（光学专业论文）具有空间重叠性的双频振荡放大型teaco2激光器研究.pdf

具有空间重叠性的双频振荡放大型 t e a c 0 2 激光器的研究 光学专业 研究生：刘智峰指导老师：李育德 随着可调谐t e a c 0 2 激光器在一些应用领域的推广( 如用于激光分离同位 素) ，人们不仅需要输出波长为1 0 6 9 m 的c 0 2 激光器，还需要输出9 ，6 7 _ m 和其 他波长的c 0 2 激光器；不仅需要单频t e a c 0 2 激光器，还需要双频t e a c 0 2 激 光器。因此研制双频可调谐t e a c 0 2 激光器有现实意义。本文对现有的此类器 件的各种方案作了分析后，提出了一种新型双频振荡放大型可调谐c o ，激光器， 克服了在此之前的此类激光器的很多不是的地方，综合了己有的此类器件的主 要优点。 结构上，该器件利用主放电电极间的同一放电区内的介质作为腔内增益介 质，设计了空间部分重叠的两个互相相关的光栅一平面腔，两个光栅一前一后， 在空间上部分重叠，它们互相利用，采用双频起振。为了提高输出能量，本器 件在振荡级后增设了放大器，克服了为提高输出残量而加长振荡级放电室长度 而导致寄生振荡的不足。 实验上，通过大量的实验总结出我们研制的双频可调谐c o ：激光器的基本 ： 作特性。此器件能同步( 时延4 0 0 n s 一8 0 0 n s ) 输出两个不同波长的空间上重叠的 激光脉冲，两脉冲的波长在很大的范围内( 9 r 3 1 0 9 “m ) 独立可调，并且可根据 需要得到不同的两波长的能量比( 1 ：l ( 卜1 ：1 ) ，且光路也易实现；部分重叠的双波 长光束经过放大器后，能量放大明显( 最高可放犬约5 倍) ，重叠性变好光斑更 加均匀，这些特性在我们分离同位素的应用中非常重要。我们还对器件的总气 压，放电电压及混合气比例等= ：r 作条件对双波长激光的输出能量以及两支线能 量比特性、重鸯性、同步性( 时延) 的改善或影响规律进行了研究，在双频激 光器中找到它们的最佳值。 理论上，本文从激光放大的输运方程开始，得出光场在放大器后的输出能 量表达式，根据振荡级出来的双波长激光初始二维光强分布数值计算了放大后 的双波长激光的二维光强分布，得出不同重叠情况的双波长光束通过放大器后 的放大情况，结论与实验结果基本符合。很好的解释了：输出能量放大很明显， 放大后光斑能量更加均匀，放大前两个空间上部分重叠的光束经过放大后重叠 性变得更好，对于不同波长的支线，放大器对强线的放大比弱线强。本文最后 还初步估计出双波长光场中不同支线在放大器中对反转粒子数的利用情况。 关键词：可调谐t e ac o 。激光器空间重叠双波长放大级 ad u a l w a v e l e n g t ho s c i l l a t i o n a m p l i f yt e ac 0 2l a s e r w i t hs p a c eo v e r l a p p e dp u l s e s g r a d u a t es t u d e n tl i uz h i - f e n g d i r e c t o r l iy u - d e a d u a l w a v e l e n g t ht u n a b l et e a c 0 2l a s e rs u i t a b l ef o ri s o t o p es e p a r a t i o nw a s d e v e l o p e d ，w h i c hc a ng e n e r a t et w od i f f e r e n tw a v e l e n g t hs p a c e o v e r l a p p e dl a s e r p u l s e s t h eo u t p u te n e r g ye x c e e d s2 j t h et w ow a v e l e n g t h s a r et u n a b l er e s p e c t i v e l y t h ee n e r g yp r o p o r t i o no ft h et w ow a v e l e n g t h si st u n a b l e i nt h i sp a p e r , t h et e ac 0 2 l a s e r sd e s i g n i n ga n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i cf i r ep r o v i d e d ，t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s a r ea n a l y z e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e no u t p u te n e r g ya n dm i x t u r ep r e s s u r e 、p r e s s u r e p r o p o r t i o na n dw o r k i n g v o l t a g ea l e a l s os u m m a r i z e d a tt h el a s t ，w eo b t a i nt h e o u t p u tw a v e f o r m i nt h i sp a p e r , d e s i g nc r i t e r i af o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h i sk i n do ft e ac 0 2l a s e r a r ep r e s e n t e d w em a i n l yt a k er e s e a r c hi nt h ea m p l i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc 0 2 l a s e r sd o u b l e - f r e q u e n c y i ne x p e r i m e n t ，t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s ，w eg e tm ec h a r a c t e r so ft h ed u a l w a v e l e n g t ht u n a b l et e ac 0 2 l a s e rw h i c hw eh a v ed e v e l o p e d t h r o u g he x p e r i m e n t ， w eg o tt h a ti r i sn e wk i n do ft e ac 0 2l a s e rh a v et h e s ea d v a n t a g e s ：t h ec o m p a s so f t h et u n a b l ew a v ei sab i tl a r g e ，t h ea d j u s t m e n to ft h ec o m p a r eo fe n e r g y , a n di t s c a p a b i l i t yo fb i g g e ro u t p u te n e r g yt h r o u g ha m p l i f i c a t i o ns t a g ea n ds oo n i tc o n q u e r s m a n yd i s a d v a n t a g e so ft h el a s tl a s e r so f , s y n t h e s i z et h ea d v a n t a g e so ft h em e n t i o n e d l a s e r s w eu s et h i sl a s e rt os e p a r a t ei s o t o p ei ne x p e r i m e n ta n dw ea c h i e v eac o n t e n t r e s u l t i n t h e o r y ，w ed e d u c et h eo u t p u te n e r g ye x p r e s s i o n a n dw ea l s oc a l c u l a t et h e d i s t r i b u t i n go fl i g h ti n t e n s i t y a l lt h o s ea c c o r dw i t hw h a tw e h a v eg o ti ne x p e r i m e n t s ow ec a ne x p l a i nt h a tt h es p o tg e t sm o r eh o m o g e n o u sa f t e rb e i n gg n n e d ，a n dt h e s p a c eo v e r l a p p i n gg e t sb e t t e ra l s o d i f f e r e n tw a v e l e n g t hl i g h tb e a mc a ng e td i f f e r e n t 1 1 1 g a i nt h r o u g ht h ea m p l i f i e r , t h ec o n c l u s i o ni st h a tl i g h tb e a mw h o s ee n e r g yi n t e n s i t yi s b i g g e rg e t sm o r eg a i n t h e nw ec o n c l u d et h a ta l lt h o s ew eh a v eo b m i n e di ne x p e r i m e n ta c c o r dw i t hw h a tw eg e th e r e i nt h el a s t ，w ea l s oe s t i m a t et h ed i s t r i b u t i n go f p a r t i c l e sf o rd i f f e r e n tw a v e l e n g t hl i g h tb e a m su s i n gf o rg a i n k e yw o r d s ：t u n a b l et e ac 0 2 l a s e r s p a c eo v e r l a pd u a l w a v e l e n g t hg a i ns t a g e 四川大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 1 1c 0 2 激光器的简介及应用 1 9 6 4 年由p a t e l 第一个研究成功c 0 2 激光器 1 【2 【3 ，激光器输出功率为m w 量级，效率约为1 0 “。由于做出了在工作物质中加入n z l 4 1 1 5 1 及h e l 6 1 的重大改进， c 0 2 激光器的输出功率在一年内，迅速提高到1 0 0 w 以上，总效率达到6 ，c o ， 激光器成为当时输出功率和效率最高的激光器【5 】。后来流动型，横向激励型， 高气压型，气动型等各种c 0 2 激光器相继出现，发展极为迅速，应用也越来越 广泛，并且其中的大部分都已经实现系列化和商品化。目前，连续波输出功率 已经达数十万瓦，连续波激光器已商品化，是所有激光器中连续输出功率最高 的激光器。c 0 2 激光器在众多的激光器中可以说是独树一帜，它广泛地应用于 工业，医疗，军事领域： 1 1 1c 0 2 激光器在监测大气污染中的应用 随着现代工业的发展，大气污染变得愈来愈严重，众所周知，c 0 2 激光差 分吸收雷达是监测大气中微量有毒气体和污染气体的一种有效工具w 。 1 1 2c 0 2 激光器在工业加工中的应用 c 0 2 激光在工业上主要用于材料的切割、焊接和材料表面处理三个方面。 c 0 2 激光切割是用聚焦镜将c 0 2 激光聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激 光束同轴的压缩气体吹走被熔化的村料，并使激光束与材料沿一定的轨迹作相 对运动，从而形成一定形状的切缝。激光焊接技术进行三维焊接是项崭新的 工艺技术，实现这一工艺的是大功率c o z 激光器。即先把三个6 千瓦的c 0 2 激 光器集成在龙门架上，该设备可使激光束在空间进行五轴运动，并用计算机对 工件三维数据进行模拟诊断处理，在计算机控制下激光束可以沿任意轨道运动， 从而实现对工件的三维焊接。睇1 1 ，1 3c 0 2 激光器在光通信中的应用 c 0 2 激光器输出激光波长处于1 0 6 “m 附近的中红外波段，正好处于大气窗 口，并且功率高，能量转换效率也高，相干性好，线宽窄，谱线丰富，光束的 四川入学硕士学位论文第一章概述 光学质量好，工作稳定，它在无线光通信上有着巨大的潜t 9 j 。 1 i ，4c 0 2 激光器在分离同位素中的应用 c o z 激光在同位素的分离工作中起作重要作用。激光分离法，是利用同位 素的能态和吸收光谱上的差异来实现分离的。即必须选择只对某一同位素的原 子或分子进行激发，而不对另一种同位素原子或分子进行激发的适当波长的激 光，然后利用受激和未受激态同位素原子或分子在物理性质或化学反应能力上 的显著不同而达到分离的目的。“0 1 可调谐t e a c 0 2 是同位素分离的理想光源。 1 2 t e a c 0 2 激光器的发展 c 0 2 激光器从激光特性上来说，由较低能量连续输出功率发展到了具有高 能量的脉冲输出，第一台1 k wc 0 2 激光器是r a y t h e o n 公司在1 9 6 6 年研制成功 的。他们使用了慢轴流技术，用长约4 0 英尺以上的放电管才得到了这样的功率 “”。现在c 0 2 激光器连续输出功率可达万瓦级，脉冲输出能量达万焦耳，脉 冲宽度可压缩到毫微秒级。从激光器的结构来看，先经历过封离激光器，从向 流动激光器，横向流动激光器，横向激励激光器f r y _ a 系统) ，气动激光器。特 别是t e a c 0 2 激光器的出现使脉冲c 0 2 激光器的能量输出有了突破性进展，开 创了c o z 激光器发展的新纪元，从此大面积均匀放电激励技术给人们以新的启 示，即增大均匀放电面积，尉在较短的长度上即可得到高输出， c o z 激光器可以用热激励、化学激励和放电激励，其中放电激励用得最多。 放电激励又可分为纵向放电激励和横向放电激励两种，纵向放电激励主要用于 低气压激光器。可采用直流、交流辉光放电，或采用脉冲和高频放电。横向放 电激励则主要用于高气压檄光器。本文所采用的就是用于高气压的激光器，即 t e ac o ：激光器，它基手提亵气医来提高输出功率，采用与光轴方向垂直鲍电 场，利用快速激励技术，在短于c 0 2 分子激发寿命时间内将能量注入。实现高 密度激发粒子数反转，就可咀获得与气压平方成正比的高功率激光脉冲f l “。 1 9 6 9 年底至1 9 7 0 年初，法国的r d u m a n c h i n 等人和加拿大的a j b e a u l i e u 等人，分别报导了t e a c 0 2 激光器的运转【i3 l i t 4 1 ，通过1 5 0 个均匀分布的电阻针 与阴极横向放电，激光器的混合气体比是：c 0 2 ；n 2 ：h e = 1 2 ：l ：i o 。当注入 坚丝奎兰堡圭兰垡笙茎 篓：要堡堕 能量为6 2 5 j 时，输出的脉冲能量为0 1 5 j 。峰值功率为0 5 m w 。随后世界各国 进行了大量的研究。1 9 8 0 年，前苏联研制成功平均输出功率1 0 k w ，脉冲重复 频率7 5 0 p p s 的高重复频率的t e ac 0 2 激光器【1 5 。1 9 8 3 年，k r r i c k w o o da n d j m c l n n e s 研制成功脉冲重复频率高达5 5 k p p s 高重复频率t e ac 0 2 激光器【l 6 1 ， 俄罗斯科学家最近的研究表明【1 7 】：研制输出功率2 0 k w 水平的脉冲t e ac 0 2 激 光器体积可以不超过l c m 3 。t e a c 0 2 激光器的科学和技术研究已经相当深入。 t e ac 0 2 激光器的分类： 按照预电离的方式，t e ac 0 2 激光器主要分为两类：电子束注入预电离型 和紫外光辐射预电离型邮l 【1 8 】 1 9 】。前者能获得大体积均匀预电离，获得最佳的激 光放电f _ p 值，但技术上很困难；后者结构相对简单，容易实现。 按照工作频率的方式，t e ac 0 2 激光器主要分为：单频t e ac 0 2 激光器和 双频t e a c 0 2 激光器。当然也有三频t e a c 0 2 激光器，但很少见到三频t e a c 0 2 激光器的应用。 t e a c 0 2 激光器具有许多突出优点： 1 由于采用横向激励，在相同的增益长度和气压下，可使激光器的放电电 压大幅度下降。 2 t e ac 0 2 激光器一般采用高压窄脉冲激励( 放电脉冲的宽度一般为几微 妙) ，存在着“增益开关”效应，可以得到很高的脉冲峰值功率，输出能量为焦 耳级的t e ac 0 2 激光器的峰值功率可达到几十兆瓦。 3 单位体积增益介质的输出脉冲能量与气压在一定范围内存在正比关系，输 出峰值功率与气压的平方有正比例关系。故t e a c 0 2 激光器单位体积的输出能 量和峰值功率高。 最开始出现的是单频非调谐的t e a c 0 2 激光器，当时也得到了广泛的应用， 但是已有的单频t e a c 0 2 激光器的输出功率及其特性参数并不能在某些领域的 应用中取得很好的效果，例如：同位素分离需要峰值功率更高的光束。解决这 一问题需要一种具有较高能量参数，较宽的频率调谐范围，小的发散角和简单 可靠的结构的激光器，还发现如果用双频来分离同位素获得比单频更好的效果。 这样t e ac 0 2 激光器由固定频率t e ac 0 2 激光器发展到可调谐激t e ac 0 2 激 光器，单频发展到双频。 四川大学硕上学位论文第一章概述 1 3 双频可调谐t e a c o ：激光器 1 - 3 1 双频可调谐t e a c 0 2 激光器研究背景 随着双频可调谐t e a c 0 2 激光器在些应甩领域的推广，人们不仅需要输 出波长为1 0 6 um 的c 0 2 激光器，还需要输出9 6 pm 和其他波长的c 0 2 激光 器；不仅需要单频的t e a c 0 2 激光器，还需要双频的t e a c 0 2 激光器。因此， 研制这种类型的激光器有现实意义。 t e a c 0 2 激光器己广泛用于激光化学，激光分离同位素 2 0 - 2 4 】，早期大多数 实验是在单一频率的激光辐照下进行的，这种“单频技术”在应用上有较大局 限性。双频t e a c 0 2 激光器用于分离同位素，相对单频激光有突出的优点，它 可以将分离的阈值从单频法降低两个数量级，并且有较高的激光能量利用率， 分离效果比单频要好雄2 ”。m a s a k i h a s h i d a 等学者利用自由电子激光分离硼同位 素 2 习后得出的结论表明采用自由电子激光和t e a c 0 2 激光器组成的双频光场是 最佳方案。但实际上所需的两频率均属于c 0 2 激光范围。报导的双频激光器典 型方案有三种： 将两台可调谐t e ac 0 2 激光器同步运行并将输出光束相迭加，如图t ( a ) ，但这需要使用两台激光器，因此装置较复杂、成本昂贵。 在一台n 渔c 0 2 激光嚣上产生两个波长不同的同步脉冲也有报导1 2 7 2 钔， 如图1 ( b ) ( c ) ，但前一种激光器1 因两个波长光场在同一介质区的竞争而调 谐性不荮，后一种【2 8 输出的两激光脉冲在空间上不重叠，需会聚使用。且在会 聚区一个小范围内是双波长激光激发，其效果明显受到限制。 l 一一j 一 ( a ) 4 四川大学硕士学位论文第一章概述 。分，? 。型| y a7 ：9 。j ? ， 1 妒八八 i忽r 7 t 。 7 1 3 2 我们研制的双波长可调谐振荡放大型t e a c 0 2 激光器 由于上面的双频可调谐c 0 2 激光器存在很多不足之处。使之在很多应用中 受到限制。因为需要，它必须得到一些必要的改进。 在前人的基础上我们双频t e a 激光器作进一步的研究，研制出一种新型双 波长激光器。如图1 _ 2 所示我们采用双频起振，增设了激光放大器，此器件能 同步输出两个不同波长的空间上重叠的激光脉冲，两脉冲的波长在很大的范围 内独立可调，并且可根据需要得到不同的两波长的能量此，且光路也易实现， 同时还能输出较高的能量，使之能够达到我们应用所需要的能量，并且输出能 四川大学硕士学位论文第一章概述 量和时间参数再现性好。并对总气压，放电电压及混合气比例进行探讨尝试新 的突破，找出双频t e a c 0 2 激光器中它们的最佳值。 z ，一i l 7 一八八一l 7 1 。 1 i ，一 触、 r 撇 图1 2 激光器的结构 特别在光放大级做出了较为详细的研究，我们在分离同位素时需要高的能 量。为此，加长振荡级放电室长度是一个选择，但是我们经过理论分析和实验 验证：如果只加长激光器的振荡级的放电室的长度会导致寄生振荡。因此，为 了提高输出能量我们不是直接加长放电室的长度，而是在激光器的后面加了行 波放大器，经过放大级，激光能量能达到我们用于分离同位素的目的，又避免 了寄生振荡现象。输出能量不但放大很明显，而且相比放大前光斑的许多特性 都变好，使之更加实用，比如放大后光斑能量更加均匀，放大前两个空间上部 分重叠的光束经过放大后重叠性变得更好，在后面章节我们将分析到这些。正 是激光器的这些特点使之有着重要的研究价值和应用前景。 1 4 本文研究内容 在本文的第二章，论述激光器的基本工作原理。主要介绍了c 0 2 能级结构， c 0 2 激光器工作原理以及调谐原理，光腔的主要损耗以及激光放大技术，最后 还说明了t e a c 0 2 激光器的工作原理及特性， 本文的的第三章，描述研制出的具有空间重叠性的振荡放大型双频t e a c o ：激光器，并系统地总结了对此器件进行的试验研究，得出了此器件各种参 数，得出了此器件的两个光场空间重叠性，能量比可调谐性，放大特性等各种 特性。 在本文的第四章，我们对双频t e a c 0 2 激光器放大级的工作进行了理论分 析，依据振荡级的主要的工作参数，分析了放大级的放大机理，建立了放大级 四川大学硕士学位论文第一章概述 的放大模型，计算了能量增益和经过放大后的脉冲波型的改变，以及对光斑经 过放大级后，能量放大明显，光斑变得更加均匀，重叠性变好进行了解释，这 与我们的实验结果符合。 在最后，总结了本文的成功和不足之处，同时提出了以后继续深入研究和 改进的地方。 四川大学硕上学位论文第二二章可请谐振荡放丈型t e a c o ! 激光器基本原理 第二章可调谐振荡放大型t e a c 0 2 激光器基本原理 2 1 c 0 2 激光器 2 1 1c 0 2 激光器的组成及各部分的作用 c o z 激光器同一般激光器一样由激光谐振腔，激光工作物质和激励源三大 部分组成的。激光谐振腔是产生激光的条件之一，是开放式光学腔，由全反射镜 和部分反射镜组成。c 0 2 激光器的谐振腔是稳定腔，激光光束是高斯光束。激光 工作物质是产生激光的物质基础，是一种可实现粒子数反转的物质工作物质一 般有激发发射物质和辅助物质。c 0 2 激光器中c 0 2 作为激光发射物质，n 2 和h e 作为辅助气体，h e 的存在有助于抽空处于c o z 分子下能级的粒子，使实现激光 连续振荡的条件得到满足。另外h e 的热导率高，有助于让放电区剩余热量传走 从而避免了由于热效应造成的，在激光下能级上的粒子数的累积，进而保证了激 光器的稳定运行。具有高效率激励源是实现激光连续输出的必要条件，泵浦方式 为：光泵清，电泵浦，光泵浦多适用于固体和染料激光器，原因是固体和染料 的吸收谱线较宽，实际上形成能带而非能级，这些带可吸收泵浦源等发出的宽 谱带光相当大部分的光，但是对于气体激光器而言，由于吸收谱线很窄，所以 气体激光器的激励方式不采用连续发射的光泵浦而采用气体放电或电子束激励 的方式实现泵浦，本试验正是采用多组电极放电激励实现泵浦，其放电方式为 紫外预电离辉光放电。 2 1 2 c 0 2 的能级( 2 9 】 c 0 2 激光器是振动一转动分子激光器，他的工作气体是c 0 2 ，n 2 ，和h e 的 混合物，分子里的电子保留在基态，激光跃迁发生在c 0 2 的不同振动状态的两个 转动能级之间。c 0 2 激光器输出能量大，功率高，效率也高 c 0 2 分子是一种线性对称排列的三原子分子，三个原子排成一直线，中间 是碳原子，两端是氧原子，如图2 一l ( a ) 所示，c 0 2 分子处于不断的振动中，其基 本振动形式有三类，对称振动，形变振动和反对称振动： ( 1 ) 反对称振动方式，如图2 一l ( d ) 所示，三个原予沿这分子轴振动，其中 碳原子的振动方向与两个氧原子振动方向相反。振动能量是量子化的，用u ，表示 四川大学硕上学位论文第二章可调谐振荡放大型t e a c 0 2 激光器基本原理 这一振动方式，并简称为u 3 振动模，用波数来表示u ，振动模的基振动能量，1 ) 3 = 2 3 4 9 3 厘米。在讨论分子振动模交换能量时，这一数值又换算成温度，称 为u 3 的特征温度，用63 表示：6 ，= 竺堕。3 3 8 0 k ，其中h 是普朗克常数，k 是 庀 波尔兹曼常数，c 是光速。 ( 2 ) 形变振动方式，如图中( c ) 所示，三个原子的振动方向不是沿着分子轴， 而是垂直于分子轴，碳原予的振动方向与氧原子的振动方向相反用”2 标记这个 振动模，且) 2 = 6 6 7 3 厘米，62 = 9 8 0 k 。此振动是二度简并的，对应于两种 振动，在没有外界干扰时，这两种振动方式对应于同一个能量值。 ( 3 ) 图中( b ) 表示对称震动，1 ) 1 = 1 3 8 8 3 厦米一，6 1 = 1 9 6 0 k 。 氧碳氧 圈2 一 0 睦分子振动模型 c o ：分子的振动能量是上面三类振动方式的能量之和，所以振动能量状态 l 丫 婴业盔兰堕! 兰垡笙苎兰三兰曼塑! ! 塑堕垫奎型堡垒里! 燮堂堂苎查垦垩 应由四个量子数 l ，u 2 ， 0 3 ，f 来确定，其振动能量级用( ”，u z ，2 3 ) 标记， 其中z 是振动运动角动量量子数，以标记变形振动在两种振动方式上的分配。 量子数u l ，u2 ，u 3 取值为0 ，1 ，2 ，3 ； 量子数! 的取值范围是： f ：u 2 。1 ) 2 - - 2 ，0 ( 2 为偶数时) ： f = ”2 ， 0 2 - - 1 ，1 ( 1 ) 2 为奇数时) 。 c 0 2 分子可能产生的跃迁很多，但其中最强的有两条，一条属于0 0 0 1 1 0 0 0 跃迁，波长为1 0 6 ui n ，另一条属于0 0 0 1 0 2 0 0 的跃迁，跃迁波长为9 6 岫其跃 迁过程是以放电形式产生的外界能量将c 0 2 分子从基态激发到激光上能级 o 。_ 。1 ，o o p 】向1 0 0 0 的跃迁藏0 2 呛跃迁是辐射光予c 0 2 分予跃迁到】0 0 0 和0 2 0 0 能级后不能直接跃迁到基态而是通过基态粒子碰撞跃迁到0 1 0 0 能级，然后再通 过与其他的粒子碰撞( 如n 2 ，h e ) 返回到基态。如图2 2c 0 2 分子能级跃迁图。 ( t o o ) ( 0 0 2 ) ( 0 0 。+ 基态( o 0 0 1 矿 图2 一zc 0 2 分子部分能级跃迁围 以上的讨论中，我们只考虑了c 0 2 分子振动的能级，实际c 0 2 分子除振动 外，还有分子转动，在转动能级的影响下振动能级要分裂成很多能级。0 0 0 1 和 1 0 0 0 两能级的分裂情况虹圈2 3 所示。 1 0 3 2 2 1 1 0 o 0 口 0 0 0 四川大学硕士学位论文第二章可调喈振荡放大型t e a c 0 2 激光器基本原理 转动能级通常用量子数j 表示，为了区别，我们将下能级用j 表示，上能 级j 表示。根据跃迁选择定则： a j = j ，_ ，= 0 1 可产生很多谱线，其中a j = 1 的跃迁称为r 支，记作r ( j ) 如r ( i o ) ， r ( 2 ) ，= - 1 的跃迁称为p 支，记作p ( j ) ，如p ( 2 0 ) ，p ( 1 8 ) 等。 图2 30 0 0 1 和w 0 两能级的分裂图 c 0 2 的振动能级非常密集，使c 0 2 激光器输出的波长十分丰富。因此，用 光栅选频可得到不同的振动谱线。 虽然有这么多条谱线，但在普通激光器中能同时形成激光振荡的只有1 到3 条，这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠的很近，能级转移很快( 1 0 l o 。8 秒) ，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立即按波 尔兹曼分配率，转移到这个能级上来，而其他能级粒子减少，这就是转动能级 的竞争效应，由于这种竞争效应的存在，工作条件使得某条谱线增益系数较大， 则此谱线首先振动，而同时抑制了其他谱线的振荡。在o o o l 一1 0 0 0 跃迁中，p 四川大学硕士学位论文 第二章可调谐振荡放大型t e a c 0 2 激光器基本原理 支跃迁几率比r 支跃迁几率大，所以竞争结果一般总是p 支占优势，而在p 支 中通常最强的1 0 6 p m ，由于它与0 0 0 l - - 0 2 0 0 的跃迁同属于一个上能级的跃迁， 而且在0 0 0 1 1 0 0 0 的跃迁几率大得多，因此c 0 2 激光器中如果没有波长选择装 置，9 6 岬l 波长跃迁要被1 0 6 弘m 波长的跃迁而抑制。由于转动能级的强烈竞争 效应，谐振腔因某种原因长度发生变化时，容易使振荡谱线转到另一频率上。 在c 0 2 激光输出光谱中经常可以见到这种振荡谱线的跳动现象。 2 1 3 c 0 2 分子能级的寿命和c 0 2 激光器的量子效率 2 1 3 1 能级寿命和驰豫过程【2 9 】_ 【3 0 】 f 3 1 】 表2 1 列出了c 0 2 分子几个与激光过程有关的振动能级的辐射寿命。从表 中的数据我们可以看出，o o o l 振动能级的寿命是2 4 1 0 4 秒，它比下激光能 级1 0 0 0 的寿命还短3 个数量级。不过，表2 1 所列分子寿命是指孤立分子或 气体稀薄时的辐射寿命。在c 0 2 气体激光器中，c 0 2 分子之间实际上总是发生 大量的碰撞次数，决定分子的寿命除辐射跃迁过程之外，分子碰撞驰豫过程也 具有重要作用。对c 0 2 分子激光器来说，分子之间的碰撞驰豫过程是决定 实现能级粒子数的决定性因素。 表2 1o o z 几个振动能级的辐射寿命 能级 0 0 0 1 0 0 0 2 1 0 0 00 1 1 00 2 0 00 2 2 0 i 寿命( 秒) 2 4 x 1 0 31 ，3 x 1 0 。1 11 11 0- 2 6 ( 1 ) 0 0 0 1 能级的驰豫过程 c o 2 ( 0 0 0 1 ) 与分子m 洲= c 0 2 ，n 2 ，h 2 0 ，h e 等) 碰撞发生能量驰豫的过程： c 0 2 ( 叱) + m c 0 2 ( u 2 ) + m + 4 1 6 厘米1 c o f ( ) + m qc 0 2 ( q + ) + m + 2 7 2 厘米- 1 上面式子所表示的意义是；处于址振动模的c 0 2 分子与分子m 碰撞发生v - v 能量交换过程( 振动模与振动模之间的驰豫过程) ，并使它从酞振动模驰豫到巩 振动模或u ，+ 巩混合模，接着发生t - v 过程( 振动能量与分子热运动之间交换 能量过程) ，把剩余的振动能量转换为分子热运动能量。h 2 和h 2 0 的消激发 c o * z ( 0 0 。1 ) 速率非常快，在混合气体中h 2 的含量约1 乇时，c o 2 ( 0 0 0 1 ) 的寿命就 四川大学硕士学位论文 第二章可调谐振荡放大型t e a c 0 2 激光器基本原理 短于由自发辐射所决定的值。 ( 2 ) 1 0 0 0 能级的驰豫过程 对称振动模向基态的偶极辐射跃迁几率接近零。1 0 0 0 能级与基态没有直接 的光学联系，它要通过弘振动模才能与平动运动发生联系。1 0 0 0 振动能级与0 2 0 0 振动能级的能量很接近，它们之间有“费米共振”效应，彼此之间交换能量的 速率很快。分子m 使c 0 2 ( 1 0 0 0 ) 发生的驰豫过程是： c 0 2 + ( 1 0 0 0 ) + mhc 0 2 ”( 0 2 0 0 ) + m + 1 0 2 厘米1 ( 3 ) 0 1 1 0 能级的驰豫过程 激光跃迁发生之后，c 0 2 分子从0 0 0 1 能级跃迁到1 0 0 0 能级，又从1 0 0 0 能 级回到基态后才能重新获得激发。从l o o o 能级回到基态主要路径是经由0 1 1 0 能级。当在c 0 2 气体中加入n 2 和h e 之后，可以大大加快0 1 1 0 能级的驰豫速率， 而对o o o l 能级的驰豫影响较小，有利于实现激光上下能级的粒子数反转。 2 1 3 2c 0 2 激光能级粒子的激发过程【2 9 】 嘲 ( 1 ) 电子直接碰撞激发 图2 4 能量c e v ) 在加速电场作用下获得较高动能的电子与基态c 0 2 分子发生非弹性碰撞 将c 0 2 分子从基态激发到o o o l 能级的过程为： 激发截面ho_l口cm2u 四川大学礤士学位论文荦二章可渭谐振荡放大型t e a c d 激光器基奉原理 c 0 2 ( 0 0 u o ) + e - - - - 9c 0 2 ( 0 0 “1 ) + e 式中c 0 2 ( o 1 ) 表示c 0 2 分子的激发态( 0 0 p 1 能级) 不同的电子能量对各个能级激发截面是不同的，如图2 4 所示振动能级 0 1 0 ，0 0 1 ，0 0 2 ，0 0 3 的激发截面峰值对应的电子能量分别为0 0 8 e v ，0 。3 e v ， 0 6 e v ，o 9 e v 。因电子碰撞激发速率与电子激发截面成正比，所以上面的结果说 明，不同的电子能量对各能级的激发速率是不相同的。为了提高激光上能级0 0 1 的粒子数和降低0 1 0 能级上的粒子数。应该给予电子合适的能量 ( 2 ) 串级跃迁激发 电子碰撞可以把c 0 2 分子激发到0 0 v ，( 址 l ，如0 0 2 , 0 0 3 , 0 0 4 上，由于这些 能级都属于反对称振动能级，它们之间的能级差相等。处于此能级上的分子很 容易失去一部分能量，而本身转移到低一能级( o o v 3 , 1 ) a - 去，失去的能量转移给 与其碰撞的基态c 0 2 分子，并使之跃迁到0 0 0 1 能级。 此过程激发速率很高，反应式是： c 0 2 ( o o u o ) + 口- 9c 0 2 ( 0 0 0 v 3 ) + e c 0 2 。( 0 0 0 v 3 ) + 2 ( 0 0 0 0 ) 一c 0 2 + ( 0 0 0 v 3 一1 ) + c 0 2 删1 ) ( 3 ) 共振能量转移 c 0 2 各能级的自然寿命很长，这种情况下不利于激光振荡的产生，因此在 c o ：激光工作物质中加入h e 气体，使得不同能级的衰变取决于碰撞，能级的寿 命相应可表示为： 1 t = 一 z ( a j p i ) 其中，q 是气体气压，d 是气体的特征常数，例如，在上能级0 0 0 1 上的c 0 2 分子 与其他分子( 如c 0 2 ，h e ，n 2 c o 等) 碰撞而发生的u v 过程，它将衰变到1 1 1 0 和0 3 0 能级上，接着就产生振动能量与分子热运动能量交换( v - t 过程) 而回到 基态，实际情况是，0 11 0 能级使分子到基态能级的衰变变慢，表现为瓶颈现象。由 于h e 的皿很大，h e 的存在将对0 1 1 0 能级寿命产生很大的影响h e 与0 1 1 0 能级 上的c 0 2 分子碰撞的结果使o l o o 能级寿命达2 i o - 5 秒，可见h e 的存在有助于 c 0 2 下能级的抽空。 四川大学硕士学位论文第二章可调谐振荡放大型t e a c 0 2 激光器基本原理 如果混合气掺有n ：，那么它们被电子碰撞激发到各激发态，这些激发态的 分子可把能量转移给基态c 0 2 ，使c 0 2 跃迁到0 0 0 1 能级。n 2 分子振动能级的激 发态n 2 * ( v = 1 2 3 ) ( v 表示n 2 的振动能级) ，与c 0 2 振动能级的激发态 c 0 2 * ( 0 0 v 3 ) 的能级差很小，很容易通过共振转移 n 2 * ( v = 1 2 ) + c 0 2 ( 0 0 u 0 ) 呻n 2 ( v 卸) + c o z * ( 0 0v ，v 产l ，2 ，3 “) 使c 0 2 分子得到激发后c 0 2 t ( 0 0 v ，= l ，2 ，3 ) 再通过窜级跃迁到激光上能级 c 0 2 4 ( 0 0 1 ) 。 其中n 2 。( v = 1 ) 与c 0 2 + ( 0 0 0 1 ) 之间的共振转移最重要，因为电子碰撞激发 n 2 t ( v = 1 ) 的速率高，且n 2 + ( v = 1 ) 与c 0 2 ( 0 0 0 1 ) 之间的能量差最小，仅1 8 c m - 1 ，能 量转移极快的。n 2 + ( v = 1 ) 与c 0 2 之间发生能量共振转移的过程，不仅能使在 低气压连续工作的c o ：激光器加速粒子数反转密度，提高输出功率，在高气压 脉冲c 0 2 激光器中也起着重要作用，在高气压的时候，c c h 分子和n 2 分子之间 碰撞交换能量的速率很快。只是在时间短于微秒的一些过程中，这种能量交换 过程才不那么重要。因此，c 0 2 激光器中，一般都充有n 2 气。 被激发至4 激光上能级( 0 0 0 1 ) 的c 0 2 分子，除了受到辐射引起衰减，还受 到其它分子的碰撞引起衰减，后者引起的衰减称为消激发。消激发是不利的， 应设法克服或减弱。 在c 0 2 激光器中，引起消激发的原因是碰撞和扩散，有c 0 2 分子之间以 及c 0 2 和n 2 和h 2 等气体分子之间发生碰撞时，会因能量转移使c 0 2 分子由0 0 0 1 振动能量级驰豫到其它能级，引起0 0 0 1 态分子的消激发。驰豫时间越短，消激 发速度越大，粒子数减少就越快。不同气体和不同温度消激发速率不一样。实 验证明c 0 2 激光器中要合理地控制充气体的成分和气压比，消激发才会得到消 除或减少。 ( 4 ) 复合过程 放电过程中，有部分c 0 2 分子会分解成c o 和o ，同时也存在c o 和o 的复合过程，在复合时，能把原来分解时所需的能量释放出来，使c 0 2 分子激 发到o o o l 能级。这个过程比前面的过程所起的作用要小的多。 ( 5 ) 驰豫过程 璺型查兰堡主兰堡垒墨 苎三兰型塑堕塑塑整奎型! ：! 竺生塑堂墅茎查堕里 由于1 0 0 0 和0 2 0 0 能级的辐射寿命很长，激光的产生使粒子从上能级跃迁到 这两个能级上的c 0 2 分子，不能靠自发射很快回到基态，而是靠碰撞回到基态， 其驰豫过程分两步： 第一步是m o o 和0 2 。0 能级的c 0 2 分子与基态c 0 2 分子碰撞，二者都会驰 豫到0 1 1 0 振动能级，即： c 0 2 ( 1 0 1 0 ) + c o z ( ( 3 0 。0 ) - ) 2c o z ( 0 1 0 ) + 5 2 c m - 1 c 0 2 ( 0 2 0 0 ) + c 0 2 ( 0 0 0 0 ) _ 2c 0 2 ( 0 1 1 0 ) + 5 0 c m 。1 这一步进行的速度很快，其它气体与c 0 2 分子碰撞也能使c 0 2 ( 1 0 q o ) 驰豫到c 0 2 ( 0 1 1 0 ) 。 第二步是驰豫到0 1 1 0 振动能级的c o z 分子，与基态c 0 2 分子及其它气体分 子( n 2 h e ，c 0 2 ) 的碰撞驰豫到基态。 即：c 0 2 ( 0 1 1 0 ) + c 0 2 ( 0 0 0 0 ) - 2 c o , ( 0 0 1 0 ) + 6 6 7 e m 4 或： c 0 2 ( 0 1 l o ) 十m - 2c 0 2 ( 0 0 1 0 ) + 5 2 c m 。 其中m 代表其它分子这一过程驰豫速率常数k 2 列入附表2 中，从表中可 看出当c 0 2 激光器中不加其它气体，只靠c 0 2 分子之间的碰撞时，i o o o 驰豫到 0 1 1 0 的速率比从0 1 1 0 到0 0 的速率离的多。 表2c 0 2 分予弛豫速率 气体( 托_ 。秒一1 )气体( 托。秒1 】 c 仉 1 9 4 c 0 一n 2 6 5 x 1 0 2 c o l h 2 6 j x l o * o 良一甄e3 2 7 x ! 护 c 0 2 - c 0 2 5 x 1 0 4 因此，0 1 1 0 能级上的粒子将被“堆积”起来。由于第一步过程是可逆的， 这又会使1 0 0 0 和0 2 。0 能级上的粒子数增加，造成反转粒子数下降，这就是“瓶 颈”效应。瓶颈效应是不利的，严重时激光停止振荡。为此，需要采取措施克 服它，最常见的方法是加辅助气体，加辅助气体后0 11 0 的驰豫速率大大增加， 其中水蒸气，h 2 和c o 影响最大，但它们对o o o l 能级的消激发也大，故应限制 璺型查兰堡主兰堕望茎蔓三里里塑堕塑堕垫奎型里! 塑! 塑塑堡茎查垦堡 量，h e 对0 1 1 0 的影响不及h 2 和h 2 0 大。但它对0 0