氣體激光器介紹和原理

1、氣體激光器介紹和原理光纖激光器摻鈦藍(lán)寶石激光器LD泵浦固體激光器固體激光器的泵浦光源固體激光的輸出特性1、尖峰結(jié)構(gòu)2、輸出功率、能量和效率3、激光光譜4、激光束的方向性氣體激光器 氣體激光器是以氣體作為工作物質(zhì)的激光器，利用氣體原子、離子或分子的能級躍遷產(chǎn)生激光。通常包括原子、離子和分子氣體激光器三類。原子氣體激光器：產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，其典型代表是氦氖激光器。分子激光器：產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氮分子(N2)激光器和準(zhǔn)分子激光器。離子激光器：離子激光器的典型代表是氬離子(Ar+)和氦鎘(HeCd)離子激光器。氣體激光器的特點(diǎn)：在

2、單色性和光束穩(wěn)定性方面都比固體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體(染料)激光器優(yōu)越 ，由于氣態(tài)物質(zhì)的光學(xué)均勻性一般都比較好。氣體激光器產(chǎn)生的激光譜線極為豐富，達(dá)數(shù)千種，分布在從真空紫外到遠(yuǎn)紅外波段范圍內(nèi)。多數(shù)氣體激光器都有瞬時(shí)功率不高的特點(diǎn)。 在氣體激光器中采用氣體放電或電子束激勵的方法以實(shí)現(xiàn)泵浦 激光器的工作氣體中，除能產(chǎn)生激光發(fā)射的氣體之外，一般還含有一些輔助氣體，如各種惰性氣體及氮、氧等。它們在激光器中有的作為緩沖氣體，有的作為能量轉(zhuǎn)移氣體。分子氣體激光器和準(zhǔn)分子激光器可以作為可調(diào)諧激光器。 1.氦氖激光器 氦氖(HeNe)激光器屬于原子激光器類，它是于1961年首先實(shí)現(xiàn)激光輸出的氣體激光器，能

3、產(chǎn)生許多可見光與紅外光的激光譜線，多采用連續(xù)工作方式（輸出幾毫瓦到幾十毫瓦）。 特點(diǎn)：輸出激光的方向性好(發(fā)散角1mrad以下)；單色性好(線寬可小于20Hz)；輸出功率和波長可控制的很穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、體積小、重量輕、成本低、使用方便；紅光、黃光、綠光、偏振輸出等。 應(yīng)用： 精密計(jì)量、檢測、準(zhǔn)直、導(dǎo)向、全息照相、信息處理、以及醫(yī)療、光學(xué)實(shí)驗(yàn) 日本OPTEC測距頭日本手持測距儀奧地利激光測距儀HeNe激光器的結(jié)構(gòu)HeNe激光器的結(jié)構(gòu)形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學(xué)諧振腔組成。 圖1 內(nèi)腔式HeNe激光器的結(jié)構(gòu)放電管 通常由毛細(xì)管和貯氣室構(gòu)成，是產(chǎn)生激光的

4、地方。放電管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)氣體，當(dāng)電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開始放電使氖原子受激發(fā)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 貯氣室與毛細(xì)管相連，并不發(fā)生氣體放電，其作用是補(bǔ)償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He、Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。 電極 He-Ne激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。 為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。諧振腔 He-Ne激光器由于增益低，諧振腔一般采用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。 He-Ne激光管的結(jié)構(gòu)按諧振腔與放電管的放置

5、方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。按陰極及貯氣室位置的不同又可分為同軸式、旁軸式和單細(xì)管式。圖2 HeNe激光器的基本結(jié)構(gòu)形式HeNe激光器工作原理 He-Ne激光器是利用原子中的電子電子能級之間的躍遷。它可以在0.6328 m,3.39 m和1.15 m三個中的任何一個波長上實(shí)現(xiàn)激光振蕩。 He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，能級結(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖3 HeNe原子的部分能級圖m振蕩是由躍遷 形成的。上能級 壽命為10-7秒。下能級 壽命為1.810-8秒，比 壽命短得多，因而滿足反轉(zhuǎn)分布條件。m振蕩是由 躍遷形成的。對激光上能級 的泵浦是通過與氖的 23S1 的近共振能量轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。

6、 的壽命為10-7秒。它的下能級與m躍遷過程所使用的相同，所以，也有賴于管壁效應(yīng)抽空1S能級，從而抽空 能級上的氖原子。 339m振蕩是由躍遷 形成的。其上能級與m振蕩時(shí)的相同；下能級 的壽命為10-8秒，下能級與基態(tài)間的躍遷是禁戒的，通過自發(fā)幅射衰變到1S能級上，因而也是靠管壁效應(yīng)抽空激光下能級。m和m兩種振蕩具有同一個上能級,因此它們之間存在著較強(qiáng)的譜線競爭。 的壽命比 的短，允許建立起相應(yīng)于m振蕩的大的反轉(zhuǎn)分布；同時(shí)由于增益G正于 ，使得m振蕩的增益大于m振蕩的增益，所以m首先達(dá)到閾值，正常的振蕩發(fā)生在m而不是0.6328 m 。一旦m振蕩發(fā)生， 上的反轉(zhuǎn)數(shù)被消耗，m的增益受到抑制，阻礙

7、了 上原子數(shù)的進(jìn)一步增加，因此限制了m振蕩的發(fā)生。 譜線競爭m與m振蕩共同使用一個下能級，因而也將發(fā)生譜線競爭。這兩條譜線間的競爭較m和m兩條譜線間的競爭弱一些。2. A r+離子激光器如果激光躍遷發(fā)生在氣體原子或分子的離子能級之間，這種激光器就稱為離子激光器。一般分為氣體離子激光器（它包括惰性氣體離子激光器和分子氣體離子激光器）和金屬蒸氣離子激光器。離子氣體激光器輸出的波長范圍很寬，從紫外2358一直到近紅外m，已觀察到400多條譜線，大多數(shù)落在可見光范圍。離子激光器是目前可見光區(qū)最強(qiáng)的相干光源。 氬離子激光器是一種惰性氣體離子激光器。它輸出的激光波長主要是m和m的藍(lán)綠光。連續(xù)輸出功率一般為

8、幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦，是目前在可見區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光器。 氬離子激光器的閾值電流密度較高，在100A/cm2以上。氬離子激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，一般在10-410-5范圍。效率低的原因是在氣體放電過程中電離度不高，形成激發(fā)態(tài)的離子密度小，而且它的工作能級離基態(tài)較高，量子效率比較低。 氬離子激光器的激發(fā)機(jī)理能級結(jié)構(gòu)： 氬(Ar)的原子序數(shù)為18，電子組態(tài)為1s22s22p63s23p6，最外層3p6失去一個電子形成基態(tài)氬離子Ar+(3p5)，3p5上的一個電子被激發(fā)到更高的電子層上，形成不同的電子組態(tài)，如3p43d、3p44s、3p44p、3p44d、3p45s等。熒光譜線可達(dá)

9、幾百條，圖4是與產(chǎn)生激光有關(guān)的能級與躍遷圖。圖4 氬離子能級和躍遷 圖5氬離子主要激光譜線 3p44s3p5輻射m左右的真空紫外光。3p44p3p44s輻射可見光。 電子組態(tài)3p44p和3p44s都由很多能級組成。 3p44p中與主要激光譜線有關(guān)的能級有2S1/2、2P1/2、2P3/2、2D3/2、2D5/2、4D3/2、4D5/2。 3p44s中與主要激光譜線有關(guān)的能級有：2P1/2、2P3/2。它們之間躍遷產(chǎn)生九條譜線。m和m兩條最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)測定，3p44p的平均壽命(810-9s)比3p44s的壽命(10-9s)長約一個數(shù)量級，即使上、下能級的激發(fā)速率相同，也能建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第一種形式

10、是電子與Ar原子碰撞，使Ar原子電離成Ar+，Ar+再與電子碰撞而被激發(fā)到高能態(tài)。此激發(fā)形式稱為“二步過程”，可表示如下：在激發(fā)過程中，單位體積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)的離子數(shù)N與電流密度的平方成正比。Ar+的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主要靠電子碰撞激發(fā)，其激發(fā)過程包括三種形式：激發(fā)過程第二種形式是電子與氬原子碰撞后直接把氬原子電離并激發(fā)到激發(fā)態(tài)，稱這種激發(fā)過程為“一步過程”，其反應(yīng)式為：上面二種激發(fā)形式在氬離子激光器中都存在，至于哪種占優(yōu)勢則取決于工作條件與工作方式。連續(xù)工作的器件中，“二步過程”占主導(dǎo)地位。 第三種形式是通過電子碰撞先把Ar+激發(fā)到3p45s和3p44d等高能態(tài)上，然后通過輻射躍遷到激光上能

11、級3p44p上。稱這種激發(fā)過程為串激躍遷。這一過程是激發(fā)3p44p能級組的主要過程之一。 這三種激發(fā)過程，要求電子的能量都是比較高的 ，因此要求低氣壓，大電流激勵。由于放電電流密度大，所以氬離子激光器的結(jié)構(gòu)比其他氣體激光器要復(fù)雜的多。 氬離子激光器的結(jié)構(gòu) 氬離子激光器的結(jié)構(gòu)包括放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等部分，如圖6所示。圖6 氬離子激光器的基本結(jié)構(gòu) 放電管 由于工作電流大，放電毛細(xì)管的管壁溫度可達(dá)1000以上，所以要求放電管的材料要耐高溫、散熱性好。此外，還要求放電管材料的氣密性好、吸氣率低，機(jī)械強(qiáng)度高。常用的材料有石英、氧化鈹陶瓷、石墨等。陰極和陽極 Ar激光器的陰極要求有較高

12、的電子發(fā)射率，能耐離子轟擊，耐高溫。一般采用熱陰極，最常用的是鋇鎢陰極。陽極一般也采用耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好的材料。回氣管 Ar激光器還必須有回氣管，因?yàn)樵诖箅娏髅芏群偷蜌鈮悍烹娭?，存在?yán)重的氣體泵浦效應(yīng)，即放電管內(nèi)的氣體會被從一端抽運(yùn)到另一端，造成兩端氣壓不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會造成激光猝滅現(xiàn)象。 在放電管外設(shè)置一回氣管路，使管內(nèi)氣體形成閉合回路，依靠氣體的擴(kuò)散作用，可以減小管內(nèi)氣壓差。為了使放電不沿回氣管進(jìn)行，要求回氣管的長徑比要大于放電管的長徑比。 貯氣瓶 為了防止放電管內(nèi)氣壓的變化而影響使用壽命，放電管上常備有貯氣和充氣裝置。磁場 為了提高氬離子激光器的輸出功率及壽命，一般要加上幾十到10

13、0毫特斯拉左右的軸向磁場。磁場通常由套在放電管外面的螺線管產(chǎn)生。諧振腔 Ar+激光器的諧振腔反射鏡與He-Ne激光器一樣，也是由玻璃多層介質(zhì)膜構(gòu)成。全反端的反射率在以上，一般小型器件輸出鏡的透過率為 34，大型器件為1015。 圖7 分段石墨結(jié)構(gòu)氬離子激光器1.石墨陽極 2. 石墨片 3. 石英環(huán) 4. 水冷套 5. 放電管 6. 陰極 7. 保熱屏 8. 加熱燈絲 9. 布氏窗 10. 磁場11. 儲氣瓶12. 電磁真空充氣閥13. 鎮(zhèn)氣瓶14. 波紋管15. 氣壓檢測器3. CO2激光器 分子氣體激光器利用分子的振動一轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷。第一類分子激光器是振動一轉(zhuǎn)動激光器。它利用同一電子態(tài)

14、(基態(tài))的不同振動態(tài)的轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷，振蕩波長在中紅外或遠(yuǎn)紅外波段(5-300 m)。第二類分子激光器是電子振動激光器。 CO2激光器是振動轉(zhuǎn)動分子激光器的代表。它的工作氣體是CO2,N2和He的混合物。原子里的電子保留在基態(tài)，激光躍遷發(fā)生在CO2的不同振動態(tài)的兩個轉(zhuǎn)動能級之間。CO2激光器效率高,輸出能量大,功率高。 能級結(jié)構(gòu): CO 2激光器中與激光躍遷有關(guān)的能級是由CO2分子和N2分子的電子基態(tài)的低振動能級構(gòu)成的。 N2分子是同核雙原子分子，分子振動與兩個原子的相對運(yùn)動有關(guān)。這種振動發(fā)生在頻率 處，能級由間距等于 的一組能級組成。 CO2分子是線性三原子分子，分子振動的情況比N2要復(fù)

15、雜一些。CO2激光器工作原理CO2分子有9個自由度,其中振動自由度有4個,但振動方式只有三種(如圖8所示)：對稱振動，彎曲振動和反對稱振動。 圖8 CO2分子的三種基本振動方式能級表示： CO2的振動狀態(tài)可以用三個獨(dú)立的振動量子數(shù)表示 。用 分別表示對稱振動彎曲振動和反對稱振動的基頻。CO2分子能級表示用 表示。相應(yīng)于這種振動繞分子軸的角動量 稱為振動角動量。其中l(wèi)表示彎曲振動的振動量子數(shù)，它的取值為：例如，0200表示彎曲振動有兩個振動量子，0110能級具有最低的振動能量。CO2的一些低振動能級如圖9所示。圖9 N2分子和CO2分子的電子基態(tài)的低振動能級 可能的躍遷： 根據(jù)波函數(shù)對稱性的要求

16、，在電子基態(tài)上的振動和轉(zhuǎn)動波函數(shù)應(yīng)具有相同的對稱性：對稱振動的波函數(shù)是對稱的，彎曲振動和反對稱振動的波函數(shù)是反對稱的。J為偶數(shù)的轉(zhuǎn)動態(tài)的波函數(shù)是對稱的，J為奇數(shù)的轉(zhuǎn)動態(tài)的波函數(shù)是反對稱的。因此，在0001能級上，J為偶數(shù)的轉(zhuǎn)動能級是空的，在1000能級上，J為奇數(shù)的轉(zhuǎn)動能級是空的。對CO2分子講，在每一個振動能級上，不是所有J值的轉(zhuǎn)動能級都存在。在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支是非禁戒的。P(20)指的是從上能級J=19到下能級J=20的躍遷；R(20)指的是從上能級J=21到下能級J=20的躍遷。激發(fā)過程 激光躍遷可發(fā)生在00011000(106m)和00010200(96m)兩

17、個過程中。但輸出激光主要發(fā)生在00011000過程中。 泵浦主要通過下面兩個過程：電子碰撞激發(fā)，這個過程表示為：與這類過程相對應(yīng)的電子碰撞截面非常大。當(dāng)電子能量為時(shí)，峰值截面為510-10cm2。受到電子碰撞后被激發(fā)到高振動激發(fā)態(tài)的CO2分子中的很大一部分將通過振動模與振動模之間的能量交換（V-V遲豫），從激發(fā)態(tài)沿著能量階梯躍落下來，很容易被長壽命的0001能級收集。 N2分子的共振能量轉(zhuǎn)移： 電子碰撞激發(fā)N2的振動能級的總截面很大。這些被激發(fā)的很大一部分分子將被=1的能級所收集。N2的=1能級與CO2的0001能級僅相差18cm-110-3eV)，因此，N2與CO2的基態(tài)分子發(fā)生碰撞時(shí)，N2

18、將激發(fā)能量轉(zhuǎn)移給CO2分子，使之激發(fā)到0001能級；這個過程可表示為： N2(=1)+CO2(0001)N2(=0)+CO2(00010-3eV 因此，通過N2分子的近共振能量轉(zhuǎn)移來泵浦0001能級是很有效的過程。 N2是CO2激光器中的能量轉(zhuǎn)移氣體。當(dāng)E/N=2610-16Vcm2時(shí)，輸入電功率的大部分被用于激發(fā)0001能級。所以說CO2激光器的效率是相當(dāng)高的。激光上下能級的壽命和下能級的排空CO2各能級的自然壽命都很長。0001能級的s=210-3秒，1000能級的s秒。這是因?yàn)椋?0010000是允許的光學(xué)躍遷，而10000000是禁戒的。這種情況對產(chǎn)生激光振蕩十分不利。在CO2激光器中

19、有多種氣體成分存在，使不同能級的衰變主要取決于碰撞。 CO2分子的0110能級能否被盡快排空。實(shí)際情況是，0110能級使分子到基能級的衰變變慢，它的作用表現(xiàn)為一種瓶頸現(xiàn)象。 He的存在將對0110能級的壽命產(chǎn)生很大影響。He與0110能級上的CO2分子碰撞的結(jié)果使0110能級的壽命達(dá)到=210-5秒。 He的存在不僅有助于抽空CO2分子的激光下能級，滿足實(shí)現(xiàn)激光連續(xù)振蕩的條件。而且有助于讓放電區(qū)的剩余熱量傳走 。 轉(zhuǎn)動能級競爭不同的振動能級之間的熱平衡速率較小，約為103秒-1；而在同一振動態(tài)上的不同轉(zhuǎn)動能級之間的熱平衡速率很大，約為107秒-1)。于是，處在同一振動態(tài)的所有轉(zhuǎn)動能級上的全部粒

20、子都對具有最高增益的那個轉(zhuǎn)動能級的激光躍遷有貢獻(xiàn)。CO2分子可以看作是一個“啞鈴”形的剛性轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)動量子數(shù)為J的轉(zhuǎn)動能級上的平衡粒子數(shù)為：在CO2分子的0001能級中，J=21的轉(zhuǎn)動能級上的粒子數(shù)最多。 因此，通常是00011000躍遷中的P(22)支起振，在J=2l的轉(zhuǎn)動能級上的粒子數(shù)被迅速消耗，于是，其它轉(zhuǎn)動能級上的CO2分子將迅速躍遷到這一轉(zhuǎn)動能級上來。就是說，P(22)支振蕩將吃掉其它轉(zhuǎn)動能級上的粒子數(shù),這就是轉(zhuǎn)動競爭效應(yīng)。 CO2激光器輸出光譜 CO2的振轉(zhuǎn)能級非常密集，使CO2激光器輸出的波長十分豐富。 00011000躍遷的波長范圍是mm；其中，P支從P456共有27條譜線，最強(qiáng)

21、的是P18、P20、P22、和P24。R支從R4R54共有26條譜線，最強(qiáng)的是R18、R20、R22和R24；00010200躍遷，在m到m波長范圍內(nèi)，有40多條譜線。CO2激光器的結(jié)構(gòu) CO2激光器的種類多，應(yīng)用廣泛。從激光器的結(jié)構(gòu)來看，CO2激光器可分為 ： (1)縱向封離型激光器；(2)縱向流動激光器；(3)橫向流動激光器；(4)橫向激勵高氣壓激光器(TEA)；(5)射頻激勵激光器；（6）波導(dǎo)CO2激光器；（7）氣動激光器。圖10 (a) 縱向封離型激光器 圖10 （b）縱向流動激光器 圖10 (c) 橫向流動激光器 圖10 (d) 橫向激勵高氣壓激光器(TEA) 圖10 (e) 波導(dǎo)C

22、O2激光器圖10 (f) 射頻激勵激光器4.準(zhǔn)分子光器 準(zhǔn)分子(Excimer)是束縛在電子激發(fā)態(tài)的分子，是一種處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合分子，無穩(wěn)定的基態(tài)。很快自動地離解成原子或其它分子團(tuán)，從它產(chǎn)生到消失的時(shí)間只有幾十毫微秒。 準(zhǔn)分子分兩類；一類是同核二聚物(Dimer)如 、 等， 另一類是異核型準(zhǔn)分子 (Exciplex)，如惰性氣體的氧化物和鹵化物 、 等，以及金屬鹵化物 等。 An excimer laser is a specific type of molecular gas laser that produces high intensity light in the ultraviol

23、et (UV) range of the electromagnetic spectrum. The UV light source is a Lumonics PM-848k excimer laser, which can be configured to operate with either a KrF (krypton-fluoride) gas mixture at 248 nm or an ArF (argon-fluoride) gas mixture at 193 nm. The excimer laser beam will be used for microfabrication in a wide range of absorb