二氧化碳激光器原理及光學(xué)鏡片的損傷課件

激光原理與技術(shù)

1精選課件ppt光2精選課件ppt概述一、激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)由工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分構(gòu)成。激光器的基本結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)是激光器的核心,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。泵浦源為在工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布提供所需能源。工作物質(zhì)類型不同,采用的泵浦方式不同。3精選課件ppt概述光學(xué)諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋。在CO2激光器中的光學(xué)諧振器由全反射鏡和部分反射鏡組成，光學(xué)諧振腔通常的作用：控制光束的傳播方向、選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性、增加激活介質(zhì)的工作長度、諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質(zhì)量。4精選課件ppt能級(jí)1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（激光產(chǎn)生的基本條件）E1E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在通常情況下，處于低能級(jí)E1的原子數(shù)大于處于高能級(jí)E2的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了得到激光，就必須使高能級(jí)E2上的原子數(shù)目大于低能級(jí)E1上的原子數(shù)目，因?yàn)镋2上的原子多，發(fā)生受激輻射，發(fā)出光。5精選課件ppt能級(jí)所有的光都是原子、分子能級(jí)變化所造成的。這些特定能級(jí)差別的吸收和釋放都表現(xiàn)成為特定波長的光。光譜能被吸收后，會(huì)導(dǎo)致原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，部分躍遷到高能級(jí)的原子又會(huì)躍遷到低能級(jí)并釋放出相同頻率單色光譜。6精選課件ppt激光的特點(diǎn)激光與普通意義上的光源相比較激光主要有四個(gè)特點(diǎn)：方向性好、亮度極高、單色性好、相干性好。激光具有輸出光束質(zhì)量高、連續(xù)輸出功率大(CO2

激光器)等輸出特性,其器件結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低廉。7精選課件ppt輸出特性氣體激光器氣體和金屬蒸氣作為工作物質(zhì)。根據(jù)氣體工作物質(zhì)為氣體原子、氣體分子或氣體離子,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。

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)生在氣體分子不同的振-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。分子激光器的典型代表是CO2

激光器。8精選課件ppt

激勵(lì)方式氣體激光器一般采用氣體放電激勵(lì)，射頻激勵(lì)電能利用率高，放電穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)大面積均勻放電，因而可按增益面積比例提高器件的輸出功率，使大功率器件的體積大為縮小，板條式激光器的放電面積每平方厘米功率輸出1.5W到2W；射頻能量可以通過介質(zhì)材料進(jìn)行放電。如陶瓷介質(zhì)，射頻電極在波導(dǎo)外，射頻能量可以透過陶瓷介質(zhì)直接饋入到激光器工作氣體中去，因此激光諧振腔內(nèi)減少電極濺射與污染，有助于延長激光器的壽命。波長范圍：氣體激光器波長覆蓋范圍主要位于真空紫外—遠(yuǎn)紅外波段。9精選課件ppt氣體激光器三、Co2激光器

CO2

激光器是一種混合氣體激光器, CO2為工作物質(zhì), N2

、He、CO、Xe、H2O、H2

與O2等為輔助氣體,其作用是提高激光器的輸出功率和效率。

CO2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,能量轉(zhuǎn)換效率高。

CO2

激光器連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)十萬瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件;脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬焦,脈寬可壓縮到納秒量級(jí),脈沖功率密度可達(dá)太瓦量級(jí)。其二是輸出波長分布在9～18μm波段,已觀察到的激光譜線二百多條。 其中,9～11μm紅外波段中最重要的輸出波長10.6μm處于大氣傳輸?shù)拇翱?有利于激光測距、激光制導(dǎo)、大氣通信等方面的應(yīng)用,且該波長對人眼安全。

CO2激光器于1964年問世。10精選課件ppt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、N2O等氣體時(shí),輸出功率則顯著下降。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+He+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0110能級(jí)的弛豫速率。加入適量的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,則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)反應(yīng),生成N2O和NO,它們對CO2分子的0001能級(jí)有消激發(fā)作用。11精選課件ppt氣體激光器

氦:在CO2+N2混合氣體中,加入適量的He(He的含量可以是CO2的4～5倍)可以大幅度提高輸出功率。其原因是: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)),可有效降低工作氣體溫度,提高輸出功率。另外He對CO2分子激光下能級(jí)1000、0200和0110的弛豫作用遠(yuǎn)大于其對激光上能級(jí)0001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。

氙:在CO2+N2+He混合氣體中,加入少量的Xe,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%。原因是:Xe的電離電位低,加入后可增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?；旌蠚怏w中Xe的含量有一最佳值,一般其分壓強(qiáng)在107～160Pa之間。Xe的含量不可過高,過高雖使電子密度增加,但電子碰撞機(jī)會(huì)也隨之增加,導(dǎo)致電子溫度下降。12精選課件ppt氣體激光器水蒸氣和氫:

在CO2+N2+He混合氣體中再加入少量的水蒸氣或H2,能提高器件的輸出功率和使用壽命。原因是H2O分子對CO2分子激光下能級(jí)1000以及0110能級(jí)的弛豫速率很大,且H2O分子振動(dòng)能級(jí)壽命很短,可以很快返回基態(tài)。H2的作用與H2O相同,因CO2分子在放電時(shí)會(huì)離解出O,H2與O合成H2O。因H2在常態(tài)下是氣體,其充入量比水蒸氣更易于控制,故常用H2代替水蒸氣?；旌蠚怏w中,H2O和H2的含量一般在13.3～40Pa之間,不能過高,因?yàn)樗鼈兂龑す庀履芗?jí)1000和0110有很強(qiáng)的抽空作用外,對激光上能級(jí)0001能級(jí)也有顯著的消激發(fā)作用。由于H2O和H2能對CO與O的復(fù)合起催化作用,故能延長CO2激光器的使用壽命。13精選課件ppt氣體激光器封離型CO2

激光器所謂封離型是指工作氣體與He-Ne激光器一樣被封離在放電管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的器件單位放電長度可輸出的功率比流動(dòng)型或氣動(dòng)型器件要低得多,一般輸出功率都低于200W。14精選課件pptCO2激光器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而且氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此。二氧化碳激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。缺點(diǎn)：CO2激光器的轉(zhuǎn)換率不高，將近一半以上的能量轉(zhuǎn)換為熱能，使溫度升高，使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少。氣溫升高，將使線鋪展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降，特別溫度升高，使CO2分子的分解，降低CO2分子濃度，這些因素都會(huì)引起激光器輸出功率下降15精選課件ppt光學(xué)元器件的損傷表面損傷：鏡面有疵點(diǎn)、劃痕、包裹物（小氣泡、介質(zhì)雜質(zhì)），在這些缺陷的地方光波電場顯著加強(qiáng)，會(huì)發(fā)生光學(xué)擊穿或故障，此外空氣的浮塵、指紋和元件排出的氣體殘留也會(huì)對光學(xué)鏡片造成污染。損傷閾值：損傷閾值取決于材料及其潔凈度。當(dāng)能量密度較高時(shí)，損傷的概率就越高。16精選課件ppt二氧化碳激光器的應(yīng)用小功率CO2激光器主要應(yīng)用于打標(biāo)行業(yè)。大功率CO2激光器:激光器是當(dāng)今世界激光切割、焊接、表面處理等的主力光源，激光加工技術(shù)作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題，與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，激光加工有著許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：17精選課件ppt(1)可以