第三章二氧化碳激光器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,1964,年,Patel,研制成第一台,CO,2,激光器,背景,第三章,CO,2,激光器,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,纵向封离型,高气压型（,TEACO,2,）,流动型（轴快流、慢流）,气动型,波导型,分类,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,运转方式：连续或脉冲,;,输出功率或能量相当大,能量转换效率效率高,;,(3),波长范围：,9-11,m,其中,10.6,m,位于大气传输的窗口；,(4),人眼使用安全：,400-700nm,损伤,优点,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,放电激励 纵向,低气压激光器,横向高气压激光器,射频激励,化学激励,气动,激励机制,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,3-1 CO,2,激光器的工作原理,（一）,CO,2,分子的的能级结构,CO,2,分子的结构,：,线性对称排列的三原子分子,三个原子排列成一条直线（分子轴）,中间是碳原子,两端是氧原子,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（二）,CO,2,分子的振转跃迁,CO,2,分子,二条最强,的跃迁谱线,10.6,m,00,0,1,10,0,0,9.6,m,00,0,1,02,0,0,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激光振荡的只有,1,至,3,条,这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快,(10,-7,10,-8,s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争效应,.,由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其他谱线振荡,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（三）,CO,2,激光器激光上能级的激发过程,1.,电子直接碰撞激发,式中,:,CO,2,*,(00,0,1)-CO,2,分子的激发态,2.,串级跃迁激发,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,3.,共振转移激发,在,CO,2,中掺有,N,2,(,氮,),和,CO,它们被电子碰撞激发,到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移给,CO,2,基态,使,CO,2,跃迁到,00,0,1,能级,.,N,2,分子,:,CO,分子,:,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,4.,复合过程,放电过程中,有部分,CO,2,分子会分解成,CO,和,O,同时也存在,CO,和,O,的复合过程,在复合时,把原来分解时所需要的能重新释放出来,使,CO,2,分子激发到,00,0,1,能级,.,这个过程比前三个过程起的作用小得多,.,被激发到激光上能级,(,00,0,1,),的,CO,2,分子,除了受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使其衰减,.,我们把后者引起的衰减称为,消激发,.,引起消激发的主要原因,:,碰撞,和,扩散,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（四）,CO,2,激光器,激光下能级的弛豫,由于,CO,2,分子激光下能级,10,0,0,和,02,0,0,的辐射寿命很长,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数,.,为尽快抽空下能级,必须靠与其他粒子碰撞,.,碰撞抽空下能级的弛豫过程分为,两步,进行,:,第一步,:10,0,0,和,02,0,0,能级的驰豫,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,第二步,:,实验发现,CO,2,激光下能级的“抽空”主要是靠气体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞,.,所以放电管直径的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光器更是如此,.,因此,CO,2,激光器,不象,He-Ne,激光器,那样一定要用很细的毛细管,.,01,1,0,能级的驰豫,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,思考题,:,二氧化碳激光器中充入,He,气和,N,2,气的作用分别是什么？,二氧化碳激光器的“瓶颈效应”指什么？怎么克服？,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,3-2,纵向放电激励的,CO,2,激光器,（一）器件结构,尽管结构形式各异,但一般都是由,工作气体,放电管,谐振腔,和,电源,所组成,.,图,2.2-3,纵向放电封离型 激光器的,典型结构,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,谐振腔内两行波的传播,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（二）输出功率及其影响因素,1.,输出功率,设,:,-,驻波场中两列相反方向传播,的行波的光强,.,-,归一化光强,-,谐振腔的两反射镜,-,反射率,(3.2-1),Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,(3.2-2),(3.2-3),有,:,得,:,(3.2-4),(3.2-5),由激光原理知，,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,所以,则,(3.2-7),将,(3.2-1),式代入,(3.2-7),式得,由,(3.2-4),和,(3.2-7),式可得,(3.2-9),(3.2-8),Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,将上式积分得,(3.2-10),同理得,(3.2-11),将,(3.2-10),和,(3.2-11),两式相加,并将,(3.2-1),(3.2-7),和,(3.2-8),式代入和式中,可得,(3.2-12),Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,(3.2.2-13),于是激光输出功率可表示为,除透射损耗外,腔内其他单程损耗为,a,又可写为,:,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,(3.2-14),2.,影响输出功率的几个重要因素,放电管的长度和内径,长度,:,内径,:,影响不大,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,气体成分和气压,CO,2,激光器中含有适量,N,2,CO,He,Xe,Ne,H,2,H,2,O,等气体时,能显著提高输出功率,而含有,Ar,N,2,O,时,能大大降低激光器的输出功率,.,含,N,2,组份主要充入,CO,2,+N,2,+He+Xe+H,2,含,CO,组份主要充入,CO,2,+CO+He+Xe,增加总气压可增加产生激光的分子数目,所以总气压升高应该增加输出功率,总气压存在最佳值,.,最佳气压与放电管内径有关,粗管的最佳总气压比细管的低,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,(3),放电电流,放电电流也有最佳值,电流升高,放电管内的电子数目增多,可以激发更多的反转粒子数,但电子过多又会因碰撞消激发而使反转粒子数减少,.,最佳放电电流与放电管的直径,管内的总气压以及气体混合比有关,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,(4),温度,温度升高引起输出功率下降的,三点,原因,:,温度升高后,激光上能级的消激发速率增加,而激,光下能级由于热激发则会使粒子数增多,两者都,导致粒子反转数降低,.,气体温度升高后,谱线宽随之增宽,增益系数下,降,.,气体温度升高还会造成,CO,2,分子分解,导致放电管内,CO,2,分子浓度降低,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,冷却,的方法,:,冷却激光管壁,流动气体法,(5),谐振腔,振荡模的体积要尽量大,最理想的情况是振荡模的体积与等离子体的体积相等,.,对应最大输出,存在最佳透过率,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（三）器件寿命,影响封离型,CO,2,激光器寿命,有个重要的因素是,CO,2,分子在工作过程中发生离解,.,离解后的,O,2,仅有小部分能与,CO,在复合成,CO,2,大部分在阴极表面与金属材料形成化合物或与,N,2,分子结合成,N,2,O,化合物,而这些化合物都比较稳定,.,因此,随着放电的不断进行,CO,2,分子浓度越来越低,激光输出则越来越小,使器件寿命明显降低,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,为了提高器件寿命,要设法减小氧的损失,:,一是选择合适的放电管材料和电极材料,减小对氧的吸收和限制氧化物的生成,;,（,Ni,作阴极等）,二是加入适当的辅助气体,“,催化”,CO,与,O,2,复合成,CO,2,的过程,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,小结：,CO2,激光器的工作原理,一、,CO2,分子的的能级结构,四能级系统,二、,CO2,分子的振转跃迁,三、,CO2,激光器激光上能级的激发过程（,3,种,+1,复合）,四、,CO2,激光器激光下能级的弛豫（,2,步）,纵向放电激励的,CO2,激光器,一、器件结构,二、输出功率及其影响因素,5,方面主要因素：气体成分与气压、放电电流、温度、毛 细管尺寸（,l,、,d,）、谐振腔模体积,三、器件寿命,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,3-3,横向放电激励的高气压,CO,2,激光器,（,简称,TEACO,2,激光器,）,TEACO,2,激光器,1969,年问世。由于其工作气压高，若仍采用纵向放电激励，则由于,pl,值大,势必要求端电压,V,很高,.,为避免电压过高产生的诸多麻烦,采用横向放电激励方式，横向放电激励,可以大大减小两极间的间距。但由于极间距较短,放电面积较大,不易保证在整个放电面积都能获得均匀辉光放电,局部区域会出现弧光放电现象,影响器件正常工作。,如何获得大面积均匀放电成为,TEACO,2,激光器的关键技术,.,本节将重点讨论,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（一）,TEACO,2,激光器的均匀放电技术,为得到均匀放电,采取措施,:,合理设计放电电极和,采用多组电极放电,采用快速放电技术,采用预电离技术,双放电法,紫外线预电离,电子束预电离,射频放电,加入合适的气体：,He,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,多电阻针电极放电结构形式,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,（二）,TEACO2,激光器的工作特性,问题：,为什么纵向封离型,C0,2,激光器的输出功率对应有最佳充气总气压,P,opt,，,而,TEACO,2,激光器的输出功率却在高气压下有显著提高？,答案：,TEACO,2,激光器以脉冲方式运转。,纵向封离型,C0,2,激光器连续运转。,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,1.,气体成分及充气压对输出能量的影响,图,3.2-4,总气压对输出的影响,图,3.2-5,气压比对输出的影响,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,高气压,CO,2,激光器常充入,CO,2,N,2,He,在双放电预电离和电子束预电离激光器中,有时可不用,He.,各种气体的比例及总气压存在最佳值,最佳值与预电离方式和输入能量有关,.,2.,储能电容对输出能量的影响,图,2.2-6,输出能量随储能电容的变化关系,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,输入能量由储能电容量和充电电压确定,.,在激光器的结构与充气条件一定时,激光器存在一个允许的最大能量,.,输入能量太低,激励不足,输入能量过大,均匀放电被破坏,反使激光输出下降,.,3.,工作电压对输出能量的影响,总气压越高,工作范围越窄,.,图,3.2-7,输出能量随工作电压的变化关系,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,其它条件不变情况下,只改变,N,2,气的比例时,脉冲波形的尾部拖得很长,.,（,a,）纯,CO,2,的情况,（,b,）,C0,2,：,N,2,=1,：,1,（,c,）,C0,2,：,N,2,=1,：,4,图,3.2-8,不同,N,2,比例的激光脉冲波形,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,本章小结,主要气体激光器,He-Ne,激光器,CO,2,激光器,He-Ne,激光器,结构,工作原理,输出特性,结构,CO,2,激光器,工作原理,激励机制 纵向放电激励,横向放电激励,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,习题与思考题,请回答,1.,了解气体激光器的基本结构,.,2.,比较主要气体激光器的工作原理,.,3.,简述各气体激光器的输出特性,.,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,3-3,其它气体激光器（补充内容）,Ar+,激光器,1,、器件特点,：,（,1,）工作波长：可见光波段,主要波长：,514.5nm,，绿光,488nm,，蓝光,（,2,）运转方式：连续,（,3,）输出功率：一般几瓦,几十瓦，最高达 几百瓦，是可见光区连续输出功率最高的器件。,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,2,、能级结构,激发过程：,3,种,1,、一步过程：,2,、二步过程：,3,、串级激发过程：,激光机理,弧光放电,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,3-4,准分子激光器,准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（,Excimer,）,高重复率,可调谐,量子效率高,波长短，紫外到可见区,主要的准分子激光器,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,跃迁过程,泵浦要求,电子束泵浦机理,脉冲放电泵浦机理,Laser Device and Technology,Email:,xiaoyunliu0420,;Tel:[phone];QQ:21265964;Msn:icedox,