二氧化碳激光器简介PPT.ppt

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1、二氧化碳激光器4.1 C04.1 C02 2激光器的工作原理激光器的工作原理C0C02 2分子内能包括：分子内能包括：电子内能分子中原子间的振动能级电子内能分子中原子间的振动能级 分子的整体转动能级分子的整体转动能级1 1 二氧化碳分子振转能级结构二氧化碳分子振转能级结构 振动能级：振动能级：对称振动对称振动 V V1 1 弯曲振动弯曲振动 V V2 2 （角量子数（角量子数 l l）反对称振动反对称振动 V V3 3 转动能级：转动能级：转动量子数转动量子数 J:J=l,l+1,l+2J:J=l,l+1,l+2.2 2 二氧化碳激光器的激发机理二氧化碳激光器的激发机理 能级跃迁图：能级跃迁图

2、：上能级的激发上能级的激发下能级的激发下能级的激发弛豫过程弛豫过程辅助气体辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O转动能级的竞争转动能级的竞争效应效应2.1 2.1 激光上能级的激发激光上能级的激发 1 1）电子直接碰撞激发：）电子直接碰撞激发：COCO2 2（00000 00 0）+e CO+e CO2 2（00000 01 1）+e+e 2 2）串级激发：）串级激发：COCO2 2（00000 00 0）+e CO+e CO2 2（00000 0v v3 3）+e+e COCO2 2（00000 0v v3 3）+CO+CO2 2（00000 00 0）COCO2 2（00000 0v

3、 v3 31 1）+CO+CO2 2（00000 01 1）3 3）共振转移激发）共振转移激发 N2*N2*（v v1 1，2 2，3 3。）。）+CO2+CO2（00000 00 0）N2(vN2(v0)+CO2*0)+CO2*（00000 0v3v31 1，2 2，3 3。）。）+E E CO*CO*（v v1 1）+CO2+CO2（00000 00 0）CO(vCO(v0)+CO2*0)+CO2*（00000 01 1）+E E 4 4）复合激发）复合激发 COCOO COO CO2 2（00000 01 1）+E E2.2 2.2 激光下能级的激发激光下能级的激发 1 1）电子碰撞激发

4、）电子碰撞激发 直接激发直接激发 COCO2 2（00000 00 0）+e CO+e CO2 2（10100 00 0）+e+e 逐级激发逐级激发 COCO2 2（00000 00 0）+e CO+e CO2 2（01011 10 0）+e+e CO CO2 2（01011 10 0）+e CO+e CO2 2（10100 00 0）+e+e 2 2）串级激发）串级激发 高能级的粒子辐射跃迁或驰豫碰撞到高能级的粒子辐射跃迁或驰豫碰撞到10100 00 0或或02020 00 0能级能级 3 3）分子碰撞激发）分子碰撞激发 COCO2 2（01011 10 0）+CO+CO2 2（01011

5、10 0）COCO2 2（10100 00 0）+CO+CO2 2（00000 00 0）E E 4 4）费米共振激发）费米共振激发 COCO2 2（02020 00 0）COCO2 2（10100 00 0）E E3 3 二氧化碳激光器驰豫过程二氧化碳激光器驰豫过程 1 1）激光上能级的驰豫）激光上能级的驰豫 分分 体积驰豫体积驰豫 和和 管壁驰豫管壁驰豫，驰豫速率与气压有关，体，驰豫速率与气压有关，体积驰豫还与辅助气体种类及其气压有关积驰豫还与辅助气体种类及其气压有关 2 2）激光下能级的驰豫）激光下能级的驰豫 第一步第一步 10100 00 0和和02020 00 0能级的分子与基态分子

6、碰撞，二者都会驰豫能级的分子与基态分子碰撞，二者都会驰豫到到01011 10 0振动能级振动能级 CO2CO2（1 10 00000）+CO2+CO2（00000 00 0）2CO2(012CO2(011 10)+52cm0)+52cm-1-1 CO2 CO2（02020 00 0）+CO2+CO2（00000 00 0）2CO2(012CO2(011 10)-50cm0)-50cm-1-1 其他气体与其他气体与COCO2 2分子的碰撞也能使分子的碰撞也能使CO2CO2（10100 00 0）驰豫到）驰豫到CO2(01CO2(011 10)0)。这个过程进行的速度很快。这个过程进行的速度很快。

7、第二步第二步 驰豫到驰豫到01011 10 0能级的能级的COCO2 2分子与基态分子与基态COCO2 2分子分子及其他气体分子碰撞驰豫到基态。及其他气体分子碰撞驰豫到基态。CO2CO2（01011 10 0）+CO2+CO2（00000 00 0）2CO2(002CO2(000 00)+667cm0)+667cm-1-1 CO2 CO2（01011 10 0）+M CO2(00+M CO2(000 00)+M+0)+M+E E 此驰豫存在瓶颈效应：此驰豫存在瓶颈效应：当当CO2CO2激光器中不加其他气体，只靠激光器中不加其他气体，只靠CO2CO2分子之间的碰分子之间的碰撞时，撞时，10100

8、 00 0驰豫到驰豫到01011 10 0的速率比从的速率比从01011 10 0驰豫到驰豫到00000 00 0的的速率高得多，因此速率高得多，因此01011 10 0能级上的粒子将被堆积起来，而能级上的粒子将被堆积起来，而第一步过程是可逆的，这会使得第一步过程是可逆的，这会使得10100 00 0和和02020 00 0能级上的粒能级上的粒子数增加，造成反转粒子数下降。子数增加，造成反转粒子数下降。4 4 辅助气体辅助气体N N2 2：增大增大COCO2 2分子分子00000 01 1能级的激发速率能级的激发速率,还能增加还能增加01011 10 0能能级的驰豫速率级的驰豫速率 COCO：

9、增大增大COCO2 2分子分子00000 01 1能级的激发速率，还能增加能级的激发速率，还能增加01011 10 0能级的驰豫速率，但太高时会使能级的驰豫速率，但太高时会使00000 01 1能级消激发能级消激发 HeHe：1 1 降低工作气体的温度，增加输出功率降低工作气体的温度，增加输出功率 2 He2 He对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出功率功率 3 3 缓冲缓冲COCO2 2向管壁扩散，减少向管壁扩散，减少00000 01 1态态CO

10、CO2 2分子与管壁分子与管壁的碰撞消激发作用的碰撞消激发作用 Xe：增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低，增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低，从而提高激光器的效率从而提高激光器的效率 H2：H2O：提高器件的输出功率，并且延长器件寿命提高器件的输出功率，并且延长器件寿命 Ar：降低管内电子温度，有利于上能级激发，但导热率不降低管内电子温度，有利于上能级激发，但导热率不如如HeHe4.2 4.2 普通普通CO2CO2激光器的工作特性和输出特性激光器的工作特性和输出特性 1 1 电子温度电子温度 E/NE/N范围：范围：10101616 10101515 Vcm2 Vcm2 E

11、/N E/N小，电子转换效率高，但放电管难以着火小，电子转换效率高，但放电管难以着火 E/NE/N大，能量大多转换给电子的激发态，电子转换大，能量大多转换给电子的激发态，电子转换效率低效率低 2 2 增益增益 1 1）放电电流的影响：存在最佳值）放电电流的影响：存在最佳值 2 2）管壁温度的影响：封离型增益随管壁温度上升而下降）管壁温度的影响：封离型增益随管壁温度上升而下降 流动型增益与管壁温度无关流动型增益与管壁温度无关 3 3）气压）气压 存在最佳气压值存在最佳气压值4 4）管径的影响管径的影响 封离型增益随管径封离型增益随管径DD增大略有下降增大略有下降 流动型增益随流动型增益随DD增大

12、很快减小增大很快减小5 5）增益的径向分布增益的径向分布 按零阶贝赛尔函数分布按零阶贝赛尔函数分布3 3 输出功率输出功率 影响输出功率的因素：影响输出功率的因素：a a）注入功率的影响）注入功率的影响 是量子效率是量子效率 是管内允许气体温度增加的最大值是管内允许气体温度增加的最大值 b b）放电管尺寸的影响）放电管尺寸的影响 放电管长度：放电管长度：P PWW=KL=KL 功率随放电管长度增加而增加功率随放电管长度增加而增加 放电管径：放电管径：谱线为非均匀增宽时，总输出功率与放电管直径无关谱线为非均匀增宽时，总输出功率与放电管直径无关 谱线为均匀增宽时，总输出功率随管径增大而增大谱线为均

13、匀增宽时，总输出功率随管径增大而增大C C）放电参数的影响）放电参数的影响 存在最佳放电电流存在最佳放电电流 总气压也存在最佳值总气压也存在最佳值DD）气体温度的影响）气体温度的影响 P PWW=AT=AT-3/2-3/2 温度影响的原因：温度影响的原因：1.1.温度升高使下能级粒子数增多，上能级消激发增大，温度升高使下能级粒子数增多，上能级消激发增大，反转粒子数减少，输出功率下降反转粒子数减少，输出功率下降 2.2.随气压的增高，线宽加大，输出功率下降随气压的增高，线宽加大，输出功率下降 3.3.温度升高增加了温度升高增加了COCO2 2分子的分解，输出功率下降分子的分解，输出功率下降降低温

14、度采用冷却措施：扩散冷却降低温度采用冷却措施：扩散冷却 对流冷却对流冷却4 4 输出谱线输出谱线 转动能级的竞争效应转动能级的竞争效应4.3 4.3 普通普通COCO2 2激光器的结构与设计激光器的结构与设计1 1 结构结构 电极电极 放电管放电管 储气管储气管 回气管回气管 冷却水管冷却水管 谐振腔镜谐振腔镜2 2 小型小型CO2CO2激光器的设计激光器的设计 针对小型封离型针对小型封离型CO2CO2激光器激光器 1 1）确定谐振腔的主要尺寸）确定谐振腔的主要尺寸 放电管长度：放电管长度：l lP PWW/W/W0 0 总长度总长度 L=lL=l2 2 l l l l 为总长的为总长的5 5

15、1515 一般采用大曲率平凹腔，凹面镜的曲率半径为一般采用大曲率平凹腔，凹面镜的曲率半径为 R=2 R=2 3L3L 放电管直径放电管直径DD：针对基横模运行，针对基横模运行，D=3D=3凹凹 多模输出，多模输出，D4D4凹凹 2)2)确定谐振腔的参数确定谐振腔的参数 总损耗总损耗 mmn 由经验表达式算出由经验表达式算出GG0 0和和IsIs 再由再由 计算最佳耦合时输出镜的透过率计算最佳耦合时输出镜的透过率4.4 4.4 高功率高功率COCO2 2激光器激光器1 1 高功率高功率COCO2 2激光器特点激光器特点 工作气体快速冷却工作气体快速冷却 大体积放电的均匀性与稳定性大体积放电的均匀

16、性与稳定性 放电激励技术多样化放电激励技术多样化 提高工作气体压力以提高激光功率提高工作气体压力以提高激光功率 设计最佳放电设计最佳放电E/NE/N值值 优良的光束质量优良的光束质量 优良的红外光学元件优良的红外光学元件 能连续输出又能脉冲输出能连续输出又能脉冲输出2 2 轴快流轴快流COCO2 2激光器激光器 气流方向与激光束输出方向一致气流方向与激光束输出方向一致 结构：风机的选择：罗茨风机结构：风机的选择：罗茨风机 涡轮风机涡轮风机 热交换器热交换器 湍流发生器湍流发生器 工作特性：工作特性：3 3 横流高功率横流高功率COCO2 2激光器激光器 放电方向放电方向 气流方向气流方向 激光

17、束输出方向互相垂直激光束输出方向互相垂直4.5 4.5 横向激励高气压横向激励高气压COCO2 2激光器（激光器（TEATEA）1 1 特点特点 工作气压高工作气压高 采用横向激励方式采用横向激励方式 电极面积大电极面积大 施用预电离技术施用预电离技术2 2 常用的常用的TEA COTEA CO2 2激光器结构激光器结构 1 1）针板针板TEA CO2TEA CO2激光器激光器 结构比较简单，易实现均匀激励，效率不高，光束质量不太好结构比较简单，易实现均匀激励，效率不高，光束质量不太好 2 2）双放电双放电TEA CO2TEA CO2激光器激光器 阴阳极之间加了一个预电离电极阴阳极之间加了一个

18、预电离电极 3 3）紫外光预电离）紫外光预电离TEA CO2TEA CO2激光器激光器 4 4）电子束预电离）电子束预电离TEA CO2TEA CO2激光器激光器 3 TEA CO23 TEA CO2激光器的工作特性激光器的工作特性 1 1）增益开关效应）增益开关效应 激光器的光脉冲输出是由于腔内高增益的迅速建立而形成的激光器的光脉冲输出是由于腔内高增益的迅速建立而形成的 2 2）激光脉冲的瞬时特性）激光脉冲的瞬时特性 两个峰值：两个峰值：一个由电子直接碰撞激发形成一个由电子直接碰撞激发形成 一个由一个由N N2 2分子激发形成分子激发形成 3)3)输出能量与激励能量的关系输出能量与激励能量的

19、关系 呈线性关系，注入能量过大会出现弧光放电等不稳定现象呈线性关系，注入能量过大会出现弧光放电等不稳定现象 4 4）输出能量，脉冲功率与气压的关系）输出能量，脉冲功率与气压的关系 输出能量随气压增高而增高输出能量随气压增高而增高 脉冲宽度随气压增高而减小脉冲宽度随气压增高而减小 5 5）光束质量）光束质量 由于存在各种不均匀性，光束质量不如由于存在各种不均匀性，光束质量不如COCO2 2普通激光器好普通激光器好4.6 4.6 高功率高功率COCO2 2激光器的结构设计激光器的结构设计1 1 谐振腔的设计谐振腔的设计 光桥光桥 镜子支承座镜子支承座 光桥托光桥托2 2 放电系统的结构设计放电系统

20、的结构设计 2.1 2.1 横流电激励：横流电激励：1 1）针板式放电结构）针板式放电结构 阴极：铼钨针阴极：铼钨针 串接镇流电阻串接镇流电阻r r与与R R 阳极：紫铜板阳极：紫铜板 边缘倒圆边缘倒圆 放电区气流风道：与振荡模体积和风机能力有关放电区气流风道：与振荡模体积和风机能力有关 喉道的设计喉道的设计 阴阳极间距离阴阳极间距离 提高工作气压的好处：提高工作气压的好处：1 1 输出功率随气压增大而增大输出功率随气压增大而增大 2 2 不纯气体比相应减小，有利于长时间运行不纯气体比相应减小，有利于长时间运行 3 3 气压增加，碰撞引起谱线加宽，减小纵模平移的影响气压增加，碰撞引起谱线加宽，

21、减小纵模平移的影响 4 4 气体质量流量随气压增大而增大，有利于风机的正常工作，气体质量流量随气压增大而增大，有利于风机的正常工作，同时气体温度不易上升同时气体温度不易上升 2 2）管板式放电结构）管板式放电结构 阴极：阴极：放置位置：放置位置：气流上游前沿与阳极前沿对齐气流上游前沿与阳极前沿对齐 与导流板之间必须留有足够的空隙与导流板之间必须留有足够的空隙 应置于喉道渐缩段内应置于喉道渐缩段内 寿命：与管径大小有关，管径小寿命长寿命：与管径大小有关，管径小寿命长 材料：无氧铜材料：无氧铜 水冷镍阴极水冷镍阴极 阳极：阳极：条形，两端圆弧过渡，紫铜制造条形，两端圆弧过渡，紫铜制造 辅助阳极辅助

22、阳极 阳极长度不匹配：阳极长度不匹配：电极缩短，抑制瞬间飞弧的进一步扩展，在工电极缩短，抑制瞬间飞弧的进一步扩展，在工作气质变劣时也能稳定放电作气质变劣时也能稳定放电 电极过短，特别气质变劣情况下，异常辉光放电极过短，特别气质变劣情况下，异常辉光放电区变大电区变大 阳极的绝缘处理阳极的绝缘处理 气流风道极间距离的确定：气流风道极间距离的确定：4.7 CO2 2波导激光器1、结构 放电管、贮气管、回气管、水冷系统、谐振腔、电极等放电管、贮气管、回气管、水冷系统、谐振腔、电极等 放电管由波导管组成放电管由波导管组成2、工作特点 放电管内径小、工作气压高、谱线加宽、输出功率密度放电管内径小、工作气压高、谱线加宽、输出功率密度可提高可提高3、耦合损耗 外部反射镜与波导管的耦合外部反射镜与波导管的耦合 针对波导管中传输的针对波导管中传输的EHEH1111模，存在三个低损耗区模，存在三个低损耗区 反射镜与反射镜与EHEH1111模相匹配时，三种低损耗区模相匹配时，三种低损耗区 反射镜与反射镜与EHEH1111模不匹配时，三种实用的低损耗配置方案模不匹配时，三种实用的低损耗配置方案