常用氣體激光器講解.ppt

1、二氧化碳激光器屬于分子氣體激光器，一、工作原理、CO2分子有三種不同的運(yùn)動(dòng)形式：1 .對(duì)稱振動(dòng)(b )，2 .應(yīng)變振動(dòng)(c )，3 .非對(duì)稱振動(dòng)(d )，1、 2.N2在氣體中發(fā)揮能量轉(zhuǎn)移作用。 N2分子與電子碰撞的概率高，在放電中使多個(gè)N2成為準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。 通過(guò)近共振碰撞使內(nèi)部能量向CO2分子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的逆分布，3.He對(duì)CO2分子有冷卻作用，也能夠加速下能級(jí)粒子數(shù)的排氣，4.Xe的電離電位低，激光器內(nèi)的氣體容易電離，使CO2分子能量轉(zhuǎn)換效率提高1015 同時(shí)，在放電電流維持相同的狀態(tài)下，如果加入Xe，放電電壓可以降低2030。 5.H2或(H2O蒸氣)促進(jìn)低能量粒子的排氣，H2O蒸氣

2、有利于CO2分子的還原，可以延長(zhǎng)壽命。 2、工作物質(zhì)、N2分子受到電子碰撞而被激發(fā)，與CO2分子碰撞，將得到的N2分子的能量傳遞到CO2分子，大量的CO2分子被激發(fā)到001能級(jí)時(shí)，在能級(jí)001和能級(jí)100之間形成粒子數(shù)的逆分布。 3、CO2分子激發(fā)機(jī)理，He原子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)速度快，頻繁撞擊CO2分子，有效吸引010能級(jí)的CO2分子，大幅提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度。 100能級(jí)和020能級(jí)的分子急速遷移到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)010能級(jí)。 因此，轉(zhuǎn)變?yōu)?10能級(jí)的CO2分子必須立即排氣，不利于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。 二、基本結(jié)構(gòu)、縱向電激發(fā)水冷內(nèi)腔式封閉型CO2激光器的典型結(jié)構(gòu)、封閉型是指工作氣體被封閉在放電管內(nèi)(由放

3、電管、水冷管和儲(chǔ)氣管三層結(jié)構(gòu)組成)。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊。 但是，每單位放電長(zhǎng)度的可輸出功率比其他結(jié)構(gòu)(流動(dòng)型和氣壓型等)的CO2激光器低。 折疊式CO2激光(未圖示水冷套)、橫向循環(huán)流動(dòng)CO2激光、縱向流動(dòng)CO2激光、三、輸出特性、1、能量轉(zhuǎn)換效率： 2025% (氦氖激光的能量轉(zhuǎn)換效率是千分之幾)； 2、常用的CO2激光輸出波長(zhǎng)為10.6，屬于中紅外區(qū)域，對(duì)人眼的損傷小，3、連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦級(jí)，常用電激勵(lì)，4、溫度效應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率最高不超過(guò)40，即60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能為了減小激光器的功率，冷卻問(wèn)題是CO2激光器正常工作的重要技術(shù)問(wèn)題。 原子和分子因某種原因而失去電子，得

4、到電子的過(guò)程稱為電離。 原子失去電子就叫正離子，反之叫負(fù)離子。 利用離子的能級(jí)遷移得到的激光器件稱為離子激光器。 氖、氬、氪、氙、鎘蒸氣、硒蒸氣等都是離子激光的工作物質(zhì)。 這些激光輸出功率比原子氣體激光器高幾十瓦，可以連續(xù)或脈沖輸出。 氬離子激光、一、工作原理、激發(fā)過(guò)程一般分為兩個(gè)階段：氣體放電后，放電管中的高速電子與中性氬離子碰撞，從氬離子發(fā)射電子使其電離，形成處于基態(tài)的氬離子，該基態(tài)Ar進(jìn)一步與高速電子碰撞，形成高能狀態(tài)因此，氬離子激光器的活化粒子是Ar。 在2次電子碰撞中將氬原子激發(fā)為3 p4p狀態(tài)比直接碰撞、一次將氬原子激發(fā)為3 p4p狀態(tài)的電子能量小，后者只能在低氣壓放電下得到這么大

5、的能量(35.5eV )。 由于3p44P和3p44S的能級(jí)有許多不同的電子態(tài)，因此氬離子激光輸出由豐富的光譜組成。 最強(qiáng)的光譜波長(zhǎng)為488.0nm、514.5nm。 二、基本結(jié)構(gòu)、氬離子激光器包括放電管、電極、回氣管、諧振器、軸向磁場(chǎng)等。氬離子激光器分段石墨放電管，國(guó)產(chǎn)氬離子激光管，三，輸出特征，1，惰性氣體離子激光器，在離子激光器中輸出效率最高，2 .其輸出波長(zhǎng)多，主要是514.5nm和488.0nm兩個(gè)藍(lán)綠色間隔； 3、一般從幾瓦到十幾瓦，甚至連續(xù)輸出一百瓦。 4、功率波長(zhǎng)易被血紅蛋白吸收，氬離子激光對(duì)生物止血最有效。 臨床上主要用于外科手術(shù)，以其為“光刀”，尤其是上下消化道出血時(shí)，氬離

6、子激光可以用光纖導(dǎo)管內(nèi)鏡進(jìn)行止血等非手術(shù)治療。 目前廣泛應(yīng)用于眼科凝固、皮膚科、內(nèi)科等綜合治療領(lǐng)域。 表氬離子激光的可見(jiàn)光譜、準(zhǔn)分子激光、一、工作物質(zhì)、“準(zhǔn)分子”:不穩(wěn)定分子。 混合氣體是由外來(lái)能量激發(fā)的一系列物理和化學(xué)反應(yīng)曾經(jīng)形成但瞬間死亡的分子，其壽命只有幾十毫秒。 此類激光器的工作物質(zhì)為將激發(fā)的氣體原子(例如以Ar、Kr、Xe、Rg表示)與鹵素元素(例如以f、Cl、x表示)結(jié)合而成的準(zhǔn)分子，例如氟化氬(ArF )、氯化氪(KrCl )，二、作用但是，受到電子束的碰撞或高壓激發(fā)等激發(fā)時(shí)，稀有氣體原子有可能從基態(tài)向激發(fā)狀態(tài)過(guò)渡或電離，此時(shí)，容易與另一個(gè)原子形成壽命非常短的分子(RgX )，處

7、于該激發(fā)狀態(tài)的分子被稱為激發(fā)二聚體，簡(jiǎn)稱為準(zhǔn)分子RgX基態(tài)分子的壽命極短，為10-13s級(jí)，沿著自身的勢(shì)能曲線向核間距離變大的方向移動(dòng)，最終解離為獨(dú)立的原子RgX。 激發(fā)態(tài)RgX*能級(jí)壽命為10-8s級(jí)，比基態(tài)穩(wěn)定，因此容易引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 三、基本結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)分子激光的結(jié)構(gòu)、1功率特性：準(zhǔn)分子基態(tài)的電子快速排出，激光的能級(jí)始終為空，這有利于離子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成，即使用超短脈沖運(yùn)行，也可獲得高輸出(10瓦級(jí))。 2 .輸出波長(zhǎng)：從真空紫外到可見(jiàn)光區(qū)域。 3脈沖特性：由于基態(tài)壽命短，即使在超短脈沖的情況下，基態(tài)也可視為空，因此準(zhǔn)分子激光對(duì)巨大脈沖的發(fā)生特別有利。 4 .能精密的對(duì)焦和控制，切削精度非常高

8、，每光脈沖的切削深度為0.2m，能在人的頭發(fā)線上刻上各種圖案。 近視眼是眼球前后徑過(guò)長(zhǎng)，眼角膜前面過(guò)凸，外界光線不能正確收斂于眼底造成的。 準(zhǔn)分子激光矯正近視是用計(jì)算機(jī)精密控制的準(zhǔn)分子激光，根據(jù)近視度數(shù)和有無(wú)散光蝕刻瞳孔區(qū)域的角膜基質(zhì)層，使眼角膜前面稍微平坦。 由此，可以使外光正確地聚光成像在眼底視網(wǎng)膜上，可以達(dá)到矯正近視的目的。 準(zhǔn)分子激光治療近視眼的原理、LASIK手術(shù)是指LASIK手術(shù)即準(zhǔn)分子激光原位角膜磨削術(shù)(Laser in Situ Keratomileusis ) :醫(yī)生用角膜刀打開(kāi)角膜瓣，在瓣下角膜基質(zhì)層用準(zhǔn)分子激光根據(jù)近視、遠(yuǎn)視、散光度精確患者術(shù)前檢查的數(shù)據(jù)卡片輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)

9、算機(jī)控制切削的范圍和深度，削去光滑曲面，相當(dāng)于角膜切下眼鏡鏡片，清晰視力。 僅采用自動(dòng)微角膜板層節(jié)段切削手術(shù)，角膜表面切削直徑8毫米、厚0.16毫米的帶蒂板層角膜瓣，角膜瓣反轉(zhuǎn)后，采用準(zhǔn)分子激光計(jì)算機(jī)控制多階段分區(qū)角膜基質(zhì)內(nèi)切削，最后復(fù)位角膜瓣。角膜瓣制作，準(zhǔn)分子激光切削，角膜瓣復(fù)位，LASIK手術(shù)圖像，角膜微刀具切斷，角膜瓣形成和反轉(zhuǎn)，可以使復(fù)雜的角膜切削極為方便。 三維主動(dòng)眼球跟蹤技術(shù)：除了跟蹤眼球在XY軸上的運(yùn)動(dòng)外，還能跟蹤眼球在z軸上的立體位移，能根據(jù)眼球運(yùn)動(dòng)自動(dòng)調(diào)整激光到切削點(diǎn)，大大提高了手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性。 高精度200Hz飛行點(diǎn)掃描，193nm氟化氬(ArF )準(zhǔn)分子激光器與最

10、佳光傳輸系統(tǒng)的完美組合形成光斑直徑0.8mm最佳高斯光束，色素激光器、固體或其他激光器輸出的波長(zhǎng)幾乎為真空紫外至紅外波段但是，通常的激光輸出的波長(zhǎng)都是一定的，最多只有一些波長(zhǎng)，在應(yīng)用上是有限的。 為此正在研究可調(diào)諧的激光器。 染料激光器是液體激光器的一種，以染料為工作物質(zhì)，如果丹明6G等，溶劑有乙醇、苯類、水及其他物質(zhì)。 染料的能量轉(zhuǎn)換效率高，達(dá)到數(shù)百毫瓦。 染料激光器的最大特征是其輸出波長(zhǎng)可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，因此也稱為可調(diào)諧激光器。 醫(yī)學(xué)上常用的可調(diào)染料激光器有N2激光泵可調(diào)染料激光器和Nd:YAG激光泵可調(diào)染料激光器等。 工作原理、染料分子能級(jí)圖、S0為基態(tài)、S1、S2為激發(fā)態(tài)。 S0

11、、S1、S2本身由許多密集的振動(dòng)旋轉(zhuǎn)能級(jí)構(gòu)成。 在原子光譜中，不同電子態(tài)之間的遷移會(huì)生成銳利的光譜線。在分子光譜中，由于不同電子態(tài)(例如S1和S0)之間的遷移而產(chǎn)生由密集的光譜線構(gòu)成的帶。 染料分子的這種能級(jí)結(jié)構(gòu)是染料激光器的輸出波長(zhǎng)能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的根本原因。 另一方面，當(dāng)吸收染料分子能級(jí)、染料分子能級(jí)圖、外來(lái)光子時(shí)，分子從基態(tài)能級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)镾1狀態(tài)的高振動(dòng)旋轉(zhuǎn)能(圖中Ab )。 由于頻繁的熱交換，被激發(fā)的分子大多無(wú)輻射地崩潰為S1狀態(tài)的最低振動(dòng)旋轉(zhuǎn)能級(jí)(圖中bB )。 因此，在b和基態(tài)S0的高振動(dòng)旋轉(zhuǎn)能級(jí)(圖中a )之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)反轉(zhuǎn)達(dá)到閾值時(shí)，可以產(chǎn)生激光。 可見(jiàn)染料激光的形

12、成過(guò)程，經(jīng)歷了2次無(wú)輻射轉(zhuǎn)變。 二、染料分子的光照射過(guò)程、三、染料分子的三重態(tài)“陷阱”、能級(jí)圖中的T1和T2為三重態(tài)。 三重態(tài)T1比單重態(tài)S1低，因此處于S1的分子容易不放射地向T1遷移，另外，T1和S0之間不發(fā)生放射遷移，而且T1的壽命長(zhǎng)達(dá)約10-410-3s，因此T1狀態(tài)相當(dāng)于激發(fā)分子的“陷阱”。 當(dāng)T1T2狀態(tài)中積蓄了足夠的分子時(shí)，T1T2的吸收會(huì)立即降低激光的增益，使激光消光。 通常采用的方法是在染料中加入三重態(tài)淬火劑，縮短Tl的壽命。 直管閃爍泵的色素激光模式圖，一般由激光工作物質(zhì)、激發(fā)光源、聚光系統(tǒng)、諧振器和波長(zhǎng)選擇裝置構(gòu)成，、輸出特性、1輸出激光波長(zhǎng)由于某色素激光波長(zhǎng)的可調(diào)幅度達(dá)

13、到100納米， 因?yàn)榭梢苑Q為2色素分子能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)寬帶構(gòu)造，其熒光光譜范圍也是準(zhǔn)連續(xù)寬帶，這可以使色素激光與寬范圍同步，現(xiàn)在色素激光產(chǎn)生的超短脈沖寬度可以壓縮到飛秒(10-15秒)量。 3色素激光器的輸出功率高達(dá)數(shù)百毫瓦，與固體激光器相當(dāng)，而且價(jià)格便宜。 4色素分子為四能級(jí)體系，S0的高振動(dòng)動(dòng)能級(jí)在室溫下粒子數(shù)幾乎為0，因此粒子數(shù)反轉(zhuǎn)容易，色素分子激光的閾值低。一、光柵調(diào)諧圖為光柵鏡調(diào)諧室。 光束與諧振器軸成小角度(3)。 諧振器室由反射光柵g和鍍有介質(zhì)膜的反射鏡m構(gòu)成。 光柵g具有光束擴(kuò)散和分散作用，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵可以改變輸出激光的頻率。 室內(nèi)插入有法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，擺動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具可以進(jìn)一步選擇

14、輸出激光的頻率。 不插入標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，輸出激光的線寬為0.05nm，插入標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，可獲得線寬約為0.001nm的單模激光。輸出特性、雙、棱鏡調(diào)諧圖是折疊式縱泵色素激光器的原理圖，放置在腔內(nèi)的棱鏡是分散元件。 由于棱鏡的色散作用，來(lái)自m-3和m-2的具有不同波長(zhǎng)的光束具有不同的折射方向。 當(dāng)平面鏡m-1旋轉(zhuǎn)以垂直于具有特定波長(zhǎng)的光時(shí)，具有該波長(zhǎng)的光返回諧振腔并且被振蕩。 因此，轉(zhuǎn)動(dòng)M1可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧作用。 可以使用Tunable Lasers Dye Lasers，許多有機(jī)染料作為激光介質(zhì)。 其中最常見(jiàn)的是羅丹明6G(Rhodamine 6G )，溶于甲醇或乙二醇中。 躍遷上下的能級(jí)通過(guò)與溶劑的相互作用

15、分裂成連續(xù)的能帶。 當(dāng)分子被上能帶激發(fā)時(shí)，不會(huì)迅速放射緩和到上能帶的最低能級(jí)而向基態(tài)的各能級(jí)遷移，產(chǎn)生熒光放射。 放射熒光曲線不隨激發(fā)光源的變化而變化。 如果將填充了染料溶液的單元放置在激光室內(nèi)，提供足夠的泵能量，就可以發(fā)射激光。 使用寬帶激光反射鏡時(shí)，激發(fā)輻射發(fā)生在熒光發(fā)光曲線頂點(diǎn)周圍的幾十個(gè)附近。 可以用光柵替換鏡像。 激發(fā)輻射帶寬降低到0.5。 通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，可以在熒光發(fā)光帶整體上調(diào)節(jié)激光。 泵可以用閃光燈實(shí)現(xiàn)，得到的激光脈沖寬度為1ms，峰值功率為數(shù)kW左右，重復(fù)頻率為1Hz。 也可以使用固定波長(zhǎng)激光，例如氮分子激光、準(zhǔn)分子激光、銅蒸氣激光和倍頻后的Nd: YAG激光。 一些典型設(shè)備可

16、通過(guò)利用各種染料而使脈沖染料激光器的工作范圍為320 nm到1000 nm。 對(duì)準(zhǔn)分子激光泵浦的色素激光，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1020%。 倍頻后的Nd: YAG激光器將達(dá)到40%。 色素激光的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)比較容易，但連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)比較困難。 主要問(wèn)題是由于三重態(tài)分布數(shù)的增加引起的吸收損失使激光無(wú)法振蕩。 脈沖泵的情況下，在三重態(tài)下能夠在聚集足夠的粒子數(shù)之前發(fā)生激光。 為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)泵，必須去除三重態(tài)分子。 可以在溶液中加入某種三重態(tài)消光劑，有效地使三重態(tài)分子的無(wú)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)。 連續(xù)的染料激光多使用氬離子和氪離子激光泵。 現(xiàn)在可復(fù)蓋的光譜范圍為375950nm。 使用染料噴射，使染料能夠高速通過(guò)活性區(qū)域。

17、Tunable Solid-State Lasers，有些固態(tài)激光器的增益曲線范圍很大，可以在某個(gè)范圍內(nèi)調(diào)諧。 例如釹玻璃激光可以在1.01.1mm的范圍內(nèi)調(diào)諧。 鈦寶石(Ti: Al2O3)激光的可調(diào)諧范圍為6601100nm。 不使用激光泵的可調(diào)諧固體激光器備受關(guān)注。 倍頻、受激喇曼散射等可以用于進(jìn)一步擴(kuò)大調(diào)諧波長(zhǎng)。 Tunable CO2 Lasers，二氧化碳激光是最有效的氣體激光，功率轉(zhuǎn)換率達(dá)到20%。 工作波長(zhǎng)在10mm附近，多使用固定波長(zhǎng)的二氧化碳激光。 與加入的N2分子的沖突中，(001 )模式充分分布。 氮分子布因放電而位于第一振動(dòng)能級(jí)。 由此，與低能量水平(100 )、(020 )之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 激光發(fā)射可形成位于10.210.8mm和9.29