技術(shù)課件十四、氣體激光器

激光原理與技術(shù)

LaserPrinciple&Technology物理與光電工程學(xué)院顧芳5.2氣體激光器NanjingUniversityofInformationScience&Technology物理學(xué)專業(yè)方向選修課第5章典型激光器第一臺(tái)固體脈沖紅寶石激光器問(wèn)世后，激光器的研制發(fā)展非常迅速。各種工作物質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。激光器的種類：如果按工作波段分：可分為紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見(jiàn)光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射線激光器。如果按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分：可分為連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器。5.1固體激光器5.2氣體激光器5.3染料激光器5.4半導(dǎo)體激光器5.5其它激光器本章內(nèi)容

本節(jié)內(nèi)容提要5.2氣體激光器

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器5.2.2二氧化碳激光器5.2.3Ar+離子激光器

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器一、He－Ne激光器的結(jié)構(gòu)He-Ne激光管的陽(yáng)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。二、氦和氖原子的能級(jí)圖激光器的工作氣體是He和Ne，其中產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣。He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。He原子有兩個(gè)電子，沒(méi)激發(fā)時(shí)這兩個(gè)原子都分布在1S0殼層上，He原子處于基態(tài)。當(dāng)He原子受激（高速電子碰撞）時(shí)，使其中一個(gè)電子從1S激發(fā)到2S，He原子成為激發(fā)態(tài)。He原子有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，分別記為23S1、21S0。三、He-Ne激發(fā)過(guò)程He-Ne激光器中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過(guò)程：第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級(jí)圖可見(jiàn)，He原子的21S0、23S1態(tài)分別與Ne原子的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)95%.s2s1Nes3s12s32Hep2p3電子碰撞激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移第二是電子碰撞激發(fā)。在氣體放電過(guò)程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動(dòng)能的電子進(jìn)行非彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和3S態(tài)，與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過(guò)程激發(fā)的速率要小得多。第三是串級(jí)躍遷，Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，與前述兩過(guò)程相比，此過(guò)程貢獻(xiàn)最小。典型的四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條。四、He-Ne激光器的輸出特性

譜線競(jìng)爭(zhēng):He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線：

3S2P0.6328m，

2S2P1.15m，

3S3P3.39m

中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡(反射率）的波長(zhǎng)選擇。0.6328um和3.39umm兩條激光譜線有共同的激光上能級(jí)3S，而后者增益系數(shù)比較高，如果不進(jìn)行抑制,則3.39um的輻射在腔內(nèi)振蕩過(guò)程中將消耗大量的3S2態(tài)原子。抑制3.39um輻射的辦法主要有:①選用對(duì)3.39um的光具有低反射率的諧振腔反射鏡,使339um達(dá)不到閾值條件，如圖，在腔內(nèi)加色散棱鏡，將兩譜線分開(kāi)，通過(guò)調(diào)整諧振腔反射鏡的位置，只允許0.6328um的輻射起振，而使3.39um的輻射偏離出諧振腔外。②腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，因?yàn)榧淄閷?duì)3.39um的光具有強(qiáng)吸收而對(duì)0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振蕩；③外加非均勻磁場(chǎng)也能抑制3.39um振蕩。根據(jù)塞曼效應(yīng),磁場(chǎng)可引起譜線分裂，分裂的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。如果激光管內(nèi)磁場(chǎng)分布不均勻，則各處譜線分裂程度不同并連成一片，相當(dāng)于譜線變寬。

300高斯非均勻磁場(chǎng)中，兩譜線加寬均約900MHz,0.6328umm原譜線半寬度約1500MHz，非均勻磁場(chǎng)對(duì)它展寬的比例不大。但3.39um原譜線寬只有300MHz左右，非均勻磁場(chǎng)的加寬比它大幾倍。由于增益系數(shù)反比于線寬，所以外加非均勻磁場(chǎng)后，3.39um的增益系數(shù)急劇下降，而0.6328mm的增益系數(shù)卻下降很少，結(jié)果提高了0.6328um的競(jìng)爭(zhēng)能力，3.39um則被抑制。外加非均勻磁場(chǎng)的裝置如上圖所示，沿放電管軸向放置許多小磁鐵，相鄰的極性相同，這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場(chǎng)。(2)輸出功率特性

He-Ne激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。①圖中所示為He-Ne激光器的的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線。表明:在氣壓比為定值時(shí),每個(gè)總氣壓都存在一個(gè)輸出最大的放電電流,其大小隨著總氣壓的升高而降低,這是因?yàn)闅鈮荷?只需要較小的放電電流就能得到相同的電子密度。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流。②He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為7／1時(shí)是最佳分壓比。而總壓強(qiáng)在100Pa～400Pa。選用He氣作輔助氣體的原因:Ne原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級(jí)；He*與Ne*能級(jí)極相近,易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移。③若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)為p，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳p和d值。④最佳放電條件下，工作物質(zhì)增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑成反比。五、He-Ne激光器的壽命He-Ne激光器使用一段時(shí)間或存放一段時(shí)間后，它的輸出功率會(huì)逐漸降低，以致最后沒(méi)有激光輸出?，F(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1/e的工作時(shí)間為器件的壽命。影響器件壽命的因素大致有以下幾方面：1．慢漏氣2．放電管內(nèi)元件放氣3．陰極濺射4．工作氣體的吸附、吸收和滲透5．諧振腔反射鏡的污染5.2.2二氧化碳激光器C02激光器的主要特點(diǎn)是輸出功率大,能量轉(zhuǎn)換效率高,輸出波長(zhǎng)(10.6um)，廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其它軍事應(yīng)用。C02激光器以C02、N2和He的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C02分子的電子基態(tài)的兩個(gè)振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間。N2的作用是提高激光上能級(jí)的激勵(lì)效率,則有助于激光下能級(jí)的抽空。5.2.2二氧化碳激光器一、CO2激光器的結(jié)構(gòu)

圖中所示是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。其激光波長(zhǎng)為10.6m和9.6m

它既能連續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)(2025)％，連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦量級(jí)，脈沖輸出能量可達(dá)萬(wàn)焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。特別是CO2激光波長(zhǎng)正好處于大氣窗口，并且對(duì)人眼的危害比可見(jiàn)光和1.06m紅外光要小得多。廣泛用于材料加工、通信、雷達(dá)等方面.二、CO2激光器的激發(fā)過(guò)程CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖如圖所示。C02激光器中,通過(guò)以下兩個(gè)過(guò)程將C02分子激發(fā)到0001能級(jí)1.直接電子碰撞電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級(jí)。這一過(guò)程可表示為

C02(0000)+e→C02(0001)+e2.共振轉(zhuǎn)移由于N2分子(v=0)能級(jí)和電子碰撞后躍遷到v=1的振動(dòng)能級(jí)。這是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，因而可積累較多的N2分子，基態(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級(jí)。

這一過(guò)程可表示為C02(0000)+N2(v=1)→C02(0001)+N2(v=0)三、CO2激光器的輸出特性相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。例如：管徑為20-30mm

時(shí)，最佳放電電流為30-50mA

管徑為50-90mm

時(shí)，最佳放電電流為120-150mA(1)放電特性CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過(guò)40％，這就是說(shuō)，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。(2)溫度效應(yīng)5.2.3Ar+離子激光器Ar＋激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)，其中，以0.4880m藍(lán)光和0.5145m綠光兩條譜線最強(qiáng)。Ar＋激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。連續(xù)功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦，是目前在可見(jiàn)光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。它廣泛應(yīng)用于全息照相、信息處理、光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領(lǐng)域。5.2.3Ar+離子激光器一、Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)

Ar＋激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等幾部分組成。如圖所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)。1．石墨陽(yáng)極2．石墨片3．石英環(huán)4．水冷套5．放電毛細(xì)管

6．陰極7．保熱屏8．加熱燈絲9．布氏窗10．磁場(chǎng)11．貯氣瓶12．電磁真空充氣閥13．鎮(zhèn)氣瓶14．波紋管15．氣壓檢測(cè)器二、Ar＋激光器的激發(fā)機(jī)理Ar+激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖所示。

Ar+激光器的激活粒子是Ar+，Ar+激光器的激發(fā)過(guò)程分兩步進(jìn)行：①通過(guò)氣體放電，將氬原子Ar電離（碰撞）；②再通過(guò)放電激勵(lì)（碰撞）將Ar+激發(fā)到激光上能級(jí)；激光躍遷上能級(jí)(3P44P)粒子的積聚主要通過(guò)三種途徑實(shí)現(xiàn)：(1)基態(tài)Ar+與電子碰撞后直接躍遷到3P44P

能級(jí);(2)基態(tài)Ar+與電子碰撞后躍遷至高于3P44P

的其他能級(jí),再通過(guò)級(jí)聯(lián)輻射躍遷至3P44P

能級(jí);(3)基態(tài)Ar+和電子碰撞躍遷至低于3P44P

的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)后再次與電子碰撞并躍遷至3P44P

能級(jí)。三、Ar＋激光器的工作持性(1)多譜線工作激光躍遷發(fā)生在Ar+的電子組態(tài)3P44P和3P44S之間。前者的壽命約為10-8s,后者通過(guò)自發(fā)輻射迅速消激發(fā),其壽命約為10-9s。由于3p44P和3P44s電子組態(tài)均對(duì)應(yīng)若干子能級(jí),所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍(lán)綠激光譜線（0.4545m、0.4579m、0.4658m、0.4727m、0.4765m、0.4880m、0.4965m、0.5145m、0.5287m）,對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流。其中以488nm和514.5nm譜線閾值電流最低，最先起振。

在諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件（選頻）,可以獲得單譜線激光。(2)輸出功率與放電電流的關(guān)系由于Ar＋激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同，圖中給出二者之間的關(guān)系曲線。放電電流較小時(shí)輸出功率與放電電流成四次方的關(guān)系，隨著放電電流的增大，輸出功率與放電電流成平方的關(guān)系。這是因?yàn)?，隨著電流密度的增大，使氣體溫度升高，激光譜線變寬，因而其增益隨電流增長(zhǎng)的速度變慢。5.3染料激光器1966年，人們第一次利用巨脈沖紅寶石激光器泵浦氯化鋁酞化菁(CAP)和花菁類染料，獲得了受激輻射。此后，染料激光器得到了迅速的發(fā)展。

染料激光器受到重視的原因是：①輸出激光波長(zhǎng)可調(diào)諧（波長(zhǎng)是可以調(diào)節(jié)的），某些染料激光波長(zhǎng)可調(diào)寬度達(dá)上百毫微米；②激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度可壓縮至飛秒(10－15秒)量級(jí)；③染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，并且價(jià)格便宜；④染料激光器工作物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學(xué)質(zhì)量。

因此，它在光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、同位素分離、全息照相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應(yīng)用。

內(nèi)容提要5.3染料激光器

5.3.1染料激光器的激發(fā)機(jī)理5.3.2染料激光器的泵浦5.3.3染料激光器的調(diào)諧

染料激光器采用溶于適當(dāng)溶劑中的有機(jī)染料作激光工作物質(zhì)。一、染料分子能級(jí)5.3.1染料激光器的激發(fā)機(jī)理每個(gè)染料分子都由許多原子組成，其能級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。由于染料分子的運(yùn)動(dòng)包括電子運(yùn)動(dòng)、組成染料分子的原子間的相對(duì)振動(dòng)和整個(gè)染料分子的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在染料分子的能級(jí)中，對(duì)應(yīng)每個(gè)電子能級(jí)都有一組振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，并且由于分子碰撞和靜電擾動(dòng)，振動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)被展寬。電子能級(jí)中有單態(tài)和三重態(tài)兩類分子處于激發(fā)的三重態(tài)：

即分子中含有兩個(gè)自旋不配對(duì)的電子電子激發(fā)態(tài)的多重度用M=2s+1表示，s為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和，其數(shù)值為0或1.根據(jù)pauli不相容原理，分子中同一軌道所占據(jù)的兩個(gè)電子必須具有相反的自旋方向，即自旋配對(duì)。假如分子中全部軌道里的電子都是自旋配對(duì)的，即s=0,分子的多重度M=1，該分子體系便處于單重態(tài)，用符號(hào)S表示。電子的躍遷過(guò)程中如果還同時(shí)伴隨了自旋方向的改變，這時(shí)分子便具有了兩個(gè)自旋不配對(duì)的電子，即s=1,分子的多重度M=3，分子處于激發(fā)的三重態(tài)，用符號(hào)T表示。二、染料分子的光輻射過(guò)程染料分子吸收了泵浦光能量由基態(tài)S0躍遷到S1的某一振轉(zhuǎn)能級(jí)后,在和溶劑分子頻繁的碰撞中迅速地將能量傳遞給溶劑分子并躍遷至S1的最低振轉(zhuǎn)能級(jí)。染料分子由此能級(jí)躍遷至S0的各振動(dòng)能級(jí)時(shí)產(chǎn)生熒光。躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)的染料分子迅速通過(guò)無(wú)輻射躍遷過(guò)程返回S0的最低能級(jí)。由以上敘述可知，在S1的最低振轉(zhuǎn)能級(jí)和S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)間極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，產(chǎn)生激光。由于S0和S1都是準(zhǔn)連續(xù)帶，吸收譜和熒光發(fā)射譜都是連續(xù)的，所以染料激光器有很寬的調(diào)諧范圍。三、染料分子的三重態(tài)“陷阱”

染料分子的熒光輻射相應(yīng)于S1S0的躍遷。由于三重態(tài)T1較單態(tài)S1略低，所以處在S1中的分子很容易無(wú)輻射躍遷到T1上。并且因?yàn)門1與S0之間不允許產(chǎn)生輻射躍遷，T1的壽命較長(zhǎng)，約為10－410－3秒，所以T1態(tài)對(duì)于激發(fā)分子來(lái)說(shuō)，相當(dāng)是一個(gè)“陷阱”。

一方面，

T1占有S1上部分分子，減少了S1對(duì)S0的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，另一方面，積累在T1中的大量分子又會(huì)吸收光能，由T1躍遷到T2，并且而T1→T2躍遷的吸收波長(zhǎng)又恰好與S1→S0躍遷熒光波長(zhǎng)重疊,這意味著T1態(tài)積聚的染料分子可吸收受激輻射光子而向T2態(tài)躍遷。

因此染料分子在T1態(tài)集聚不利于激光運(yùn)轉(zhuǎn)。

因此，必須設(shè)法消除三重態(tài)，通常采用的方法是在染料中加入三重態(tài)猝滅劑，縮短T1的壽命；或者是使染料分子在T1上積聚之前，就已完成激光振蕩，以使三重態(tài)的“陷阱”來(lái)不及起作用。后面這種方式要求激光器采用短脈沖泵浦光源。5.3.2染料激光器的泵浦根據(jù)染料分子光輻射的特殊性，染料激光器應(yīng)采用光泵浦。按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式區(qū)分，有脈沖泵浦和連續(xù)泵浦；按照泵浦光源區(qū)分，有閃光燈泵浦和激光泵浦。這里只介紹脈沖泵浦。脈沖泵浦以泵浦光的足夠高的功率和足夠快的上升時(shí)間，克服三重態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)激光器工作。這類器件的特點(diǎn)是輸出激光的峰值功率高，器件的轉(zhuǎn)換效率高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。一、閃光燈脈沖泵浦泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。閃光燈泵浦方式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但因泵浦光脈沖較寬(一般為10－410－6秒)，三重態(tài)的影響不能完全消除，還須在染料中添加猝滅劑。二、激光脈沖泵浦能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，紅寶石激光器(0.6943m)，釹玻璃激光器(1.06m)，銅蒸氣激光器(0.5106m、0.5782m)，準(zhǔn)分子激光器(主要在紫外區(qū))以及這些激光的二次、三次諧波等。選用泵浦激光的原則是：①泵浦光譜應(yīng)與染料吸收光譜匹配；②泵浦光功率