之間的碰撞決議著放電進(jìn)展的情況。其中其中,有兩種根本的碰撞過(guò)程影響著器件粒子數(shù)反有兩種根本的碰撞過(guò)程影響著器件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立和維持。第一種過(guò)程是電離轉(zhuǎn)分布的建立和維持。第一種過(guò)程是電離,它對(duì)于它對(duì)于維持放電

26、是不可或缺的維持放電是不可或缺的;第二種過(guò)程是激光上、下第二種過(guò)程是激光上、下能級(jí)粒子的激發(fā)與消激發(fā)。能級(jí)粒子的激發(fā)與消激發(fā)。粒子的碰撞普通可分為兩類粒子的碰撞普通可分為兩類:彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞和非彈性碰撞。在氣體激光器任務(wù)物質(zhì)的激發(fā)與電離過(guò)程中在氣體激光器任務(wù)物質(zhì)的激發(fā)與電離過(guò)程中,粒子的粒子的碰撞都屬于非彈性碰撞。碰撞都屬于非彈性碰撞。非彈性碰撞又可分為第一類非彈性碰撞和第二類非彈非彈性碰撞又可分為第一類非彈性碰撞和第二類非彈性碰撞。性碰撞。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器1.第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞指一個(gè)粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ拥谝活惙菑椥耘鲎仓敢粋€(gè)

27、粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能的碰撞。其最常見(jiàn)的方式之一就是快速電子與內(nèi)能的碰撞。其最常見(jiàn)的方式之一就是快速電子與氣體粒子發(fā)生碰撞激發(fā)和電離。氣體粒子發(fā)生碰撞激發(fā)和電離。在碰撞過(guò)程中在碰撞過(guò)程中,快速電子失去能量快速電子失去能量,速度變慢速度變慢,氣體粒子氣體粒子得到能量被激發(fā)到高能態(tài)或被電離。得到能量被激發(fā)到高能態(tài)或被電離。電子的能量大于或等于氣體粒子的激發(fā)態(tài)能量時(shí)電子的能量大于或等于氣體粒子的激發(fā)態(tài)能量時(shí),碰撞激發(fā)過(guò)程那么有可碰撞激發(fā)過(guò)程那么有可電子能量等于或大于氣體粒子的電離能時(shí)電子能量等于或大于氣體粒子的電離能時(shí),碰撞電離碰撞電離過(guò)程便可以發(fā)生。其電離過(guò)程可表示為過(guò)程便可以發(fā)生。其電離過(guò)

28、程可表示為()A*()Aee快慢+()A()Aee快慢第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n電子和氣體粒子的碰撞,還可以使粒子從一個(gè)激發(fā)態(tài)躍遷到另一個(gè)更高的激發(fā)態(tài),或者使激發(fā)態(tài)粒子發(fā)生電離,分別叫做逐級(jí)激發(fā)和逐級(jí)電離。n2).第二類非彈性碰撞n 第二類非彈性碰撞指一個(gè)粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪涣Ｗ觾?nèi)能或動(dòng)能的碰撞。其方式主要有共振轉(zhuǎn)移、電荷轉(zhuǎn)移和潘寧效應(yīng)等。n共振轉(zhuǎn)移是指激發(fā)態(tài)的粒子A * (通常指亞穩(wěn)態(tài))與基態(tài)粒子B碰撞,使B激發(fā)到高能態(tài)B* ,而A* 前往基態(tài)。其過(guò)程可表示為n A* +BA+B* +E n其中,E為A* 和B* 兩者激發(fā)態(tài)之差。E越小,共振轉(zhuǎn)移截面越大。當(dāng)E 趨于零時(shí),共振轉(zhuǎn)移截

29、面大于10-14cm2 ,轉(zhuǎn)移最易發(fā)生。n 共振轉(zhuǎn)移是選擇性激發(fā)過(guò)程中最重要的方式之一。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器電荷轉(zhuǎn)移是指離子與中性氣體粒子碰撞引起的激發(fā)與電離過(guò)程。電荷轉(zhuǎn)移是指離子與中性氣體粒子碰撞引起的激發(fā)與電離過(guò)程。其激發(fā)過(guò)其激發(fā)過(guò) A+ +BA+B+ E 其中其中,A為為A+ 從中性粒子從中性粒子B處獲得一個(gè)電子而成為中性粒子處獲得一個(gè)電子而成為中性粒子;B 為為中性粒子失去一個(gè)電子而成為正離子中性粒子失去一個(gè)電子而成為正離子B +;E為為A 和和B 兩者電離兩者電離能之差。能之差。 電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的電離激發(fā)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的電離激發(fā),可表示為可表示為 A+ +BA+

30、B* +E其中其中,B*為離子激發(fā)態(tài)為離子激發(fā)態(tài);E為離子激發(fā)態(tài)為離子激發(fā)態(tài)B*與粒子與粒子A+的電離能之間的電離能之間的位能差。的位能差。 正離子與中性氣體粒子之間的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。負(fù)離子與中性正離子與中性氣體粒子之間的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。負(fù)離子與中性氣體粒子碰撞亦可失去電子而成為速度較快的中性粒子氣體粒子碰撞亦可失去電子而成為速度較快的中性粒子,同時(shí)使同時(shí)使原中性氣體粒子成為速度較慢的負(fù)離子。原中性氣體粒子成為速度較慢的負(fù)離子。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器 潘寧電離潘寧電離 指處于激發(fā)態(tài)的氣體粒子指處于激發(fā)態(tài)的氣體粒子A* 與處于基態(tài)的粒與處于基態(tài)的粒子子B碰撞碰撞,A*失去能量前往基態(tài)失去

31、能量前往基態(tài),而而B被電離被電離,或電或電離后又被激發(fā)。其過(guò)程可表示為離后又被激發(fā)。其過(guò)程可表示為 A*+BA+B*+ +e A* +BA+B+ +e 由上述反響過(guò)程可見(jiàn)由上述反響過(guò)程可見(jiàn),只需只需A 的激發(fā)能大于基的激發(fā)能大于基態(tài)粒子態(tài)粒子B的電離能的電離能,潘寧電離便可以進(jìn)展潘寧電離便可以進(jìn)展,電離中電離中產(chǎn)生的多余能量可轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。產(chǎn)生的多余能量可轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。氣體放電過(guò)程中氣體放電過(guò)程中,除上述引見(jiàn)的由于粒子碰撞所產(chǎn)除上述引見(jiàn)的由于粒子碰撞所產(chǎn)生的激發(fā)和電離過(guò)程外生的激發(fā)和電離過(guò)程外,還存在著復(fù)合、吸附與還存在著復(fù)合、吸附與轉(zhuǎn)荷等過(guò)程轉(zhuǎn)荷等過(guò)程.第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激

32、光器二、二、He-Ne激光器激光器 任務(wù)介質(zhì)：任務(wù)介質(zhì)：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原激光器是典型的惰性氣體原子激光器子激光器,Ne為任務(wù)物質(zhì)為任務(wù)物質(zhì),He為輔助氣體。為輔助氣體。特點(diǎn)：特點(diǎn)： He-Ne激光器輸出延續(xù)光激光器輸出延續(xù)光,主要任務(wù)波段在可見(jiàn)主要任務(wù)波段在可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域光到近紅外區(qū)域,其中其中,最常用的任務(wù)波長(zhǎng)為最常用的任務(wù)波長(zhǎng)為632.8nm(紅光紅光),其次是其次是1.15m和和3.39m以以及及1.52m、543.5nm等。等。He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色性好表現(xiàn)為單色性好(20Hz)和方向性好和方向性好(Qn2,那么有那么有

33、n=n3-n2n3。因此。因此,以下主要以下主要分析分析n3與總氣壓與總氣壓P的關(guān)系。的關(guān)系。在在He、Ne氣壓比一定的條件下氣壓比一定的條件下,總氣壓總氣壓P升高可以使升高可以使He與與Ne原子原子的粒子數(shù)密度n0、n1上升,有利于提高n3,使n上升。但假設(shè)總氣壓P太高,在n0與n1上升的同時(shí),電子與原子碰撞次數(shù)也隨之增多,致使電子動(dòng)能下降,S04降低,從而導(dǎo)致n3 下降,使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n下降。因此,He-Ne激光器存在一個(gè)最正確充氣總氣壓,在此條件下任務(wù),器件增益最大。增益與充氣總氣壓的關(guān)系第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器(3)增益與增益與He、Ne氣壓比氣壓比(PHe PNe )的關(guān)

34、系的關(guān)系 在總氣壓在總氣壓P一定的條件下一定的條件下,Ne的分壓上升的分壓上升,可提高基態(tài)可提高基態(tài)Ne原子原子粒子數(shù)密度粒子數(shù)密度n 1 ,同時(shí)使同時(shí)使He原子基態(tài)粒子數(shù)密度原子基態(tài)粒子數(shù)密度n 0 下降。下降。由式由式(3.6)知知,n 1 比比n 0 對(duì)對(duì)n 3的影響大。因此的影響大。因此,Ne的分壓上的分壓上升升,可以提高n 3 。但假設(shè)其分壓過(guò)高,由于Ne原子電離電位低,易電離而導(dǎo)致電子能量下降,使S 04 下降,導(dǎo)致n3 下降。同時(shí),由于Ne原子激光上能級(jí)的粒子數(shù)主要經(jīng)過(guò)與He原子亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子之間的共振轉(zhuǎn)移而獲得,因此,作為任務(wù)氣體的Ne氣所占比例要適當(dāng)。P He P Ne 也存

35、在一個(gè)最正確值,P He PNe ,普通P He P Ne 7 110 1。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n最正確充氣總氣壓與最正確He、Ne氣壓比稱為He-Ne激光器的最正確充氣條件。n當(dāng)器件任務(wù)于最正確充氣條件時(shí),其放電毛細(xì)管內(nèi)徑d與最正確充氣總氣壓Popt的乘積為一常數(shù),其取值范圍Poptd=480533(Pa mm)。n由上述分析得出結(jié)論:為獲得最大增益,He-Ne激光器應(yīng)任務(wù)在最正確放電條件下,即采用最正確放電電流、最正確充氣總氣壓和最正確He、Ne氣壓比。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器3He-Ne激光器的譜線競(jìng)爭(zhēng)激光器的譜線競(jìng)爭(zhēng) 632.8nm、3.39m與與1.15m三條

36、譜線三條譜線是是He-Ne激光器上百條譜線中最強(qiáng)的三條。激光器上百條譜線中最強(qiáng)的三條。三者之中三者之中,由于由于3.39m譜線與譜線與632.8nm譜譜線共用一個(gè)激光上能級(jí)線共用一個(gè)激光上能級(jí)3s2 ,且增益都很高。且增益都很高。因此因此,二者之間存在猛烈的譜線競(jìng)爭(zhēng)。二者之間存在猛烈的譜線競(jìng)爭(zhēng)。3.39m譜線的振蕩譜線的振蕩,將大量耗費(fèi)激光上能級(jí)將大量耗費(fèi)激光上能級(jí)的粒子的粒子,導(dǎo)致導(dǎo)致632.8nm譜線的增益與輸出功譜線的增益與輸出功率下降率下降,甚至振蕩被抑制。甚至振蕩被抑制。為保證為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率譜線起振并提高其輸出功率,應(yīng)設(shè)法抑制應(yīng)設(shè)法抑制3.39m譜線的振

37、蕩。抑制所遵譜線的振蕩。抑制所遵照的原那么是增大照的原那么是增大3.39m譜線的損耗或者譜線的損耗或者降低其增益。采取的方法有降低其增益。采取的方法有:第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器2腔內(nèi)放置甲烷吸收盒腔內(nèi)放置甲烷吸收盒該法利用甲烷氣體對(duì)632.8nm 透明而對(duì)3.39 強(qiáng)吸收的特性，增大3.39譜線的腔內(nèi)損耗以抑制其振蕩，構(gòu)造如下圖。1棱鏡色散法第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器3外加非均勻磁場(chǎng)法外加非均勻磁場(chǎng)法 其原理是利用塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)指磁場(chǎng)將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。施加非均勻磁場(chǎng)后，呵斥放電管內(nèi)各處譜線分裂程度不同，其作用相當(dāng)于把譜線展寬第二節(jié)第二節(jié)

38、氣體激光器氣體激光器n對(duì)放電管長(zhǎng)度小于的He-Ne激光器，運(yùn)用前兩種方法就能抑制3.39譜線振蕩。n假設(shè)放電管長(zhǎng)度大于，往往需求幾種方法相結(jié)合才干有效抑制。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器三三Co2激光器激光器 CO2 激光器是一種混合氣體激光器激光器是一種混合氣體激光器,CO2 為任務(wù)物質(zhì)為任務(wù)物質(zhì),N2 、He、CO、Xe、H2 O、H2 與與O2 等為輔助氣體等為輔助氣體,其作用是提高其作用是提高激光器的輸出功率和效率。激光器的輸出功率和效率。 CO2激光器的任務(wù)方式分為延續(xù)和脈沖兩種激光器的任務(wù)方式分為延續(xù)和脈沖兩種,也可以在穩(wěn)頻、調(diào)諧也可以在穩(wěn)頻、調(diào)諧(選支選支)等等形狀下運(yùn)轉(zhuǎn)形狀

39、下運(yùn)轉(zhuǎn) CO2激光器的輸出特性有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)激光器的輸出特性有兩個(gè)顯著的特點(diǎn):其一是輸出功率或能量相當(dāng)大其一是輸出功率或能量相當(dāng)大,能量轉(zhuǎn)換效率高。能量轉(zhuǎn)換效率高。CO2 激光器延續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)瓦激光器延續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)瓦,是一切激光器中延續(xù)輸出功率是一切激光器中延續(xù)輸出功率最高的器件最高的器件;脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦,脈寬可緊縮到納秒量級(jí)脈寬可緊縮到納秒量級(jí),脈沖功率密度脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級(jí)。可達(dá)太瓦量級(jí)。其二是輸出波長(zhǎng)分布在其二是輸出波長(zhǎng)分布在918m波段波段,已察看到的激光譜線二百多條。已察看到的激光譜線二百多條。其中其中,911m紅外波段中最重要的

40、輸出波長(zhǎng)紅外波段中最重要的輸出波長(zhǎng)10.6m處于大氣傳輸?shù)拇翱谔幱诖髿鈧鬏數(shù)拇翱?有利于激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、大氣通訊等方面的運(yùn)用有利于激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、大氣通訊等方面的運(yùn)用,且該波長(zhǎng)對(duì)人眼平安。且該波長(zhǎng)對(duì)人眼平安。 CO2 激光器于激光器于1964年問(wèn)世。年問(wèn)世。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器 CO2 激光器種類很多,主要有封離型、流動(dòng)(縱向和橫向)型、大氣壓型、氣動(dòng)型以及波導(dǎo)等構(gòu)造方式,鼓勵(lì)方式有低功率器件采用的縱向氣體放電鼓勵(lì)、大功率器件采用的橫向氣體放電鼓勵(lì)、射頻鼓勵(lì)、化學(xué)、氣動(dòng)、電子束鼓勵(lì)等。1CO2 分子的能級(jí)構(gòu)造及振-轉(zhuǎn)躍遷 a.CO2分子的能級(jí)構(gòu)造分子的總能量包括以下四部分

41、：電子繞核運(yùn)動(dòng)的能量；分子中原子的振動(dòng)能量；分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量；平動(dòng)能量。除平動(dòng)能量外，前三種運(yùn)動(dòng)的能量部是量子化的。相鄰電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)問(wèn)能量差的比例約為104：102：1。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器CO2 分子的振動(dòng)有三種根本方式分子的振動(dòng)有三種根本方式,或稱三種或稱三種簡(jiǎn)正振動(dòng)簡(jiǎn)正振動(dòng): 對(duì)稱振動(dòng)。對(duì)稱振動(dòng)。CO2 分子中的分子中的2個(gè)原子沿分個(gè)原子沿分子軸同時(shí)朝向或同時(shí)背向碳原子振動(dòng)子軸同時(shí)朝向或同時(shí)背向碳原子振動(dòng),碳碳原子堅(jiān)持不動(dòng)原子堅(jiān)持不動(dòng),如圖如圖3.15(b)所示。所示。 形變彎曲振動(dòng)。形變彎曲振動(dòng)。CO2 分子的分子的3個(gè)原個(gè)原子不是沿分子軸振動(dòng)子不是沿分子軸

42、振動(dòng),而是垂直于分子軸而是垂直于分子軸振動(dòng)振動(dòng),且碳原子的振動(dòng)方向與且碳原子的振動(dòng)方向與2個(gè)氧原子個(gè)氧原子相反相反,如圖如圖3.15(c)所示。所示。 反對(duì)稱振動(dòng)。反對(duì)稱振動(dòng)。CO2 分子的分子的3個(gè)原子沿分個(gè)原子沿分子軸振動(dòng)子軸振動(dòng),其中其中,碳原子的振動(dòng)方向與碳原子的振動(dòng)方向與2個(gè)個(gè)氧原子相反氧原子相反,如圖如圖3.15(d)所示。所示。 第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n 在一級(jí)近似下,CO2 分子上述三種振動(dòng)方式相互獨(dú)立,其振動(dòng)能量為三種振動(dòng)方式的能量之和。我們用4個(gè)對(duì)應(yīng)的量子數(shù)標(biāo)志其振動(dòng)能級(jí),標(biāo)志符號(hào)為(v1 vl2 v 3 )。VI 分別代表其對(duì)稱、形變及反對(duì)稱的主量子數(shù)，而l代

43、表形變時(shí)，其投影的角動(dòng)量守恒的且量子化的，用量子數(shù)l表示，lv2，v2-2，v2-4，1或0。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器nCO2 分子能夠產(chǎn)生的躍遷譜線有很多條,其中強(qiáng)度最強(qiáng)和最具價(jià)值的是10.6m譜線(對(duì)應(yīng)于00 0 110 0 0能級(jí)的躍遷)和9.6m譜線(對(duì)應(yīng)于0001 0200能級(jí)的躍遷)。上述兩條譜線的躍遷過(guò)程闡明,CO2 分子的能級(jí)構(gòu)造屬四能級(jí)系統(tǒng)。表3.4給出了與CO2 分子10.6m和9.6m譜線躍遷有關(guān)的振動(dòng)能級(jí)壽命。 由上表可見(jiàn),CO2 分子激光上能級(jí)(000 1)壽命長(zhǎng)于激光下能級(jí)第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器b) CO2能級(jí)激發(fā)能級(jí)激發(fā)1直接電子碰撞直接電子

44、碰撞電子與基態(tài)電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激光上能級(jí)碰撞，將其激發(fā)到激光上能級(jí)CO2(0000)+e-CO2(0001)+e2級(jí)聯(lián)躍遷級(jí)聯(lián)躍遷 電子與基態(tài)電子與基態(tài)CO2碰撞，將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)碰撞，將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)000n能級(jí)，能級(jí)，其與基態(tài)其與基態(tài)CO2碰撞將其激發(fā)到激光上能級(jí)碰撞將其激發(fā)到激光上能級(jí)CO2(0000)+ CO2(000n) -CO2(0001)+ CO2(000n-1) 3共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移基態(tài)基態(tài)N2和電子碰撞躍遷到基態(tài)和電子碰撞躍遷到基態(tài)V=1的振動(dòng)能級(jí)，該能的振動(dòng)能級(jí)，該能級(jí)壽命長(zhǎng)，屬于亞穩(wěn)態(tài)，其與基態(tài)級(jí)壽命長(zhǎng)，屬于亞穩(wěn)態(tài)，其與基態(tài)C02發(fā)生非彈性碰發(fā)生非彈性碰撞并

45、躍遷激光上能級(jí)撞并躍遷激光上能級(jí)e(快)+N2(v=0)-e(慢)+N2(v=1)第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器CO2分子0001能級(jí)與N2的v=1的能級(jí)接近， N2的v=24能級(jí)與CO2的0002-0004也接近易發(fā)生共振轉(zhuǎn)移， 0002-0004的CO2與基態(tài)CO2分子碰撞，也可鼓勵(lì)到0001以上三種激發(fā)途徑，共振轉(zhuǎn)移幾率最大，作用最顯著C) .CO2 分子的振-轉(zhuǎn)躍遷CO2 分子的紅外光譜并不是一條單一的振動(dòng)譜線,而是一條有一定寬度的譜帶。這是由于CO2 分子除振動(dòng)運(yùn)動(dòng)外,同時(shí)存在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在其影響下,CO2分子的振動(dòng)能級(jí)將分裂為一系列轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。根據(jù)分子光譜實(shí)際,分子振動(dòng)能級(jí)之間的

46、躍遷必然伴隨著轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間的躍遷,產(chǎn)生帶狀光譜。012222CO (00 0)(1)CO (00 0)(0)NvNv第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器振振-轉(zhuǎn)躍遷的選擇定那么為轉(zhuǎn)躍遷的選擇定那么為:對(duì)于振動(dòng)能級(jí)對(duì)于振動(dòng)能級(jí):v=0,1對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí):J=0,1對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的躍遷對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的躍遷,選擇定選擇定那么規(guī)定那么規(guī)定:J=+1,稱為稱為R支支,記為記為R(J)J=-1,稱為稱為P支支,記為記為P(J)J=0,稱為稱為Q支。由于支。由于CO2分子分子的對(duì)稱性質(zhì)的對(duì)稱性質(zhì),譜帶中心沒(méi)有該譜帶中心沒(méi)有該支譜線支譜線,即不存在即不存在Q支躍遷。支躍遷。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光

47、器氣體激光器n由圖3.17可以看出,在CO2 分子0001與1000振動(dòng)能級(jí)上,不是對(duì)應(yīng)地存在著全部的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。在000 1振動(dòng)能級(jí)上,只存在J為奇數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí),而在100 0振動(dòng)能級(jí)上,那么只存在J為偶數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)。這種情況稱之為轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)的缺位,它來(lái)源于分子態(tài)波函數(shù)對(duì)稱性的要求。n 對(duì)于000 1100 0的振-轉(zhuǎn)躍遷,已察看到的P支譜線27條,R支譜線26條,光譜帶范圍1011m。其中最強(qiáng)的P支譜線有4條,即P(18)、P(20)、P(22)和P(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10.57m、10.59m、10.61m和10.63m。最強(qiáng)的R支譜線也有4條,即R(18)、R(20)、R(22

48、)和R(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為10.26m、10.25m、10.23m和10.22m。n 對(duì)于000 1020 0的振-轉(zhuǎn)躍遷,察看到P支譜線29條,R支譜線25條,光譜帶范圍910m。其中最強(qiáng)的P支譜線為P(18)、P(20)、P(22)、P(24)與P(26),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為9.54m、9.55m、9.57m、9.59m和9.60m。最強(qiáng)的R線為R(18)、R(20)、R(22)與R(24),對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為9.28m、9.27m、9.26m和9.25m。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器nCO2 分子00 0 1020 0的振-轉(zhuǎn)躍遷中能構(gòu)成一百多條熒光譜線,但在CO2 激光器中卻只需13

49、條譜線能同時(shí)構(gòu)成激光振蕩。這源于CO2 分子轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。n處于同一振動(dòng)能級(jí)的各轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)之間靠得很近,粒子在各子能級(jí)間轉(zhuǎn)移很快。一旦處于某一轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)上的粒子躍遷后,服從玻爾茲曼分布規(guī)律的其他能級(jí)上的粒子會(huì)立刻轉(zhuǎn)移到該能級(jí),而使其他能級(jí)上的粒子減少。在CO2激光器中,當(dāng)某條譜線獲得較大增益而優(yōu)先起振時(shí),亦同時(shí)抑制了其他譜線的振蕩。例如,9.6m譜線與10.6m譜線共用一個(gè)激光上 能級(jí),而粒子從000 1100 0能級(jí)的躍遷幾率要大得多,故CO2 激光器中假設(shè)無(wú)波長(zhǎng)選擇安裝,那么9.6m譜線將在與10.6m譜線的競(jìng)爭(zhēng)中失敗而無(wú)法起振。正是由于轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間猛烈的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),當(dāng)CO2 激

50、光器諧振腔長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí),振蕩譜線的頻率易跳動(dòng)到其他頻率上。nCO2激光器的諧振腔大多采用平凹腔，由于其增益高，也可采用非穩(wěn)腔以添加其模體積。高反射鏡可用金屬制成，也可在玻璃外表鍍以金膜。輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過(guò)紅外光的Ge、GaAs等資料制成輸出窗.第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器 D氣體成分 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)CO2 激光器中充有適量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、H2O等氣體時(shí),輸出功率顯著提高。而當(dāng)充有Ar、N2 O等氣體時(shí),輸出功率那么顯著下降。為提高輸出功率,CO2 激光器都充有不同組分的輔助氣體,主要分為含N2 組分與含CO組分兩種。 含N2 組分為CO2 +N2 +H

51、e+Xe+H2 , 含CO組分為CO2 +CO+He+Xe, 含N2 組分的輸出功率要高于含CO組分。 上述各種氣體成分在CO2激光器中的主要作用: 氮:N2 是CO2 激光器中最主要的輔助氣體,其作用主要是提高CO2 分子0001能級(jí)的激發(fā)速率,同時(shí)加快011 0能級(jí)的弛豫速率。參與適量的N2 后,能明顯提高輸出功率。但其含量不能太高,因總氣壓一定時(shí),N2含量高,那么CO2含量就相應(yīng)降低,且放電時(shí)CO2 離解出的O會(huì)與N2 發(fā)生化學(xué)反響,生成N2 O和 NO,它們對(duì)CO2 分子的000 1能級(jí)有消激發(fā)作用。 第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n 一氧化碳:CO作用與N2 類似,不僅能增大CO

52、2 分子000 1能級(jí)的激發(fā)速率,還能加快01 10能級(jí)的弛豫速率。但其含量過(guò)高時(shí)會(huì)呵斥對(duì)000 1能級(jí)的消激發(fā)。n 氦:在CO2 +N2 混合氣體中,參與適量的He(He的含量可以是CO2 的45倍)可以大幅度提高輸出功率。其緣由是:He原子質(zhì)量輕,導(dǎo)熱率高(其導(dǎo)熱率比CO2和N2高約一個(gè)數(shù)量級(jí)),可有效降低任務(wù)氣體溫度,提高輸出功率。另外He對(duì)CO2分子激光下能級(jí)100 0、020 0和011 0的弛豫作用遠(yuǎn)大于其對(duì)激光上能級(jí)000 1能級(jí)的弛豫作用,有利于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在高氣壓CO2激光器中,He的主要作用是改善氣體放電的均勻性。n 氙:在CO2 +N2 +He混合氣體中,參與少量的X

53、e,可使輸出功率進(jìn)一步提高約30%40%,能量轉(zhuǎn)換效率提高10%15%。緣由是:Xe的電離電位低,參與后可添加放電氣體中的電離度,使E/N值降低(充有Xe的放電管管壓降可以下降20%),從而提高激光器的效率。混合氣體中Xe的含量有一最正確值,普通其分壓強(qiáng)在107160Pa之間。Xe的含量不可過(guò)高,過(guò)高雖使電子密度添加,但電子碰撞時(shí)機(jī)也隨之添加,導(dǎo)致電子溫度下降。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n水蒸氣和氫水蒸氣和氫:n 在在CO2 +N2 +He混合氣體中再參與少量混合氣體中再參與少量的水蒸氣或的水蒸氣或H2 ,能提高器件的輸出功率和運(yùn)能提高器件的輸出功率和運(yùn)用壽命。緣由是用壽命。緣由是H2

54、O 分子對(duì)分子對(duì)CO2 分子激光分子激光下能級(jí)下能級(jí)100 0以及以及011 0能級(jí)的弛豫速率很能級(jí)的弛豫速率很大大,且且H2O分子振動(dòng)能級(jí)壽命很短分子振動(dòng)能級(jí)壽命很短,可以很快可以很快前往基態(tài)。前往基態(tài)。H2 的作用與的作用與H2O 一樣一樣,因因CO2 分子在放電時(shí)會(huì)離解出分子在放電時(shí)會(huì)離解出O,H 2 與與O合成合成H2O 。因因H2 在常態(tài)下是氣體在常態(tài)下是氣體,其充入量比水蒸氣更其充入量比水蒸氣更易于控制易于控制,故常用故常用H2 替代水蒸氣。混合氣體替代水蒸氣?；旌蠚怏w中中,H2O和和H2的含量普通在的含量普通在13.340Pa之之間間,不能過(guò)高不能過(guò)高,由于它們除對(duì)激光下能級(jí)由于

55、它們除對(duì)激光下能級(jí)10 0 0和和011 0有很強(qiáng)的抽空作用外有很強(qiáng)的抽空作用外,對(duì)激光上能對(duì)激光上能級(jí)級(jí)00 0 1能級(jí)也有顯著的消激發(fā)作用。由于能級(jí)也有顯著的消激發(fā)作用。由于H2O和和H2能對(duì)能對(duì)CO與與O的復(fù)合起催化作用的復(fù)合起催化作用,故故能延伸能延伸CO2 激光器的運(yùn)用壽命。激光器的運(yùn)用壽命。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器E. Co2激光器可分為以下七類激光器可分為以下七類: 1. 縱向慢流縱向慢流co2激光器激光器氣體從放電管一端流人，由另一端抽走，氣流、電流均和光軸氣體從放電管一端流人，由另一端抽走，氣流、電流均和光軸方向一致。氣體流動(dòng)的目的是排除方向一致。氣體流動(dòng)的目的是排

56、除Co2與電子碰撞時(shí)分解出與電子碰撞時(shí)分解出來(lái)的來(lái)的CO氣，并補(bǔ)充新穎氣體氣，并補(bǔ)充新穎氣體 第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器在這類激光器中，放電電流密度和氣體壓強(qiáng)均有一位輸出功率最大的最正確值。電流度添加時(shí)激光上能級(jí)激發(fā)速率添加，但由此呵斥的氣體溫度的升高又會(huì)添加下能級(jí)集居數(shù)，因此存在一最正確電流值。同樣，氣體壓強(qiáng)增高時(shí)一方面由于氣體分子密度添加使反轉(zhuǎn)集居數(shù)隨之添加，另一方面，氣體分子間更加頻繁的碰撞又妨礙了熱量向管壁的分散，從而導(dǎo)致氣體溫度升高。實(shí)驗(yàn)闡明，電流密度與壓強(qiáng)的最正確值大致與放電管徑成反比。在最正確放電條件下，激光器的輸出功率約為(50一60)wm。2 、封離型CO2 激光器所

57、謂封離型是指任務(wù)氣體與He-Ne激光器一樣被封離在放電管內(nèi)。這種構(gòu)造的器件單位放電長(zhǎng)度可輸出的功率比流動(dòng)型或氣動(dòng)型器件要低得多,普通輸出功率都低于200W。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n冷卻n回氣n放電n諧振腔第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器n3縱向快流縱向快流CO2激光器激光器n 在縱向慢流激光器中放電產(chǎn)生的熱量主要靠氣體的分在縱向慢流激光器中放電產(chǎn)生的熱量主要靠氣體的分散運(yùn)動(dòng)傳給管壁，再由沿管壁外表而流動(dòng)的冷卻液帶走。由散運(yùn)動(dòng)傳給管壁，再由沿管壁外表而流動(dòng)的冷卻液帶走。由于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強(qiáng)不能太大，因此于這種散熱方式效率較低，電流密度和壓強(qiáng)不能太大，因此限制了輸

58、出功率。限制了輸出功率。n假設(shè)提高氣體流動(dòng)速度假設(shè)提高氣體流動(dòng)速度(約約50ms)，使放電管內(nèi)的熱氣流，使放電管內(nèi)的熱氣流流出管外，在管外冷卻后再前往放電管，那么不再存在放電流出管外，在管外冷卻后再前往放電管，那么不再存在放電電流密度的最正確值，輸出功率隨放電電流密度線性添加。電流密度的最正確值，輸出功率隨放電電流密度線性添加。單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)單位長(zhǎng)度輸出功率可達(dá)1kWm以上。目前，以上。目前，(13)kw的的縱向快流縱向快流CO2激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫激光器已廣泛用于激光加工。與大功率的橫向流動(dòng)激光器相比，縱向快流向流動(dòng)激光器相比，縱向快流c02激光器中放電電流密度分激光

59、器中放電電流密度分布的圓對(duì)稱性較好，因此具有更好的光束質(zhì)量。布的圓對(duì)稱性較好，因此具有更好的光束質(zhì)量。第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器第二節(jié)第二節(jié) 氣體激光器氣體激光器4橫向流動(dòng)橫向流動(dòng)CO2激光器激光器縱向快流縱向快流Co2激光器需求很高的氣體流速才干及時(shí)將熱氣體導(dǎo)激光器需求很高的氣體流速才干及時(shí)將熱氣體導(dǎo)出。假設(shè)使氣體流動(dòng)方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，出。假設(shè)使氣體流動(dòng)方向與光軸垂直，由于氣體通道截面大，氣體流動(dòng)途徑短，因此較低的流速就能到達(dá)縱向快流同樣的氣體流動(dòng)途徑短，因此較低的流速就能到達(dá)縱向快流同樣的冷卻效果。冷卻效果。和縱向快流和縱向快流CO2激光器一樣，在橫向流動(dòng)激光器一

60、樣，在橫向流動(dòng)CO2激光器中，輸激光器中，輸出功率的電流飽和效應(yīng)不明顯。最正確氣體壓強(qiáng)高達(dá)出功率的電流飽和效應(yīng)不明顯。最正確氣體壓強(qiáng)高達(dá)1.3X104Pa。高壓強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)有利于提高輸出功率，但頻繁的。高壓強(qiáng)運(yùn)轉(zhuǎn)有利于提高輸出功率，但頻繁的碰撞使電子溫度降低，必需在強(qiáng)電場(chǎng)中才干維持足夠高的電碰撞使電子溫度降低，必需在強(qiáng)電場(chǎng)中才干維持足夠高的電子溫度。因此，在橫向流動(dòng)子溫度。因此，在橫向流動(dòng)CO2激光器中，縱向放電不真激光器中，縱向放電不真實(shí)踐，通常采用電場(chǎng)與光軸垂直的橫向放電方式。采用橫向?qū)嵺`，通常采用電場(chǎng)與光軸垂直的橫向放電方式。采用橫向放電方式的激光器稱作放電方式的激光器稱作TE激光器。此類激光