【激光原理课件】5.2气体激光器-GFB(2014)(1)

1 5 2气体激光器 5 2 1氦 氖 He Ne 激光器 一 He Ne激光器的结构 He Ne激光器的结构形式很多 但都是由激光管和激光电源组成 激光管由放电管 电极和光学谐振腔组成 2 图 5 9 He Ne激光器的基本结构形式 贮气室与毛细管相连 这里不发生气体放电 它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He Ne气体比例及总气压发生的变化 延长器件的寿命 放电管一般是用GG17玻璃制成 输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作 放电管是氦氖激光器的心脏 它是产生激光的地方 放电管通常由毛细管和贮气室构成 放电管中充入一定比例的氦 He 氖 Ne 气体 当电极加上高电压后 毛细管中的气体开始放电使氖原子受激 产生粒子数反转 3 He Ne激光管的阳极一般用钨棒制成 阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成 为了增加电子发射面积和减小阴极溅射 一般都把阴极做成圆筒状 然后用钨棒引到管外 He Ne激光器由于增益低 谐振腔一般用平凹腔 平面镜为输出端 透过率约1 2 凹面镜为全反射镜 He Ne激光管的结构形式是多种多样的 按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式 外腔式和半内腔式 图 5 9 He Ne激光器的基本结构形式 4 内腔式如图中 a 所示 将谐振腔的两反射镜调整好后 用胶固定在放电管的两端 其优点是使用时不必进行调整 非常方便 阴极与毛细管同轴放置 其结构紧凑 不易碎裂 安装方便 缺点是在工作过程中放电管受热变形时 谐振腔反射镜会偏离相互平行位置 造成器件损耗增加 输出下降 激光管越长 其热稳定性越差 所以内腔式激光管的长度一般不超过一米 而且当谐振腔反射镜损坏后 不易更换 反射镜内表面污染后也无法清除 并且由于阴极放在放电管内 阴极溅射物质易污染窗片 使用寿命低 同时由于阴极大量发射电子 阴极区易发热 使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式 5 外腔式如图中 b 所示 优点 这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离 可增加储气量 同时溅射物质不易污染窗片 所以寿命比同轴式长 放电管的热变形对谐振腔影响较小 加之谐振腔可以调整 所以长期使用中能保持稳定输出 放电管的两端贴有布儒斯特窗片 还可使激光得到线偏振的激光输出 缺点 由于反射镜与放电管相分离 相对位置易改变 需要经常调整 使用不方便 体积大 安装使用不方便 易破碎 6 激光器的工作气体是He和Ne 其中产生激光跃迁的是Ne气 He是辅助气体 用以提高Ne原子的泵浦速率 图 5 10 为He和Ne的能级图 He原子有两个电子 没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上 He原子处于基态 当He原子受激时 使其中一个电子从1S激发到2S He原子成为激发态 He原子有两个亚稳态能级 分别记为23S1 21S0 图 5 10 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 二 氦和氖原子的能级图 1S 21S0 23S1 7 图 5 10 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 Ne原子有10个电子 基态1S0 电子分布为1S22S22P6 激发态为1S 2S 3S 2P 3P等 它们对应的外层电子组态分别为 2P53S 2P54S 2P55S 2P53P 2P54P 二 氦和氖原子的能级图 2P53S 2P54S 2P55S 2P53P 2P54P 1S0 8 在He Ne激光器中 实现粒子数反转的主要激发过程如下 第一是共振转移 由能级图可见 He原子的21S0 23S1态分别与Ne原子的3S 2S态靠得很近 二者很容易进行能量转移 并且转移几率很高 可达95 其转移过程如下 共振转移 三 He Ne激光器的激发过程 9 第二是电子直接碰撞激发 在气体放电过程中 基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞 直接被激发到2S和3S态 与共振转移相比 这种过程激发的速率要小得多 第三是串级跃迁 Ne与电子碰撞被激发到更高能态 然后再跃迁到2S和3S态 与前述两过程相比 此过程贡献最小 10 图 5 10 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的 不能自发地回到基态 但它与管壁碰撞时 可把能量交给管壁 自己回到基态 这就是为什么He Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因 从能级图可见 He Ne激光器是典型的四能级系统 根据能量跃迁选择定则 Ne原子可以产生很多条谱线 其中最强的谱线有三条 即0 6328 m 3 39 m和1 15 m 对应跃迁能级分别为3S2 2P4 3S2 3P4和2S2 2P4 2P和3P态 不能直接向基态跃迁 而向1S态跃迁很快 11 四 He Ne激光器的输出特性 谱线竞争 He Ne激光器三条强的激光谱线 3S 2P0 6328 m 2S 2P1 15 m 3S 3P3 39 m哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择 已知 显然 增益系数与波长三次方成正比 12 见图 5 10 0 6328 m和3 39 m两条激光谱线有共同的激光上能级3S 而后者增益系数比较高 增益系数与波长三次方成正比 如果不进行抑制 则3 39 m的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子 抑制3 39 m辐射的办法主要有 图 5 10 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 13 图 5 10 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 选用对3 39 m的光具有低反射率的谐振腔反射镜 使3 39 m达不到阈值条件 如下图所示 在腔内加色散棱镜 将两谱线分开 通过调整谐振腔反射镜的位置 只允许0 6328 m的辐射起振 而使3 39 m的辐射偏离出谐振腔外 14 腔内放置甲烷吸收盒 因为甲烷对3 39 m的光具有强吸收而对0 6328 m的光透明 因此可用甲烷抑制3 39 m振荡 外加非均匀磁场也能抑制3 39 m振荡 根据塞曼效应 磁场可引起谱线分裂 分裂的大小与磁场强度成正比 如果激光管内磁场分布不均匀 则各处谱线分裂程度不同并连成一片 相当于谱线变宽 15 300高斯非均匀磁场中 两谱线加宽均约900MHz 0 6328 m原谱线半宽度约1500MHz 非均匀磁场对它展宽的比例不大 但3 39 m原谱线宽只有300MHz左右 非均匀磁场的加宽比它大几倍 由于增益系数反比于线宽 所以外加非均匀磁场后 3 39 m的增益系数急剧下降 而0 6328 m的增益系数却下降很少 结果提高了0 6328 m的竞争能力 3 39 m则被抑制 外加非均匀磁场的装置如上图所示 沿放电管轴向放置许多小磁铁 相邻的极性相同 这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场 2 15 2 28 16 2 输出功率特性 He Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大 图 5 11 输出功率与放电电流的关系曲线 图 5 11 表示输出功率与放电电流的关系曲线 曲线表明 在气压比为定值时 每个总气压都存在一个输出最大的放电电流 其大小随着总气压的升高而降低 这是因为气压升高 只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度 在最佳充气条件下 使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 17 图 5 11 输出功率与放电电流的关系曲线 He Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强 即存在最佳充气条件 实验发现 氦气与氖气的分压比为7 1时 是最佳分压比 而总压强在100Pa 400Pa 选用He气作辅助气体的原因 Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级 He 与Ne 能级极相近 易发生能量共振转移 18 若放电毛细管的直径为d 充气压强为P 则存在一个使输出功率最大的最佳Pd值 图给出了在不同的毛细管内径d和长度l时 输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线 由图可见 内径d不同 最佳充气压和气压比也不同 气压也增加 计算可得 当取最佳充气条件时 最佳气压Popt与毛细管内径的乘积约为一常数 一般Poptd 480 533Pamm 在最佳放电条件下 工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比 19 五 He Ne激光器的寿命He Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后 它的输出功率会逐渐降低 以致最后没有激光输出 现在一般规定输出功率下降到最高功率的1 e的工作时间为器件的寿命 影响器件寿命的因素大致有以下几方面 1 慢漏气当放电管密封不严密时 空气中的氮 氢等气体分子会渗透到管内 使放电条件改变并加快氦 氖原子激发态的消失速率 无疑 这将影响器件输出功率 出现慢漏气时 激光器的放电颜色将由正常放电时的橙红色变为紫色 紫色是氮分子辉光放电产生的 容易出现慢漏气的地方有 电极与玻璃封接处 谐振腔反射镜或布儒斯特窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔 为防止慢漏气 要提高封接工艺水平并改革现有封接方法 20 2 放电管内元件放气放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体 如果除气不彻底 以后就会慢慢释放出来 同时激光管清洗得不干净时 污物和洗液也会放出大量杂质气体 这些杂质气体会改变原充气的气体成分 影响输出功率 为克服放气 要对放电管及其内部元件进行认真清洁处理和除气 此外 在放电管内可放置吸气剂 例如钡钛 钡铝镍等 它们可吸收大量氮气 二氧化碳 一氧化碳 水蒸气 氧 氢等 但不吸收氦 氖 3 阴极溅射阴极在正离子轰击下会产生阴极溅射 溅射出来的金属材料会吸收工作气体 导致管内工作气压降低 同时溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片 为了减少溅射 要选用不易溅射的金属做电极 并避免表面放电电流密度超过溅射阈值 为防止溅射物吸收造成的工作气压降低 在充气时可略高于最佳总气压 21 4 工作气体的吸附 吸收和渗透放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面 或吸收到金属和玻璃内部 甚至还会透过管壁渗透到大气中去 氖的电离电位比氦低 它比氦更容易被吸附或吸收 氦原子直径比氖小 它渗出管外的能力比氖强 由于这些原因 管内的总气压和氦 氖气压比会慢慢变化 使之偏离最佳工作状态 造成输出功率下降 为防止氦气渗出 要选用渗氦低的材料做放电管 为防止氦气渗出造成气压比降低 充气时充入的气压可高于最佳气压比 还可以采用三层套管 即在放电管外再加一层氦气补偿套管 管内充入的氦气 气压应高于放电管内的气压 5 谐振腔反射镜的污染溅射沉积在反射镜上或放电管内未加清除掉的污物挥发后会沉积到反射镜上 促使其反射率下降 为防止反射镜污染 除认真清洁内部和减少溅射外 设计He Ne激光器时 应注意反射镜到阴极的距离要大于3cm 目前He Ne激光器最长的寿命可达10万小时 22 CO2激光器的主要特点是输出功率大 能量转换效率高 输出波长 10 6 m 广泛用于激光加工 医疗 大气通信及其他军事应用 CO2激光器以CO2 N2和He的混合气体为工作物质 激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动 转动能级之间 N2的作用是提高激光上能级的激励效率 则有助于激光下能级的抽空 5 2 2二氧化碳激光器 一 CO2激光器的结构 图 5 12 封离式CO2激光器结构示意图 图 5 12 是一种典型的结构示意图 构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上 最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端 23 二 CO2激光器的激发过程 CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图 5 13 所示 图 5 13 与产生激光有关的CO2分子能级图 CO2激光器中 通过以下三个过程将CO2分子激发到0001能级 1 直接电子碰撞电子与基态 0000 CO2分子碰撞使其激发到激光上能级 这一过程可表示为CO2 0000 e CO2 0001 e 2 级联跃迁电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级 基态CO2分子与高能级CO2分子碰撞后跃迁到激光上能级 此过程可表示为CO2 0000 CO2 000n CO2 0001 CO2 000n 1 24 图 5 13 与产生激光有关的CO2分子能级图 3 共振转移由于N2分子 V 0 能级和电子碰撞后跃迁到V 1的振动能级 这是一个寿命较长的亚稳态能级 因而可积累较多的N2分子 基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级 这一过程可表示为CO2 0000 N2 V 1 CO2 0001 N2 V 0 由于CO2分子0001能级与N2分子V 1能级十分接近 能量转移十分迅速 此外 N2分子的V 2 4能级与CO2分子0002 0004也十分接近 相互间也能发生共振转移 处于0002 0004的CO2分子与基态CO2分子碰撞可将它激励至0001能级 25 图 5 13 与产生激光有关的CO2分子能级图 在以上三种激发途径中 共振转移的几率最大 作用也最为显著 CO2分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞 一旦实现了 0001 与 1000 0200 之间的粒子数反转 即可通过受激辐射 产生 0001 1000跃迁产生10 6 m波长的激光 0001 0200跃迁产生9 6 m波长的激光 由于以上跃迁具有同一上能级 而且0001 1000跃迁的几率大得多 所以CO2激光器通常只输出10 6 m激光 若要得到9 6 m的激光振荡 则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10 6 m激光振荡 26 三 CO2激光器的输出特性 相应于CO2激光器的输出功率 其放电电流有一个最佳值 CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径 管内总气压 以及气体混合比有关 实验指出 随着管径增大 最佳放电电流也增大 例如 管径为20 30mm时 最佳放电电流为30 50mA管径为50 90mm时 最佳放电电流为120 150mA 1 放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的 但最高也不会超过40 这就是说 将有60 以上的能量转换为气体的热能 使温度升高 而气体温度的升高 将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发 这都会使粒子的反转数减少 并且 气体温度的升高 将使谱线展宽 导致增益系数下降 特别是 气体温度的升高 还将引起CO2分子的分解 降低放电管内的CO2分子浓度 2 温度效应 27 5 2 3Ar 离子激光器 一 Ar 激光器的结构 图 5 14 分段石墨结构Ar 激光器示意图 氩离子 Ar 激光器是一种惰性气体离子激光器 是目前在可见光区域输出功率最高的一种连续工作的激光器 一般输出功率为几瓦或几十瓦 在可见光区域可发射多条振荡谱线 其中以波长514 5nm 绿色 和488nm 蓝色 的最强 28 Ar 激光器激光器由放电管 磁场和谐振腔组成 其中最关键的部分是放电管 氩离子激光器放电管的核心是放电毛细管 由于氩离子激光器的工作电流密度高达数百安 平方厘米 放电毛细管的管壁温度往往在1000 以上 因此需采用耐高温 导热性能好 气体清除速率低的材料制成 如采用石英管 氧化铍陶瓷管 分段石墨管等 图 5 14 分段石墨结构Ar 激光器示意图 1 石墨电极2 石墨片3 石英环4 水冷套5 放电毛细管6 阴极7 保热屏8 加热灯丝9 布氏窗10 磁场11 储气瓶12 电磁真空充气阀13 镇气瓶14 波纹管15 气压检测器 29 高纯质密石墨是目前广泛使用的一种放电毛细管材料 由于石墨是良导体 为维持放电 石墨放电毛细管必须采用分段结构 段与段间彼此绝缘 其中 放电毛细管由分段石墨片组成 石墨片由两根直径约3 5mm的氧化铝陶瓷杆串起来 并用小石英环使其每片隔开 彼此绝缘 1 石墨电极2 石墨片3 石英环4 水冷套5 放电毛细管6 阴极7 保热屏8 加热灯丝9 布氏窗10 磁场11 储气瓶12 电磁真空充气阀13 镇气瓶14 波纹管15 气压检测器 30 整个组合体置于水冷套的石英管内 两端分别为提供电子发射的阴极和收集电子的石墨阳极 阴极选用钡钨材料 此外 氩离子激光管内设有回气管 使放电管气压平衡 有助于激光输出 1 石墨电极2 石墨片3 石英环4 水冷套5 放电毛细管6 阴极7 保热屏8 加热灯丝9 布氏窗10 磁场11 储气瓶12 电磁真空充气阀13 镇气瓶14 波纹管15 气压检测器 31 在石墨管氩离子激光器中 管内的气体清除效应引起管内气压降低 使输出降低 为了延长激光管的使用寿命 在激光管上常常配备有贮气和充气装置 1 石墨电极2 石墨片3 石英环4 水冷套5 放电毛细管6 阴极7 保热屏8 加热灯丝9 布氏窗10 磁场11 储气瓶12 电磁真空充气阀13 镇气瓶14 波纹管15 气压检测器 32 1 石墨电极2 石墨片3 石英环4 水冷套5 放电毛细管6 阴极7 保热屏8 加热灯丝9 布氏窗10 磁场11 储气瓶12 电磁真空充气阀13 镇气瓶14 波纹管15 气压检测器 氩离子激光器的谐振腔由两个镀有多层介质膜的反射镜组成 全反端17层 反射率达99 以上 输出端镀5层 透射率12 514 5nm 14 488nm 为了提高氩离子激光器输出功率和寿命 还需加上几百到一千高斯的轴向磁场 通常由套在放电管外面的螺管线圈产生 33 二 Ar 激光器的激发机理 Ar 激光器与激光辐射有关的能级结构如图 5 15 所示 Ar 激光器的激活粒子是Ar Ar 激光器的激发过程分两步进行 通过气体放电 将氩原子Ar电离 再通过放电激励将Ar 激发到激光上能级 图 5 15 为Ar 离子与激光产生过程有关的能级图 中性Ar原子在放电过程中 与快速电子碰撞后电离 形成处在基态3P5上的Ar 离子 该基态Ar 离子再与高速电子碰撞 被激发到高能态 当激光上下能级间生产粒子数反转时 即可生产激光 34 激光跃迁上能级 3P44P 粒子的积聚主要通过三种途径实现 2 基态Ar 与电子碰撞后跃迁至高于3P44P的其他能级 再通过级联辐射跃迁至3P44P能级 3 基态Ar 和电子碰撞跃迁至低于3P44P的亚稳态能级后再次与电子碰撞并跃迁至3P44P能级 1 基态Ar 与电子碰撞后直接跃迁到3P44P能级 3P44P 35 由于Ar原子的电离能量 15eV 和激光跃迁上能级的激发能量 20eV 较高 正常运转所要求的平均电子动能 电子温度 很高 为了提高电子温度 氩离子激光器中的充气压强一般在150Pa以下 但