CO2激光器详解.ppt

2020 3 24 1 CO2激光器 分子气体激光器利用分子的振动一转动能级之间的跃迁 第一类分子激光器是振动一转动激光器 它利用同一电子态 基态 的不同振动态的转动能级之间的跃迁 振荡波长在中红外或远红外波段 5 300 m 第二类分子激光器是电子 振动激光器 CO2激光器是振动 转动分子激光器的代表 它的工作气体是CO2 N2和He的混合物 原子里的电子保留在基态 激光跃迁发生在CO2的不同振动态的两个转动能级之间 CO2激光器效率高 输出能量大 功率高 2020 3 24 2 2020 3 24 3 2020 3 24 4 可能的跃迁 根据波函数对称性的要求 在电子基态上的振动和转动波函数应具有相同的对称性 对称振动的波函数是对称的 弯曲振动和反对称振动的波函数是反对称的 J为偶数的转动态的波函数是对称的 J为奇数的转动态的波函数是反对称的 因此 在0001能级上 J为偶数的转动能级是空的 在1000能级上 J为奇数的转动能级是空的 对CO2分子讲 在每一个振动能级上 不是所有J值的转动能级都存在 在CO2分子中 Q支是禁戒的 只有P支和R支是非禁戒的 P 20 指的是从上能级J 19到下能级J 20的跃迁 R 20 指的是从上能级J 21到下能级J 20的跃迁 2020 3 24 5 激发过程激光跃迁可发生在0001 1000 10 6 m 和0001 0200 9 6 m 两个过程中 但输出激光主要发生在0001 1000过程中 泵浦主要通过下面两个过程 电子碰撞激发 这个过程表示为 与这类过程相对应的电子碰撞截面非常大 当电子能量为0 3eV时 峰值截面为5 10 10cm2 受到电子碰撞后被激发到高振动激发态的CO2分子中的很大一部分将通过振动模与振动模之间的能量交换 V V迟豫 从激发态沿着能量阶梯跃落下来 很容易被长寿命的0001能级收集 2020 3 24 6 N2分子的共振能量转移 电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大 这些被激发的很大一部分分子将被 1的能级所收集 N2的 1能级与CO2的0001能级仅相差18cm 1 2 5 10 3eV 因此 N2与CO2的基态分子发生碰撞时 N2将激发能量转移给CO2分子 使之激发到0001能级 这个过程可表示为 N2 1 CO2 0001 N2 0 CO2 0001 2 5 10 3eV因此 通过N2分子的近共振能量转移来泵浦0001能级是很有效的过程 N2是CO2激光器中的能量转移气体 当E N 2 6 10 16Vcm2时 输入电功率的大部分被用于激发0001能级 所以说CO2激光器的效率是相当高的 2020 3 24 7 激光上下能级的寿命和下能级的排空CO2各能级的自然寿命都很长 0001能级的 s 2 10 3秒 1000能级的 s 1 1秒 这是因为 0001 0000是允许的光学跃迁 而1000 0000是禁戒的 这种情况对产生激光振荡十分不利 在CO2激光器中有多种气体成分存在 使不同能级的衰变主要取决于碰撞 CO2分子的0110能级能否被尽快排空 实际情况是 0110能级使分子到基能级的衰变变慢 它的作用表现为一种瓶颈现象 He的存在将对0110能级的寿命产生很大影响 He与0110能级上的CO2分子碰撞的结果使0110能级的寿命达到 2 10 5秒 He的存在不仅有助于抽空CO2分子的激光下能级 满足实现激光连续振荡的条件 而且有助于让放电区的剩余热量传走 2020 3 24 8 转动能级竞争不同的振动能级之间的热平衡速率较小 约为103秒 1 而在同一振动态上的不同转动能级之间的热平衡速率很大 约为107秒 1 于是 处在同一振动态的所有转动能级上的全部粒子都对具有最高增益的那个转动能级的激光跃迁有贡献 CO2分子可以看作是一个 哑铃 形的刚性转子 转动量子数为J的转动能级上的平衡粒子数为 在CO2分子的0001能级中 J 21的转动能级上的粒子数最多 2020 3 24 9 CO2激光器的结构CO2激光器的种类多 应用广泛 从激光器的结构来看 CO2激光器可分为 1 纵向封离型激光器 2 纵向流动激光器 3 横向流动激光器 4 横向激励高气压激光器 TEA 5 射频激励激光器 6 波导CO2激光器 7 气动激光器 2020 3 24 10 图10 a 纵向封离型激光器 2020 3 24 11 因此 通常是0001 1000跃迁中的P 22 支起振 在J 2l的转动能级上的粒子数被迅速消耗 于是 其它转动能级上的CO2分子将迅速跃迁到这一转动能级上来 就是说 P 22 支振荡将吃掉其它转动能级上的粒子数 这就是转动竞争效应 CO2激光器输出光谱CO2的振转能级非常密集 使CO2激光器输出的波长十分丰富 0001 1000跃迁的波长范围是10 06 m 11 02 m 其中 P支从P4 56共有27条谱线 最强的是P18 P20 P22 和P24 R支从R4 R54共有26条谱线 最强的是R18 R20 R22和R24 0001 0200跃迁 在9 13 m到9 95 m波长范围内 有40多条谱线 2020 3 24 12 图10 b 纵向流动激光器 2020 3 24 13 图10 c 横向流动激光器 2020 3 24 14 图10 d 横向激励高气压激光器 TEA 2020 3 24 15 图10 e 波导CO2激光器 2020 3 24 16 图10 f 射频激励激光器 2020 3 24 17 4 准分子光器 准分子 Excimer 是束缚在电子激发态的分子 是一种处于激发态的复合分子 无稳定的基态 很快自动地离解成原子或其它分子团 从它产生到消失的时间只有几十毫微秒 准分子分两类 一类是同核二聚物 Dimer 如 等 另一类是异核型准分子 Exciplex 如惰性气体的氧化物和卤化物 等 以及金属卤化物等 Anexcimerlaserisaspecifictypeofmoleculargaslaserthatproduceshighintensitylightintheultraviolet UV rangeoftheelectromagneticspectrum TheUVlightsourceisaLumonicsPM 848kexcimerlaser whichcanbeconfiguredtooperatewitheitheraKrF krypton fluoride gasmixtureat248nmoranArF argon fluoride gasmixtureat193nm Theexcimerlaserbeamwillbeusedformicrofabricationinawiderangeofabsorbingmaterials Anyfeaturedowntoasizeof2mmcanbeetchedintoasurfaceinafractionoftheprocessingtimeofstandardphotolithography Therangeofapplicationswillcoveraccurateandrapidscribing drillingholesthroughthesubstrate andcreatingcomplicatedpatternsanddevicesoutsiliconandplasticsalike 2020 3 24 20 2020 3 24 21 准分子激光器的特点准分子寿命很短 只有10 8秒 激光跃迁的下能级是排斥态或寿命非常短 只有10 13秒 的弱束缚态 这就是说激光下能级总是空的 与其它分子激光器属于束缚 束缚辐射跃迁的情形不同 准分子激光器属于束缚 自由辐射跃迁 由于不存在明确的振动 转动跃迁 所以跃迁是宽带的 这就导致准分子激光器具有很高的阈值泵浦功率 当然 宽带辐射容易实现可调谐激光发射 2020 3 24 22 能级结构 图11XeF 势能曲线 图11是XeF 准分子的势能曲线 基态X2 1 2是一个弱束缚态 激发态B2 1 2 C2 3 2和D2 1 2是强束缚态 激光跃迁发生在B2 1 2X2 1 2 共有10条谱线 强线是353 1nm 准分子激光器的工作原理 2020 3 24 23 激发方式准分子激光器的激发方式有快速放电激发 电子束激发 电子束控