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1、第三章 二氧化碳激光器第1页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 纵向封离型纵向封离型高气压型（高气压型（TEACO2）流动型（轴快流、慢流）流动型（轴快流、慢流）气动型气动型波导型波导型第2页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (1)运转方式：连续或脉冲运转方式：连续或脉冲;(2)输出功率或能量相当大输出功率或能量相当大,能量
2、转换效率效率高能量转换效率效率高;(3)波长范围：波长范围：9-11 m 其中其中10.6m位于大气传输的窗口；位于大气传输的窗口；(4)人眼使用安全：人眼使用安全：400-700nm损伤损伤第3页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 放电激励放电激励 纵向纵向低气压激光器低气压激光器 横向横向高气压激光器高气压激光器 射频激励射频激励 化学激励化学激励 气动气动第4页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology E
3、mail:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 3-1 CO3-1 CO2 2激光器的工作原理激光器的工作原理（一）CO2分子的的能级结构COCO2 2分子的结构分子的结构：线性对称排列的三原子分子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）三个原子排列成一条直线（分子轴）中间是碳原子中间是碳原子两端是氧原子两端是氧原子第5页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第6页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser De
4、vice and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （二）CO2分子的振转跃迁CO 2 2分子分子二条最强二条最强的跃迁谱线的跃迁谱线 10.6m 0001 1000 9.6 m 0001 0200第7页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 虽然有多条荧光谱线虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激光振荡但在激光器中能同时形成激光振荡的只有的只有1至至3条条,这是因为同一振动能级的各转动能级
5、之间这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近靠得很近,粒子在能级间转移很快粒子在能级间转移很快(10-7 10-8s),一旦某一转动一旦某一转动能级上的粒子跃迁后能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼分布规律分布规律,转移到这个能级上来转移到这个能级上来,而其他能级上的粒子数减少而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争效应这就是转动能级的竞争效应.由于这种竞争效应由于这种竞争效应,如果工作条如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大件使得某条谱线的增益系数较大,则此谱线首先起振则此谱线首先起振,而同时抑而同时抑制其他谱线振荡制其他谱线振荡.第8页
6、，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （三）（三）COCO2 2激光器激光上能级的激发过程激光器激光上能级的激发过程1.1.电子直接碰撞激发电子直接碰撞激发式中式中:CO CO2 2*(00(000 01)-CO1)-CO2 2分子的激发态分子的激发态 2.2.串级跃迁激发串级跃迁激发 第9页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:
7、3.3.共振转移激发共振转移激发在在COCO2 2中掺有中掺有N N2 2(氮氮)和和COCO,它们被电子碰撞激发它们被电子碰撞激发到各自的激发态到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移给这些激发态的分子可把能量转移给COCO2 2基态基态,使使COCO2 2跃迁到跃迁到00000 01 1能级能级.N N2 2分子分子:COCO分子分子:第10页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 4.4.复合过程复合过程 放电过程中放电过程中,有部分有部分COCO2 2
8、分子会分解成分子会分解成COCO和和O O,同时同时也存在也存在COCO和和O O的复合过程的复合过程,在复合时在复合时,把原来分解时所需把原来分解时所需要的能重新释放出来要的能重新释放出来,使使COCO2 2分子激发到分子激发到00000 01 1能级能级.这个这个过程比前三个过程起的作用小得多过程比前三个过程起的作用小得多.被激发到激光上能级被激发到激光上能级(00000 01 1)的的COCO2 2分子分子,除了受除了受激辐射引起衰减外激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使其衰减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我们把后者引起的衰减称为消激发消激发.引起消激发的主要原因
9、引起消激发的主要原因:碰撞碰撞和和扩散扩散.第11页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （四）（四）COCO2 2激光器激光器激光下能级的弛豫激光下能级的弛豫 由于由于COCO2 2分子激光下能级分子激光下能级10100 00 0和和02020 00 0的辐射寿命很长的辐射寿命很长,从激从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子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不能靠自发辐射很快返回到基态回到基态,这必然会降低粒子反转数这必然会降低粒子反转数.为尽快
10、抽空下能级为尽快抽空下能级,必必须靠与其他粒子碰撞须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程分为碰撞抽空下能级的弛豫过程分为两两步步进行进行:第一步第一步:10:100 00 0和和02020 00 0能级的驰豫能级的驰豫第12页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第二步第二步:实验发现实验发现,COCO2 2激光下能级的激光下能级的“抽空抽空”主要是靠气体分主要是靠气体分子间碰撞子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞而不是靠与管壁碰撞.所以放电管直径的大小对输出所以
11、放电管直径的大小对输出的影响不大的影响不大,特别是大功率激光器更是如此特别是大功率激光器更是如此.因此因此,COCO2 2激光器激光器不象不象He-NeHe-Ne激光器激光器那样一定要用很细的毛细管那样一定要用很细的毛细管.0110能级的驰豫能级的驰豫第13页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 思考题:二氧化碳激光器中充入He气和N2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？第14页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Dev
12、ice and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 3-2 纵向放电激励的COCO2 2激光器（一）（一）器件结构器件结构 尽管结构形式各异尽管结构形式各异,但一般都是由但一般都是由工作气体工作气体,放电管放电管,谐谐振腔振腔和和电源电源所组成所组成.图图2 2.2 2-3 3 纵纵向向放放电电封封离离型型 激激光光器器的的典典型型结结构构第15页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 谐振腔内两行
13、波的传播第16页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （二）（二）输出功率及其影响因素输出功率及其影响因素1.输出功率输出功率设设:-驻波场中两列相反方向传播驻波场中两列相反方向传播 的行波的光强的行波的光强.-归一化光强归一化光强 -谐振腔的两反射镜谐振腔的两反射镜 -反射率反射率 (3.2-1)(3.2-1)第17页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:
14、21265964;Msn: (3.2-2)(3.2-2)(3.2-3)(3.2-3)有有:得得:(3.2-4)(3.2-4)(3.2-5)(3.2-5)由激光原理知，由激光原理知，第18页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 所以所以则则(3.2-7)(3.2-7)将将(3.2-1)(3.2-1)式代入式代入(3.2-7)(3.2-7)式得式得由由(3.2-4)(3.2-4)和和(3.2-7)(3.2-7)式可得式可得(3.2-9)(3.2-9)(3.2-8)(
15、3.2-8)第19页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 将上式积分得将上式积分得(3.2-10)(3.2-10)同理得同理得(3.2-11)(3.2-11)将将(3.2-10)(3.2-10)和和(3.2-11)(3.2-11)两式相加两式相加,并将并将(3.2-1),(3.2-7)(3.2-1),(3.2-7)和和(3.2-8)(3.2-8)式代入和式中式代入和式中,可得可得(3.2-12)(3.2-12)第20页，共44页，编辑于2022年，星期二Lase
16、r Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (3.2.2-13)(3.2.2-13)于是激光输出功率可表示为于是激光输出功率可表示为 除透射损耗外除透射损耗外,腔内其他单程损耗为腔内其他单程损耗为a,a,又可写为又可写为:第21页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:212
17、65964;Msn: (3.2-14)(3.2-14)2.2.影响输出功率的几个重要因素影响输出功率的几个重要因素(1)(1)放电管的长度和内径放电管的长度和内径 长度长度:内径内径:影响不大影响不大第22页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (2)(2)气体成分和气压气体成分和气压 COCO2 2激光器中含有适量激光器中含有适量N N2 2,CO,He,Xe,Ne,H,CO,He,Xe,Ne,H2 2,H,H2 2O O等气体时等气体时,能显著提高输出功率能
18、显著提高输出功率,而含有而含有Ar,NAr,N2 2O O时时,能大大降低激光器的输出功率能大大降低激光器的输出功率.含含N N2 2组份主要充入组份主要充入COCO2 2+N+N2 2+He+Xe+H+He+Xe+H2 2 含含COCO组份主要充入组份主要充入COCO2 2+CO+He+Xe+CO+He+Xe 增加总气压可增加产生激光的分子数目增加总气压可增加产生激光的分子数目,所以所以总气压升高应该增加输出功率总气压升高应该增加输出功率,总气压存在最佳值总气压存在最佳值.最佳气压与放电管内径有关最佳气压与放电管内径有关,粗管的最佳总气压比粗管的最佳总气压比细管的低细管的低.第23页，共44
19、页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (3)(3)放电电流放电电流 放电电流也有最佳值放电电流也有最佳值,电流升高电流升高,放电管内的电子数放电管内的电子数目增多目增多,可以激发更多的反转粒子数可以激发更多的反转粒子数,但电子过多又会但电子过多又会因碰撞消激发而使反转粒子数减少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最佳放电电流与放电管的直径,管内的总气压以及气管内的总气压以及气体混合比有关体混合比有关.第24页，共44页，编辑于2022年，星期二La
20、ser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (4)(4)温度温度温度升高引起输出功率下降的温度升高引起输出功率下降的三点三点原因原因:温度升高后温度升高后,激光上能级的消激发速率增加激光上能级的消激发速率增加,而激而激 光下能级由于热激发则会使粒子数增多光下能级由于热激发则会使粒子数增多,两者都两者都 导致粒子反转数降低导致粒子反转数降低.气体温度升高后气体温度升高后,谱线宽随之增宽谱线宽随之增宽,增益系数下增益系数下 降降.气体温度升高还会造成气体温度升高还会造成COCO2 2分子分解分子分解,导致放电管
21、内导致放电管内 COCO2 2分子浓度降低分子浓度降低.第25页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 冷却冷却的方法的方法:冷却激光管壁冷却激光管壁 流动气体法流动气体法(5)(5)谐振腔谐振腔 振荡模的体积要尽量大振荡模的体积要尽量大,最理想的情况是振荡模的体最理想的情况是振荡模的体积与等离子体的体积相等积与等离子体的体积相等.对应最大输出对应最大输出,存在最佳透过存在最佳透过率率.第26页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and
22、Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （三）（三）器件寿命器件寿命 影响封离型影响封离型COCO2 2激光器寿命激光器寿命,有个重要的因素是有个重要的因素是COCO2 2分子在工作过程中发生离解分子在工作过程中发生离解.离解后的离解后的O O2 2仅有小部分能与仅有小部分能与COCO在复合成在复合成COCO2 2,大大部分在阴极表面与金属材料形成化合物或与部分在阴极表面与金属材料形成化合物或与N N2 2分子结分子结合成合成N N2 2O O化合物化合物,而这些化合物都比较稳定而这些化合物都比较稳定.因此因此,随随着放电的不断进行
23、着放电的不断进行,COCO2 2分子浓度越来越低分子浓度越来越低,激光输出激光输出则越来越小则越来越小,使器件寿命明显降低使器件寿命明显降低.第27页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 为了提高器件寿命为了提高器件寿命,要设法减小氧的损失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一是选择合适的放电管材料和电极材料,减小对氧的吸收减小对氧的吸收和限制氧化物的生成和限制氧化物的生成;（Ni作阴极等）作阴极等）二是加入适当的辅助气体二是加入适当的辅助气体
24、,“催化催化”COCO与与O O2 2复合成复合成COCO2 2的过的过程程.第28页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 小结：小结：CO2激光器的工作原理激光器的工作原理 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）纵向放电激励的纵向放电激励的CO2激光器激光器 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
25、、毛 细管尺寸（l、d）、谐振腔模体积 三、器件寿命第29页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 3-3 横向放电激励的高气压横向放电激励的高气压COCO2 2激光器激光器 （简称简称TEACO2 2激光器激光器）TEACO2激光器激光器1969年问世。由于其工作气压高，若年问世。由于其工作气压高，若仍采用纵向放电激励，则由于仍采用纵向放电激励，则由于pl值大,势必要求端电压势必要求端电压V很高很高.为避免电压过高产生的诸多麻烦为避免电压过高产生的诸多麻烦,采用
26、横向放电激采用横向放电激励方式，横向放电激励励方式，横向放电激励,可以大大减小两极间的间距。但由可以大大减小两极间的间距。但由于极间距较短于极间距较短,放电面积较大放电面积较大,不易保证在整个放电面积都不易保证在整个放电面积都能获得均匀辉光放电能获得均匀辉光放电,局部区域会出现弧光放电现象局部区域会出现弧光放电现象,影响器件正常工作。影响器件正常工作。如何获得大面积均匀放电成为如何获得大面积均匀放电成为TEACOTEACO2 2激光器的关键技激光器的关键技术术.本节将重点讨论本节将重点讨论.第30页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Em
27、ail:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （一）（一）TEACOTEACO2 2激光器的均匀放电技术激光器的均匀放电技术为得到均匀放电为得到均匀放电,采取措施采取措施:合理设计放电电极和合理设计放电电极和采用多组电极放电采用多组电极放电采用多组电极放电采用多组电极放电 采用快速放电技术采用快速放电技术 采用预电离技术采用预电离技术采用预电离技术采用预电离技术 双放电法双放电法 紫外线预电离紫外线预电离紫外线预电离紫外线预电离 电子束预电离电子束预电离 射频放电射频放电 加入合适的气体：加入合适的气体：HeHe第31页，共44页，编辑于2022年，星期二Lase
28、r Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 多电阻针电极放电结构形式多电阻针电极放电结构形式第32页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （二）（二）TEACO2激光器的工激光器的工作特性作特性问题：问题：为什么纵向封离型C02激光器的输出功率对应有最佳充气总气压Popt，而TEACO2激光器的输出功率却在高气压下有显著提高？答案：答案：TEACO2激光器以脉冲方式运转。纵向封离
29、型C02激光器连续运转。第33页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 1.1.气体成分及充气压对输出能量的影响气体成分及充气压对输出能量的影响图图3.2-4 3.2-4 总气压对输出的影响总气压对输出的影响图图3.2-5 3.2-5 气压比对输出的影响气压比对输出的影响第34页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 高气压高气压CO
30、CO2 2激光器常充入激光器常充入COCO2 2,N,N2 2,He,He,在双放电预电离在双放电预电离和电子束预电离激光器中和电子束预电离激光器中,有时可不用有时可不用He.He.各种气各种气体的比例及总气压存在最佳值体的比例及总气压存在最佳值,最佳值与预电离方最佳值与预电离方式和输入能量有关式和输入能量有关.2.2.储能电容对输出能量的影响储能电容对输出能量的影响图图2 2.2 2-6 6 输输出出能能量量随随储储能能电电容容的的变变化化关关系系第35页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;
31、QQ:21265964;Msn: 输入能量由储能电容量和充电电压确定输入能量由储能电容量和充电电压确定.在激光器的结在激光器的结构与充气条件一定时构与充气条件一定时,激光器存在一个允许的最大能量激光器存在一个允许的最大能量.输入能量太低输入能量太低,激励不足激励不足,输入能量过大输入能量过大,均匀放电被均匀放电被破坏破坏,反使激光输出下降反使激光输出下降.3.3.工作电压对输出能量的影响工作电压对输出能量的影响总气压越高总气压越高,工作范围越窄工作范围越窄.图图3 3.2 2-7 7 输输出出能能量量随随工工作作电电压压的的变变化化关关系系第36页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser
32、 Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 其它条件不变情况下其它条件不变情况下,只改变只改变N N2 2气的比例时气的比例时,脉冲脉冲波形的尾部拖得很长波形的尾部拖得很长.（a a）纯纯COCO2 2的情况的情况（b b）C0C02 2：N N2 2=1=1：1 1（c c）C0C02 2：N N2 2=1=1：4 4图图3.2-8 3.2-8 不同不同N N2 2比例的激光脉比例的激光脉冲波形冲波形第37页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:
33、;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 主要气体激光器主要气体激光器 He-NeHe-Ne 激光器激光器 COCO2 2激光器激光器He-NeHe-Ne 激光器激光器 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 结构结构COCO2 2激光器激光器 工作原理工作原理 激励机制激励机制 纵向放电激励纵向放电激励 横向放电激励横向放电激励 第38页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 请回答1.1.了解气体激光器的基本结构了解气体激光器的
34、基本结构.2.2.比较主要气体激光器的工作原理比较主要气体激光器的工作原理.3.3.简述各气体激光器的输出特性简述各气体激光器的输出特性.第39页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 3-3 其它气体激光器（其它气体激光器（补充内容）补充内容）Ar+激光器激光器1、器件特点、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。第
35、40页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2、能级结构、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：激光机理激光机理弧光放电弧光放电第41页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 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主要的准分子激光器第42页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 跃迁过程跃迁过程泵浦要求泵浦要求电子束泵浦机理电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理脉冲放电泵浦机理第43页，共44页，编辑于2022年，星期二Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第44页，共44页，编辑于2022年，星期二