第三章氩离子激光器.ppt

2020/5/1,激光器件原理与设计,1,第三章氩离子激光器,引言：氩离子（Ar+）激光器是惰性气体离子激光器，利用气体放电使Ar原子电离并激发。输出可见连续激光，最大功率达到500W。典型谱线：514.5nm(绿光),488nm(蓝光)特点：1.是可见激光范围输出连续功率最高器件。2.转换效率较低，最高只有0.6%,一般只有10-4量级。(原因：氩离子跃迁能级很高。)3.稳定性好，频率稳定度可达310-11。用途：广泛应用于喇曼光谱、超快技术、泵浦染料激光器、全息、非线性光学等光学研究前沿。,2020/5/1,激光器件原理与设计,2,第三章氩离子激光器,1.3.1Ar+激光器工作原理一Ar+能级结构1.中性Ar原子原子序18，基态时电子组态为1s22s22p63s23p6。2.放电激励条件下，快速电子与中性Ar原子碰撞，形成基态氩离子Ar+（3p5）；3.基态氩离子Ar+（3p5）再与电子发生非弹性碰撞，可将3p5中一个电子激发到高能态3p43d、3p44s、3p44p、3p44d、3p45s形成氩离子激发态。,2020/5/1,激光器件原理与设计,3,第三章氩离子激光器,氩离子能级跃迁图,Ar+辐射跃迁发生在3p44p3p44s和3p44s3p5之间，3p44p与3p5是禁戒的，激光谱线主要在3p44p3p44s之间产生，以514.5nm（绿光）488nm（蓝光）最强。由于激光下能级寿命(1.76109s)比上能级寿命(8.72109s)短，使粒子数实现反转分布和连续输出激光成为可能。,2020/5/1,激光器件原理与设计,4,第三章氩离子激光器,二、Ar+的激发机理：电子碰撞激发。激发过程有三种形式。1.一步激发：直接将Ar原子激发到激发态。,3p63p44pAr(3p6)+Ar+(3p44p)+e+e由图可知，激光上能级的能量为35.5eV，说明这种激发过程对电子的能量要求很高(大于36eV)。要产生这样高能量的电子只有在低气压脉冲放电中才能实现。这过程用于低气压短脉冲工作的氩离子激光器中。,2020/5/1,激光器件原理与设计,5,第三章氩离子激光器,2.二步激发：Ar原子经过两次激发而到达激光上能级。主要用于高气压、大电流的器件，以连续方式为主。Ar(3p6)Ar+(3p5)Ar+(3p44p),Ar(3p6)+Ar+(3p5)+e+eAr+(3p5)+Ar+(3p44p)+e由图可看出，二步激发对电子能量要求比上一过程低得多，只需16eV20eV，这是氩离子激光器的主要激发过程。,2020/5/1,激光器件原理与设计,6,第三章氩离子激光器,3.级联（串级）激发:该过程是Ar原子先被激发到3p45s、3p43d、3p44d等高能态上，然后通过辐射跃迁在激光上能级3p44p上积累，实现激发。Ar(3p6)Ar+(3p5)Ar+(3p45s)或3p43d、3p44dAr+(3p44p),2020/5/1,激光器件原理与设计,7,第三章氩离子激光器,Ar(3p6)+Ar+(3p5)+e+eAr+(3p5)+Ar+(3p45s)+eAr+(3p45s)Ar+(3p44p)+hv,2020/5/1,激光器件原理与设计,8,第三章氩离子激光器,这种激发过程并不要求“一步激发”那样高的电子能量，可以通过Ar+基态或其它中间能级达到高能级的激发。这种激发在Ar+激光器中对上能级的积累贡献较大，可占总积累数的30-40。氩离子下能级3p44s的激发过程也是这三种，且激发概率相近。,2020/5/1,激光器件原理与设计,9,第三章氩离子激光器,形成粒子数反转条件：电子温度3104K时，4p能级的激发截面比4s大，只有在这种放电条件下，才有可能在4p和4s能级间实现粒子数反转。,2020/5/1,激光器件原理与设计,10,第三章氩离子激光器,激光下能级4S粒子消激发主要通过辐射跃迁（72nm）先到达Ar+基态(3p5)，Ar+基态在管壁与电子复合或与空间电子复合，跃迁回氩原子基态，以管壁复合为主。,2020/5/1,激光器件原理与设计,11,第三章氩离子激光器,三、工作特性与结构特点由工作物质的能级特点和激发机理来决定氩离子激光器的工作能级是离子激发态，为了实现激发，要求管内电子有很高的能量。根据正柱区的特性，气压越高，放电功率密度越大，热不稳定性增长所需要时间越短，氩离子激光器只能在较低气压低于(1.06102Pa)下工作。,2020/5/1,激光器件原理与设计,12,第三章氩离子激光器,三、工作特性与结构特点管内气压低，单位体积中Ar原子数目减少。为增加管内电离和激发过程，以保证足够激光上能级粒子，需要提高管内的电子密度，Ar+激光器采用弧光放电激励，管内的电流密度可高达100A/cm2l000A/cm2。,2020/5/1,激光器件原理与设计,13,第三章氩离子激光器,三、工作特性与结构特点因Ar+激光下能级的弛豫依靠3p5(离子基态)粒子的管壁复合，所以它的放电管的管径一般较细约24mm。,2020/5/1,激光器件原理与设计,14,第三章氩离子激光器,三、工作特性与结构特点总结：电子必须有较高能量。工作气压较低（1.06102pa）。弧光放电激励，电流密度高（100A/cm21000A/cm2）。放电管径细（24mm）,2020/5/1,激光器件原理与设计,15,第三章氩离子激光器,1.3.2Ar+激光器的工作特性一、等离子体的参数：等离子体是激光器中光放大的关键，它与器件的结构、放电方式和放电参数有着密切的关系。1.离子温度Ar+激光器是大电流弧光放电器件。管内等离子体的密度大、温度高，离子的温度比辉光放电中的离子温度高12个数量级。,2020/5/1,激光器件原理与设计,16,第三章氩离子激光器,对于小管径Ar+激光器，离子温度常用下面经验公式来估算：Ti/300=1+1.8x10-2JD1/2式中，Ti为离子的温度(K)；J为放电管内的电流密度(A/cm2)；D为放电管管径(mm)。由上式可以看到，离子的温度与气压关系不大。,2020/5/1,激光器件原理与设计,17,第三章氩离子激光器,而对管径较大的Ar+激光器，离子温度则随气压的增大而下降。原因：在管径较小时、离子主要与管壁碰撞，与气压无关；而管径较大时，离子不仅与管壁碰撞，还与空间气体碰撞，随气压增大，离子与气体发生碰撞机会增多，能量损失增加，故离子温度下降。,2020/5/1,激光器件原理与设计,18,第三章氩离子激光器,2.离子平均自由程：离子的平均自由程可由经验公式给出：式中，p为管内气压(Pa)；Ti为离子温度(K)。以某典型Ar+激光器离子的平均自由程为6.85mm(管径2mm)。,2020/5/1,激光器件原理与设计,19,第三章氩离子激光器,结果说明：在Ar+激光器中，离子的平均自由程与放电管管径是同数量级，管内离子在平均自由程内主要与管壁碰撞，结果会导致放电管管壁在工作中遇到破坏与腐蚀。在设计、制作激光器时要对放电管材料进行严格的选择，以承受苛刻的工作条件。,2020/5/1,激光器件原理与设计,20,第三章氩离子激光器,3.电子温度电子温度变化与放电管管径和气压有关，是它们乘积的函数。pD值较小时，电子温度较高，随pD值增大，电子温度下降，之后趋于平直；电子温度随放电电流密度的增大而升高。对常规Ar+激光器管内电子温度一般为3000K。,2020/5/1,激光器件原理与设计,21,第三章氩离子激光器,二、抽运效应直流激励器件在放电过程中出现阳极和阴极之间气压分布不均匀的现象称之为气体抽运效应。阳极与阴极间存在气压差P。在Ar+激光器中，气体抽运效应引起的压差P较大，对器件正常工作有严重影响。,2020/5/1,激光器件原理与设计,22,第三章氩离子激光器,由图可见在放电电流较低时，P随电流增大而增大，直至最大值(气压高的器件，则趋于饱和)；放电电流继续增大，气压低器件的P很快下降，甚至可为负值(即阴极处气压较阳极处气压高)；在相同放电电流情况下，气压不同的器件P不同。,2020/5/1,激光器件原理与设计,23,第三章氩离子激光器,原因：放电电流小，由阴极向阳极运动的电子碰撞Ar原子，使Ar原子获得动能向阳极运动，造成阳极气压增高，这现象称为气体碰撞泵浦效应。随着放电电流增加，Ar原子电离程度增大，Ar+在电场作用下向阴极迁移量增多，在阴极端与电子复合成为Ar原子，使阴极端气压增高，这种在电场作用下离子向阴极运动的现象常称为电泳现象(或电泳泵浦效应)。,2020/5/1,激光器件原理与设计,24,第三章氩离子激光器,当电流增到某一值，这两种作用对气压的影响相等时，P0。如果再继续增大电流，电泳泵浦增强，会使阴极端气压高于阳极端，P为负值。解决办法：,在激光器内附加回气装置，利用静态扩散平衡管气压。,2020/5/1,激光器件原理与设计,25,第三章氩离子激光器,三、阈值电流强度是离子激光器中为输出某波长的激光所需提供的最小的电流强度，即当电流强度达到或超过此值，激光器中该波长的光才能实现振荡。取决于充气压、放电管径、外加磁场、谐振腔损耗等激光器的工作条件。,2020/5/1,激光器件原理与设计,26,第三章氩离子激光器,最佳阈值电流表示为：式中，Ith为阈值电流强度；D为放电管管径；l为放电管长度；为谐振腔损耗；C是与气压、磁场等因素有关的系数。,2020/5/1,激光器件原理与设计,27,第三章氩离子激光器,下表中列出Ar+激光器主要波长的阈值电流强度。,2020/5/1,激光器件原理与设计,28,第三章氩离子激光器,1.3.3Ar+激光器输出特性一、输出功率1.放电电流,起始段，输出功率随放电电流四次方关系增大。随电流密度增高，输出功率随放电电流平方关系增大。最终达最大值，之后下降。,2020/5/1,激光器件原理与设计,29,第三章氩离子激光器,原因：由上能级激发态离子的密度与电流关系：得出粒子反转数或激光增益G是与电流密度的平方成正比,2020/5/1,激光器件原理与设计,30,第三章氩离子激光器,1）若放电电流较低，低气压的Ar+激光器其谱线属于非均匀增宽，由输出功率公式可以得出输出功率与电流密度的四次方成正比的关系。,2020/5/1,激光器件原理与设计,31,第三章氩离子激光器,2)随着电流密度增大时，放电管内的气体温度升高，气压增大，谱线线型变为均匀增宽，此时输出功率随增益增长的速度减慢(PwG)，以与电流密度的平方成正比的关系增大到最大值。,2020/5/1,激光器件原理与设计,32,第三章氩离子激光器,3)如果电流再增大，输出功率就出现下降的趋势，原因是过大的电流在较细的放电管内通过，导致管壁温度的增高，同时离子对管壁的轰击也加剧，管壁材料放气和腐蚀脱落污染工作气体，使气体纯度下降，功率下降。结论：电流密度受管壁材料影响很大，管壁材料的承受能力限制了输出功率提高。,2020/5/1,激光器件原理与设计,33,第三章氩离子激光器,在放电管D3.2mm时石墨管电流密度可达520A/cm2放电电流最大值为40A。氧化铍管电流密度可达850A/cm2放电电流最大值为65A。解决放电管的材料的腐蚀问题，能使Ar+激光器的功率以及效率提到一个新的水平。,第三章氩离子激光器,2.充气气压：充气气压主要是决定管内气体的密度，提高气压会增加参与粒子数反转的离子数，有利于输出功率的提高。,增加气压：一方面增加粒子数反转，提高输出功率；另一方面导致管壁复合减少、电子温度降低，从而减少粒子数反转离子数，降低输出功率。存在最佳气压值，最佳气压还随管内电流增大略有增大。,最佳气压值PoptD=1.061021.6102Pamm,2020/5/1,激光器件原理与设计,35,第三章氩离子激光器,3.磁场Ar+激光器多采用一个轴向磁场来提高功率、效率和延长器件使用寿命。在电场和磁场共同作用下，管内电子做螺旋运动，电弧集中在轴中心，使得：a.中心区域电流密度增高，从而提高功率；b.离子体收缩，管内阻减小，管压降降低，从而提高效率.,2020/5/1,激光器件原理与设计,36,第三章氩离子激光器,c.减少带电对管壁轰击,从而提高放电管寿命。d.但磁场会使谱线增宽(塞曼效应)，增益下降,输出功率减小，还造成中心轴处带电粒子密度增大，管内轴向电场减小，电子温度下降，输出功率下降。因此存在最佳值。,2020/5/1,激光器件原理与设计,37,第三章氩离子激光器,实验表明最佳磁场与放电电流的关系不大，主要取决于充气气压和放电管管径。在管径一定时，最佳磁场随气压增加而减小，在最佳充气压强一定时，管径愈粗，磁场强度愈小。,2020/5/1,激光器件原理与设计,38,第三章氩离子激光器,4.提高输出功率的措施(1)增大放电管的直径：在大直径和最佳工作条件下，上能级激发速率将增加到34倍，功率比小直径激光器要高30一40倍。原因：工作体积增加；大、小直径管子中Ar+的放电规律不相同：小直径时，气体放电特性由电子与原子的碰撞决定；大直径时，放电特性主要取决于电子对离子的碰撞。,2020/5/1,激光器件原理与设计,39,第三章氩离子激光器,2020/5/1,激光器件原理与设计,40,第三章氩离子激光器,(2)增加pR乘积：连续波输出功率正比于(pR)2，最大效率与pR成正比。所以采用大直径放电管和高气压是有利于功率提高。最佳条件：pR6.65102Pamm(3)采用新型阴极：采用难熔金属(钽、钨或钨合金等)制成空心阴极，发射较大比例的高能电子，可增加气体离化率，在相同发射面积条件下，它能提供两倍于热阴极的电流。,2020/5/1,激光器件原理与设计,41,第三章氩离子激光器,二、输出谱线Ar+激光器是一种发射多谱线的激光器。其中488nm和514.5nm这两谱线强度大，约占总输出功率的3040以上。,2020/5/1,激光器件原理与设计,42,第三章氩离子激光器,获得单一波长输出方法：可用阈值电流控制；还可以在腔内或腔外用一个或几个棱镜分光；利用特制的介质膜的不同反射特性抑制其他谱线实现一条谱线的最佳振荡。,2020/5/1,激光器件原理与设计,43,第三章氩离子激光器,Ar+激光器也可以输出351.1nm和363.8nm紫外谱线，它们是Ar二次离化的离子Ar+受激辐射的谱线，在电流密度很大时可以观察到。,2020/5/1,激光器件原理与设计,44,第三章氩离子激光器,1.3.4Ar+激光器的结构与设计一、Ar+激光器的结构由放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场以及冷却系统等几部分组成,2020/5/1,激光器件原理与设计,45,第三章氩离子激光器,1.放电管工作条件放电管内要通过电流密度为1000Acm2的大电流；大量离子轰击的腐蚀作用，同时还要耗散120wcm的热量。关键选择好放电管材料。要求耐高温、导热性能好、耐离子轰击、气密性好、机械强度高。实际用材料石英玻璃、石墨、氧化铍陶瓷、钨。实用型产品的最高功率石英是2w，石墨18w，BeO20w，钨25W。,2020/5/1,激光器件原理与设计,46,第三章氩离子激光器,2020/5/1,激光器件原理与设计,47,第三章氩离子激光器,2020/5/1,激光器件原理与设计,48,第三章氩离子激光器,2020/5/1,激光器件原理与设计,49,第三章氩离子激光器,2.电极阴极要求：高发射电子的能力，能耐离子轰击和抗杂质气体的侵蚀。难熔金属(钽、钨、钡等)制成圆筒阴极阳极要求：熔点高、导热性能好、溅射小、电子逸出功率大的材料来制作。常用的材料有石墨、铂和钽等。电极形状都是圆筒状并按轴对称位置放置。,2020/5/1,激光器件原理与设计,50,第三章氩离子激光器,3.回气管克服气体抽运效应以保证管内气压的均匀分布。石墨放电管激光器采用内回气管，就是在石墨片上开许多小孔(小孔直径小于中间放电管管径)。装配时，注意将相邻两石墨片的孔位错开，达到既使阴极与阳极间气体能静态扩散，又不致使小孔内气体击穿放电。这种结构既紧凑，回气效果又好，而且机械强度大。,2020/5/1,激光器件原理与设计,51,第三章氩离子激光器,3.回气管用BeO整体材料制作的器件，其回气管通常采用一根管子在外部将阳极和阴极连接。为防止回气管内放电，回气管制成弯曲状(或螺旋状)，使其长度比放电管长1.52倍，在强度上此结构要比前者差些。,2020/5/1,激光器件原理与设计,52,第三章氩离子激光器,4.谐振腔稳腔，高功率多为外腔式，腔内留有一定的空间以插入需用的附件。放电管两端用石英晶体作布儒斯持窗片，产生线偏光（S分量）；对一些低功率器件则设计成腔镜和放电管连成一体的内腔结构。全反镜的反射率要求达到99.8。输出镜的透射率：小管为34大管为1012。镜膜全采用多层介质膜。,2020/5/1,激光器件原理与设计,53,第三章氩离子激光器,5.磁场采用电磁场，轴向磁感应强度一般在0.010.1T，采用分层绕制线圈，层间加绝缘材料，将它包在放电管外面。为了防止过热使绝缘损坏，整个线圈采用水冷或油冷。,2020/5/1,激光器件原理与设计,54,第三章氩离子激光器,6.冷却系统将90输入功率热量带走，有风冷和水冷。水冷：在放电管外层加冷却水套。风冷：在氧化铍管外加铝制散热片，这种冷却形式只适于功率较小的器件。对2500mw的器件要求113m3/min的空气流速。采用风冷的器件要注意控制排气的温度一定要低于80。,2020/5/1,激光器件原理与设计,55,第三章氩离子激光器,三、Ar+激光器的设计计算Ar+激光器的精确计算是十分复杂和困难的，用经验公式对输出488nm谱线的风冷氧化铍Ar+激光器(图1.3.8)作粗略估算。1.确定放电管管径D取谐振腔腔长L330mm因Ar+激光器增益较小,谐振腔一般选用平凹腔,凹面镜的曲率半径由下式确定R=1.8L600mm,2020/5/1,激光器件原理与设计,56,第三章氩离子激光器,要获得TEM00的放电管管径，通常