气体激光器.ppt

气体激光器气体激光器1.1.气体激光器气体激光器工作物质：气体或蒸汽工作物质：气体或蒸汽优点：优点：1.1.光束方向性好。由于工作物质的光学均匀性远比固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，光束方向性好。由于工作物质的光学均匀性远比固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，2.2.单色性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光的单色性好。单色性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光的单色性好。缺点：体积比较大。缺点：体积比较大。由于气体的激活粒子密度较固体小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出。由于气体的激活粒子密度较固体小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出。2021/2/62 泵浦方式：以气体放电形式为主，还可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等方式。泵浦方式：以气体放电形式为主，还可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等方式。注意注意 气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦，气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式；在放电过程中，受电通常采用气体放电泵浦方式；在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，因而在其一对能级间形成了集粒子激发到高能态，因而在其一对能级间形成了集居数反转分布。居数反转分布。2021/2/63 2.He-Ne 2.He-Ne气体激光器气体激光器 HeNe激激光光器器是是最最早早研研制制成成功功的的气气体体激激光光器器。在在可可见见及及红红外外波波段段产产生生多多条条激激光光谱谱线线，其其中中最最强强的的是是6328nm、1150nm 和和3390nm。在在准准直直、定定位位、全全息息照照相相、测测量量、精精密密计计量量等等方方面面广广泛泛应应用用。2021/2/642021/2/651.工作物质的能级结构工作物质的能级结构He-Ne激光器的工作物质结构示激光器的工作物质结构示意图它主要能发出三种波长的激意图它主要能发出三种波长的激光，光，632.8nm,1.15m，3.39m。2021/2/662.激励机制激励机制1）电子直接碰撞激发：快速电子与）电子直接碰撞激发：快速电子与Ne 原子发生非弹性碰撞，使得原子发生非弹性碰撞，使得Ne 原子直接被激发到原子直接被激发到2S、3S能级。能级。2）共振能量转移：）共振能量转移：由于由于He(23s1和和 21s0）两能级与）两能级与Ne(2s、3s)两能级的能量非常接近，两者碰撞很容易发生两能级的能量非常接近，两者碰撞很容易发生能量转移，加之前两者都是亚稳态，电子碰撞截面大，为选择激发能量转移，加之前两者都是亚稳态，电子碰撞截面大，为选择激发Ne至至2s、3s能级提供了有利条件。能级提供了有利条件。2021/2/673）串联激发：高能级的）串联激发：高能级的Ne与低能级的与低能级的Ne相碰撞而实现互换。相碰撞而实现互换。4）复合激发：这过程是）复合激发：这过程是Ne离子首先与离子首先与He、Ne原子三体碰撞形成分子离子，然后再与电子碰撞获得激发原子三体碰撞形成分子离子，然后再与电子碰撞获得激发态态Ne的过程。在高气压脉冲工作的的过程。在高气压脉冲工作的HeNe激光器中这一过程较明显，而在普通直流激励器件中它不激光器中这一过程较明显，而在普通直流激励器件中它不重要。重要。2021/2/683.谱线竞争与选择：谱线竞争与选择：三条最强的谱线之间存在竞争三条最强的谱线之间存在竞争 3S2 3P4:3.39 3S2 2P4:632.8 nm 2S2 2P4:1.15 为获得较强的为获得较强的632.8nm激光输出，可采用下述方法抑制激光输出，可采用下述方法抑制3.39um辐射的产生：辐射的产生：1）借助腔内棱镜色散使）借助腔内棱镜色散使3.39um激光不能起振激光不能起振;2）腔内插入对）腔内插入对3.39um波长的光吸收的元件；波长的光吸收的元件；3）借助轴向非均匀磁场，使）借助轴向非均匀磁场，使3.39um谱线加宽，从谱线加宽，从 而使其增益下降而使其增益下降。2021/2/692021/2/6104.放电参数对输出功率的影响放电参数对输出功率的影响1）P0不随放电电流单调上升，存在一个最佳值。这是因为在放电管中同时存在激发和消激发过程不随放电电流单调上升，存在一个最佳值。这是因为在放电管中同时存在激发和消激发过程。第一项为电子碰撞激发过程；第二项为与管壁碰撞及共振能量转移引起的消激发过程；第三项第一项为电子碰撞激发过程；第二项为与管壁碰撞及共振能量转移引起的消激发过程；第三项对应于电子与亚稳态原子碰撞回归到基态的消激发过程。对应于电子与亚稳态原子碰撞回归到基态的消激发过程。2021/2/611632.8nm谱线净增益谱线净增益G随放电电流随放电电流I的变化的变化2021/2/6123.39um 谱线增益谱线增益G随放电电流变化随放电电流变化2021/2/6132021/2/614 2）P0不随气压单调上升，而是存在一个最佳气压值。不随气压单调上升，而是存在一个最佳气压值。如果气压比大，最佳总气压也大。在总气压不变的情况下，最佳气压比随放电管直径的增大面直线下如果气压比大，最佳总气压也大。在总气压不变的情况下，最佳气压比随放电管直径的增大面直线下降，气压比对输出功率主要从电子温度和激光物质的密度两方面来产生影响。降，气压比对输出功率主要从电子温度和激光物质的密度两方面来产生影响。选择合理的气压比，使管内既有足够多的激光物质又使电子处于最佳激发状态。倘若总气压不变，增选择合理的气压比，使管内既有足够多的激光物质又使电子处于最佳激发状态。倘若总气压不变，增大放电管管径大放电管管径D，管内会因带电粒子复合减少。轴向电场，管内会因带电粒子复合减少。轴向电场E减小，电子温度减低。此时，管内只有降低气减小，电子温度减低。此时，管内只有降低气压比，才能使这样的电子具有最佳激发。通常气压比为压比，才能使这样的电子具有最佳激发。通常气压比为PHePNe510。2021/2/615输出功率输出功率W与总气压与总气压P 的关系的关系2021/2/6169.2.2 氩离子激光器氩离子激光器利用气体放电管使管内惰性气体原子氩原子电离并激发，从而在激发态与基态之间实现粒子数利用气体放电管使管内惰性气体原子氩原子电离并激发，从而在激发态与基态之间实现粒子数反转而产生激光。反转而产生激光。波长为可见光，以波长为可见光，以488nm和和514.5nm为主，共产生为主，共产生9条谱线。条谱线。是可见光中输出功率最高的一种器件。最高可达是可见光中输出功率最高的一种器件。最高可达500W。应用：拉曼光谱、超快技术、泵浦染料激光器、全息、非线性光学等前沿领域。应用：拉曼光谱、超快技术、泵浦染料激光器、全息、非线性光学等前沿领域。2021/2/6171.氩离子的跃迁方式氩离子的跃迁方式三种跃迁方式：三种跃迁方式：a.基态氩离子与电子碰撞后直接跃到基态氩离子与电子碰撞后直接跃到4P能级。能级。b.基态氩离子与电子碰撞后跃到高于基态氩离子与电子碰撞后跃到高于4P的能的能级，再通过级联辐射跃到级，再通过级联辐射跃到4P能级。能级。c.基态氩离子与电子碰撞后跃到低于基态氩离子与电子碰撞后跃到低于4P的亚的亚稳态能级，再次碰撞后跃到稳态能级，再次碰撞后跃到4P。3P52021/2/6182.高功率水冷氩离子激光器高功率水冷氩离子激光器2021/2/6193.影响输出功率的因素影响输出功率的因素1）放电电流：有一个最佳值。）放电电流：有一个最佳值。2021/2/6202）充气气压的影响：气压越大，气体密度越大，参与激光反转的离子数增多，输出功率会增加。但过高会）充气气压的影响：气压越大，气体密度越大，参与激光反转的离子数增多，输出功率会增加。但过高会使管壁复合减少，空间电离度增大，减少反转离子数。使管壁复合减少，空间电离度增大，减少反转离子数。2021/2/6213）磁场的影响。轴向磁场）磁场的影响。轴向磁场有利于提高功率、效率和延有利于提高功率、效率和延长寿命，但磁场会使得谱线长寿命，但磁场会使得谱线加宽（塞曼效应），导致增加宽（塞曼效应），导致增益下降，输出功率下降，因益下降，输出功率下降，因此应该选择最佳值。此应该选择最佳值。2021/2/6224.提高输出功率的方法提高输出功率的方法1）增大放电管的直径。现在一般不过）增大放电管的直径。现在一般不过10mm。2）增加气压半径积（）增加气压半径积（PR）。）。3）采用新型阳极：如难熔的钨或钨的合金，使得发射的电子中含有较多的高能电子。）采用新型阳极：如难熔的钨或钨的合金，使得发射的电子中含有较多的高能电子。5.氩离子激光器的缺点：氩离子激光器的缺点：耗水、耗电很严重；体积大。耗水、耗电很严重；体积大。2021/2/6239.2.3 CO2激光器激光器主要特点：主要特点：输出波长输出波长10.6um恰好位于大气的低损耗窗口；光束质量好；输出功率大，能量转换效率高，广泛应用于高恰好位于大气的低损耗窗口；光束质量好；输出功率大，能量转换效率高，广泛应用于高功率激光工业加工中。功率激光工业加工中。工作物质：工作物质：CO2:激活气体；激活气体；N2 :辅助气体，提高上能级的激励效率；辅助气体，提高上能级的激励效率；He气：辅助气体，有助于下能级的排空。气：辅助气体，有助于下能级的排空。2021/2/6241.工作物质基态能级与激光跃迁：工作物质基态能级与激光跃迁：2021/2/6252.CO2分子的三种振动方式：分子的三种振动方式：v1、v2、v3分别是三种振动方式的量子数。分别是三种振动方式的量子数。2021/2/6263.CO2分子的三种激励方式：分子的三种激励方式：a.直接与电子碰撞激发直接与电子碰撞激发;b.级（串）联激发；级（串）联激发；c.共振能量转移：发生在很接近的能级之间。共振能量转移：发生在很接近的能级之间。2021/2/6274.光谱竞争与选择：光谱竞争与选择：1000：产生：产生10.6um的激光，几率大；的激光，几率大；0001 0200：产生：产生9.6um的激光。的激光。两谱线具有共同的两谱线具有共同的 上能级，存在竞争，上能级，存在竞争，结果是结果是9.6um的激光的激光 被抑制。为了实现被抑制。为了实现 9.6um的激光输出，的激光输出，必须在腔内插入选必须在腔内插入选 择波长的元件。择波长的元件。部分部分2021/2/6285.两种常见的两种常见的CO2激光器激光器1）纵向慢流）纵向慢流CO2激光器激光器 此类激光器的气体和电子流动方法均与激光器共光轴，但方向相反。此类激光器的气体和电子流动方法均与激光器共光轴，但方向相反。2021/2/6293500W 板条式扩散冷却板条式扩散冷却CO2激光器激光器/20000W 快速纵流射频快速纵流射频CO2激光器激光器六轴联动激光三维加工系统六轴联动激光三维加工系统 2021/2/6302）横向激励高气压）横向激励高气压CO2激光器（激光器（TEA CO2激光器激光器)这类激光器内气压很高，放电方向与激光光轴相垂直。这种激光器是脉冲激光器，其输出的脉这类激光器内气压很高，放电方向与激光光轴相垂直。这种激光器是脉冲激光器，其输出的脉冲峰值功率可达冲峰值功率可达1012w，每个脉冲能量为数千焦耳，是气体激光器在高功率和大能量方面与固体，每个脉冲能量为数千焦耳，是气体激光器在高功率和大能量方面与固体激光器竞争的最有希望的器件。在激光核聚变、分离同位素、光泵远红外激光器以及激光化学等激光器竞争的最有希望的器件。在激光核聚变、分离同位素、光泵远红外激光器以及激光化学等方面的研究中有着极重要的应用。方面的研究中有着极重要的应用。2021/2/6312021/2/6322021/2/6339000W 横流横流CO2激光器激光器(以色列以色列)2021/2/6342500W CO2激光器及四轴加工机激光器及四轴加工机2021/2/6351000W CO2激光器及三轴加工机激光器及三轴加工机2021/2/6366000W CO2激光器加工系统激光器加工系统2021/2/6379.2.4 准分子激光器准分子激光器 准分子：是一种在激发态结合为分子，在基态解离为原子的不稳定缔合物。它可由同类分子或异类准分子：是一种在激发态结合为分子，在基态解离为原子的不稳定缔合物。它可由同类分子或异类分子构成。分子构成。2021/2/6381.准分子的能级图准分子的能级图 激光下能级连续激光下能级连续变化，因此激光波长变化，因此激光波长可以连续调谐。可以连续调谐。2.准分子激光器的激励方式：准分子激光器的激励方式：普遍采用电子束或快速放电泵浦普遍采用电子束或快速放电泵浦 2021/2/6393.准分子激光的应用：准分子激光脉冲输出可达百焦耳，峰值功率达准分子激光的应用：准分子激光脉冲输出可达百焦耳，峰值功率达GW以上，平均功率也高于以上，平均功率也高于200W，可，可以应用于光化学、医学、生物学等领域。以应用于光化学、医学、生物学等领域。利用激光进行视网膜手术利用激光进行视网膜手术2021/2/6402021/2/64150W准分子激光器准分子激光器(LPX 305iF)及微加工机及微加工机2021/2/642准分子激光器及其电源系统准分子激光器及其电源系统2021/2/643The end!2021/2/644