第一篇-气体激光器

1、第一篇 气体激光器 第一章 概述 第二章 HeNe气体激光器 第三章 二氧化碳激光器 第四章 氩离子激光器 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 第一章 概述 气体激光器的分类 原子气体激光器 惰性气体 He, Ne, Ar, Kr, Xe 典型激光器： HeNe激光器 波长632.8nm 脉冲 2000j 脉宽300Ps 原子气体 Cl, Br, N, S, C, O, I 35千瓦 可作激光武器 原子蒸气 Cs, Cd, Cu, Mn, Sn, Cd, Cn e.g. 把Cu加热，10001500摄氏度 510.6nm(绿光) 578.2nm(黄光) 激光原理与器件 武汉软件工程

2、职业学院激光教研室 2. 分子气体激光器 气体分子激光器 CO(5.88um, 5.51um) N2(337.1um) CO2(10.6um) HF(2.6-3.5um) 准分子激光器 惰性气体准分子：Ar2(126.1nm) Xe2 (173.6nm) Kr2 (145.7nm) 惰性气体卤化物准分子：XeF (351nm，353nm) ArF (193nm) XeCl (308nm) 惰性气体氧化物准分子：ArO (557.6nm) 金属蒸气卤化物准分子：HgCl (558.4nm) 金属蒸气准分子： Hg2 Mg2 c) 汞化物分子激光器 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室

3、3. 离子气体激光器 a) 惰性气体：Ar(514.5nm绿光) (487.9nm蓝光) Kr (476.2nm蓝光) (520.8nm绿光) b) 金属蒸气离子：HeCd (441.6nm蓝光， 325.0nm紫外) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 气体激光器的优点及今后的发展方向 发射光谱宽 红外 紫外（有近万种谱线） 光束质量好 工作物质均匀， 很窄，相干长度几公里。 大功率的连续输出 万瓦级 （二氧化碳激光器） 量子效率高（30） 固体激光器（23） 半导体激光器（7080） 工作物质比较丰富，结果简单，廉价 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 研究方向：1

4、）开拓新波段 2）大功率大能量 3）小型化研究 提高器件寿命，国外几万小时，国内只有几千小时。 研究新类型气体激光器 气体激光器的激励方式 电激励 热激励 化学能激励 光激励 1.核能激励 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律 1、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子 指气体没有电离时已经存在的粒子（惰性气体粒子、金属 蒸汽粒子、一般分子等）。 （2）带电粒子 中性气体粒子一旦被电离所产生的电子和正离子（这些带 电粒子对放电特性产生影响，其中电子的左右起主导地 位）。 （3）受激粒子和光子 放电中产生的受激中性粒子（A*和AB*）以及可能出现的

5、 受激离子（A+*）按照量子效应，会发射光子，也能吸收 光子实现光激发、光电离和受激辐射，这在激光器中起重 要作用）。 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 2、粒子碰撞基本规律 弹性碰撞：弹性碰撞：相互发生碰撞的粒子间只交换动能，不交换内能。 （在确定气体放电的各种传统系数中起主要作用， 如热传导、电 传导、扩散、漂移等系数）。 非弹性碰撞：非弹性碰撞：相互发生碰撞的粒子间既交换动能也交换内能。 （在确定气体放电的各种电产量和光产量中起主要作用，如电子 温度或者能量、电子密度、各种受激能级的粒子束分布等）。 激发与电离：激发与电离： 当中性气体粒子与其他粒子发生碰撞时，原子中的价电

6、子容易吸收外来 粒子的能级，从其原来的能级跃迁到较高的能级上去，我们称这 个原子被激发，即受激原子受激原子。 如果原子中一个或几个电子因碰撞吸收能量而脱离了原子变成自由电子， 使原子成为带正电荷的离子，这种过程成为电离电离。 气体激光器中，电离电离是维持放电平衡的必要条件， 激发激发是实现粒子束反转的必要条件。 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 气体放电粒子碰撞与激发 谐振能级：指一个原子吸收光子与放出光子的能量相同。 亚稳能级：凡是不能通过辐射光子而自发跃迁到基态或者任何一个较低能级 的这种能级。 第一类非弹性碰撞：电子与粒子碰撞 e*+A-e+A* 粒子激发 e*+A-2e+

7、A+ 粒子电离 e*+A-2e+A+* 离子激发态 第二类非弹性碰撞 1.共振转移：A*(E2)+B(E1)-A(E1)+B*(E2)+E 原子激发能量的共振转移 E=EA(E2)-EB(E1) E越小，共振转移截面愈大，碰撞越易 2. A+B-A+B+ E A+B-A+B+*+ E 3. 潘宁电离 （亚稳原子的激发能大于和它碰撞原子的电离能） A*(E2)+B-A(E1)+B+e+E A*(E2)+B-A(E1)+B*(E2)+e+E 在基本其中中掺入少量杂质气体，而基本气体的亚稳激发电位高于杂质气体的 电离电位时，会产生大量的潘宁电离，结果使气体的有效电离电位明显降低， 所以潘宁电离在气体

8、激光中有实用价值。 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 第二章 HeNe气体激光器 21 HeNe激光器的结构及工作原理 一、HeNe激光器的结构 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 放电管放电管 毛细管毛细管 贮气室贮气室 电极电极 阴极阴极 激光管激光管 阳极阳极 He-Ne激光器的组成激光器的组成 谐振腔谐振腔:一般采用稳定腔一般采用稳定腔 电源电源 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 二、He、Ne原子的能级图 HeNe激光器的工作物质 是Ne原子 He是辅助气体，用以提高 Ne原子的泵浦速率 激光原理

9、与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 Ne原子原子三条最强三条最强的跃迁谱线：的跃迁谱线： 632.8nm 3S22P4 3.39m 3S23P4 1.15m 2S22P4 典型的四能级系统典型的四能级系统 三、HeNe激光器的激发过程 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 共振能量转移激发 He(11S0) + e He* (21S0) + e He(11S0) + e He* (23S1) + e He *(21S0) + Ne(1S0) Ne* (3S2) + He(11S0) +E He *(23S1) + Ne(1S0) Ne* (2S2) + He(11S0) +E 其

10、中 e- 碰撞前快速电子 e-碰撞后慢速电子 电子直接碰撞激发电子直接碰撞激发 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 Ne * (2S2) + e Ne(1S0) + e Ne * (3S2) + e 串级跃迁串级跃迁 e原子与电子碰撞被激发到更高的能态， 而后再跃迁至S和S能态。 四、 Ne 原子激光下能级的弛豫 根据跃迁选择定则根据跃迁选择定则,位于激光下能级位于激光下能级3P4, 2P4及及1S能级的能级的 粒子向基态的跃迁是禁戒的粒子向基态的跃迁是禁戒的.即位于上述能级的粒子不能即位于上述能级的粒子不能 通过辐射过程而返回基态通过辐射过程而返回基态,只能通过扩散至管壁与管壁碰

11、只能通过扩散至管壁与管壁碰 撞交换能量返回基态撞交换能量返回基态.我们称其为我们称其为“管壁效应管壁效应”. He-Ne激光器放电毛细管管径激光器放电毛细管管径d与小信增益与小信增益Gm之间存在经之间存在经 验公式验公式: Gm=310-4/ d (cm-1 ) 思考：上式说明什么问题？ 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 五、 He-Ne激光器的最佳放电条件 放电条件放电条件: 放电电流放电电流(i); 充气总气压充气总气压(p); He,Ne气压比气压比(PHe: Pne) 由激光原理可知由激光原理可知,器件的增益器件的增益G正比于激光上、下能级的反正比于激光上、下能级的反 转

12、粒子数密度差转粒子数密度差n (G n). 以以632.8nm谱线跃迁为例谱线跃迁为例,通过建立与求解速率方程通过建立与求解速率方程 分析分析n与放电条件之关系与放电条件之关系. 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 设设: Ne原子原子 激光上能级激光上能级(3S2)的粒子数密度为的粒子数密度为n3 激光下能级激光下能级(2P4)的粒子数密度为的粒子数密度为n2 基态基态(1S0)能级上的粒子数密度为能级上的粒子数密度为n1 He原子原子 亚稳态能级亚稳态能级(21S0)上的粒子数密度为上的粒子数密度为n4 基态基态(11S0)能级上的粒子数密度为能级上的粒子数密度为n0 气体放电

13、激励时气体放电激励时,电子密度为电子密度为ne 则则n3的速率方程为的速率方程为: 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 3 3 3041 3 n nknnkn dt dn 2.1-1 式中式中: kn1n4为为HeNe共振转移的激发速率共振转移的激发速率,k为转移速率为转移速率 常数常数 kn0n3 为为NeHe共振转移的激发速率共振转移的激发速率 为为n3到其它能级的驰豫速率到其它能级的驰豫速率, 为其驰豫时间为其驰豫时间 稳态后稳态后, 由由(1.1-1)式得式得: 3 3 n 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 0 dt dn3 3 0 41 3 1 kn nkn

14、 n 2.1-2 3 同理同理, He亚稳态能级亚稳态能级(21S0)上粒子数密度上粒子数密度n4的速率方程为的速率方程为: (2.1-3) 式中式中: n0n4S04-电子碰撞激发速率电子碰撞激发速率.S04为激发速率常数为激发速率常数 n4neS4 -电子碰撞消激发速率电子碰撞消激发速率.S4为消激发速率常数为消激发速率常数 n4A-因共振能量转移或逃逸出激活区而使因共振能量转移或逃逸出激活区而使n4衰减衰减 的速率的速率.A为衰减几率为衰减几率 稳态后，稳态后， 有（2.1-3）式得 AnSnnSnn dt dn 44e4e0 4 4o 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 0

15、 dt dn4 ASn Snn n 4e 4oe0 4 2.1-4 将（2.1-4）代入（2.1-2）式，得 ) ASn)(kn( nSnkn n 4e 1 0 e4o10 3 3 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 2.1-5 下面推导n2.n2也是靠电子碰撞激发的。 n2的速率方程为： AnSnnSnn dt dn 22e22oe1 2 2.1-6 式中：n1neS02-电子碰撞激发速率.S02为激发速率常数 n2neS2-电子碰撞消激发速率.S2为消激发速率常数 n2A自发辐射衰减速率.A为自发辐射几率 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 稳态后， 由（2.1-6

16、）得 0 dt dn2 ASn Snn n 2e 2oe1 2 A Snn n 2oe1 2 2.1-7 因自发辐射几率A很大，与A相比neS2可忽略 故有： 2.1-8 根据（2.1-5）和（2.1-8）式，我们可以定性的讨论增益和 放电条件之间的关系 1 .增益与放电电流增益与放电电流i的关系的关系 在P和PHe: Pne一定的条件下， 即： (2.1-9) 式中：K比例系数。而n0,n1, ,A等均与i无关。 将(2.1-9)代入(2.1-5)，(2.1-8)式，得： ine 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 iKne AiK iK n 2 1 3 iKn 32 2.1-1

17、0 式中， 2.1-11 in 2 K1,K2与与K3都是和放电电流无关的常数都是和放电电流无关的常数 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 由(2.1-11)式知： 由(2.1-10)式可知： n3与i的关系为： 当i较小时,k2i可忽略. .n3与i成线性变化. 当i较大时,k2i随之增大. .n3与i关系不大. i继续增大时,n3饱和. in2 in A K 3 1 2 1 3K K n n3,n2与与i关系曲线如图关系曲线如图2-3所示：所示： 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图图2-3 2-3 粒子数密度与放电电流的关系粒子数密度与放电电流的关系 激光原理与

18、器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图图2-4 2-4 增益增益与放电电流关系与放电电流关系 由上述分析可知由上述分析可知, He-Ne激光器存在着最佳放电电激光器存在着最佳放电电 流流iopt, 当当i= iopt时，时， 最大。最大。 放电长度为放电长度为1米左右的米左右的He-Ne激光器，放电电激光器，放电电 流在几毫安流在几毫安-几百毫安范围几百毫安范围 23 nnn 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 2. 增益与充气总气压增益与充气总气压P的关系的关系 因因n n3 3 n n2 2, ,故故 , ,主要分析主要分析n n3 3： ： 在 在HeHe，NeNe气压比一

19、定的条件下，气压比一定的条件下， 323 nnnn 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 总气压总气压 但若总气压但若总气压 虽虽 ,但电子与原子碰撞次但电子与原子碰撞次 数也增多数也增多 电子动能下降电子动能下降 nnnnp 310 , p 10 ,nn nnSo 3 4 图图2-5 2-5增益与充气总气 增益与充气总气 压的关系压的关系 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 由上可见，器件存在一最佳总气压由上可见，器件存在一最佳总气压PoptPopt。当当P=PoptP=Popt时，时， 最最 大。大。He-NeHe-Ne激光器的激光器的总气压一般在几帕总气压一般在几帕

20、-几百帕之间。几百帕之间。 3.3.增益与增益与HeHe，NeNe气压比的关系气压比的关系 在总气压在总气压P一定的条件下，一定的条件下， n 01 ,nnP Ne 3 n , 由式由式(2.1-6)(2.1-6)知知,n,n1 1比比n n0 0对对n n3 3的影响大的影响大 但当但当 因因NeNe的电离电位低的电离电位低, ,易电离而导致电子易电离而导致电子 能量能量 . .同时同时, ,由于由于NeNe原子激发上能级原子激发上能级 粒子数主要通过与粒子数主要通过与HeHe亚稳态共振转移而获得亚稳态共振转移而获得, ,因此作因此作 为工作气体的为工作气体的NeNe气所占比例要适当气所占比

21、例要适当, , 也存也存 在一最佳值在一最佳值. . .一般一般 Ne P 34 nSo NeHe PP: NeHe PP 1:101:7: NeHe PP 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图图2-62-6增益与增益与He-NeHe-Ne气压比的关系气压比的关系 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 最佳充气总气压最佳充气总气压P Popt opt与最佳 与最佳He,NeHe,Ne气压比叫做气压比叫做 最佳充气条件。最佳充气条件。 当器件取最佳气压比与最佳总气压时，最佳总当器件取最佳气压比与最佳总气压时，最佳总 气压气压P Popt opt与放电管径 与放电管径d的乘

22、积为一常数，其取值范围：的乘积为一常数，其取值范围： cmPadP opt 533480 结论：结论： 为得到最大反转粒子数为得到最大反转粒子数 , ,即获得最大增即获得最大增 益，益，He-NeHe-Ne激光器应工作在最佳放电电流条件下，激光器应工作在最佳放电电流条件下， 即采用最佳放电电流、最佳充气总气压和最佳即采用最佳放电电流、最佳充气总气压和最佳HeHe、 NeNe气压比。气压比。 n 2-2 He-Ne激光器的输出功率及稳定性 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 He-Ne He-Ne激光器的输出特性主要指激光器的输出特性主要指: :输出功率输出功率, ,频率频率 特性特

23、性, ,束散角束散角, ,偏振特性等偏振特性等. . 其中频率特性将在稳频技术一章中介绍其中频率特性将在稳频技术一章中介绍. . （一）（一） 输出功率及其影响因素输出功率及其影响因素 1. 1. 输出功率公式输出功率公式 (1) 单纵模激光器输出功率公式单纵模激光器输出功率公式 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 对于连续运转的激光器对于连续运转的激光器, ,当腔内实现稳态振荡当腔内实现稳态振荡 后后( (频率为频率为 的光强的光强 ),),有光在腔内往返一次所获有光在腔内往返一次所获 得的饱和增益等于腔内的光学总损耗得的饱和增益等于腔内的光学总损耗. .即即: : (2.1-1

24、)(2.1-1) 式中式中: : - - 饱和增益系数饱和增益系数 - - 放电管长度放电管长度 - - 除透过率外光在腔内往返一次的除透过率外光在腔内往返一次的 光学总损耗的百分数光学总损耗的百分数 - - 输出镜的透过率输出镜的透过率 TlIGs c ),(2 I Gs l c T 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 则器件的输出功率则器件的输出功率P表示为表示为: (2.2-2)(2.2-2) 式中式中: - 光束的有效横截面积光束的有效横截面积.其值一般小于其值一般小于 放电管横截面积放电管横截面积 (其值等于放电管横截面积其值等于放电管横截面积 放电管利用系数放电管利用系

25、数 ) 有有: - 腔内振荡光束的腔内振荡光束的 模体积模体积 - 放电管体积放电管体积 ITAP A 放电管 模体积 V V t V m V 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 对于平凹腔结构的横模对于平凹腔结构的横模,令令 ,则有则有: 于是有于是有: (2.2-3)(2.2-3) (2.2-4) (2.2-4) 由由(2.2-2)(2.2-2)式可知式可知: :再求出腔内稳态光强再求出腔内稳态光强 , ,即可求即可求 出输出功率出输出功率P.P. 因因 不仅与工作物质的物理参数有关不仅与工作物质的物理参数有关, ,同时与激光同时与激光 器的结构参数有关器的结构参数有关, ,为

26、此引入一个激发参量为此引入一个激发参量 L R T ) 1(3 1 1) 1( 4 4/ )( 2 1 22 0 2 T T d L Ld dzz V V L t m 4 2 d A I I 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 T G c m 2 m G mc GT, 式中式中: - 最大小信号增益最大小信号增益 由上式可见由上式可见,当器件结构确定以后当器件结构确定以后, 的的 值均可确定值均可确定,则激发参量则激发参量 可知可知. (2.2-1)(2.2-1)式及综合加宽大信号增益系数式及综合加宽大信号增益系数 , ,中心中心 频率频率 处最大小信号增益系数处最大小信号增益系数

27、 表达式代入上式表达式代入上式 并设激光器工作在中心频率并设激光器工作在中心频率 处处( ) ,( ) , 则有则有: : ),( IG 0 m G , 0 0 (2.2-5) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 ),( 2 IG G T G m c m SD H D R DHR s I I iW iW I I 12ln2ln2 )/2ln0( 1 0 2 1 s I (2.2-6)(2.2-6) 式中式中: - 饱和光强饱和光强,其值可由实验测出其值可由实验测出. 上式给出了上式给出了 与与 之间的关系之间的关系. s I I 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图图

28、2.2-1 2.2-1 单模运转的 单模运转的 与 与 的关系曲线的关系曲线 s I I 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 对于结构确定的激光器对于结构确定的激光器 可知可知,我们我们 可算出其可算出其 值值. 值已知后值已知后,我们可利用图解法从上我们可利用图解法从上 图关系曲线中查出图关系曲线中查出 . 令令 ,代入代入(2.1-14)(2.1-14)式式, ,则有则有: : (2.2-7)(2.2-7) 上式表明上式表明, ., .即增大输出镜透过率即增大输出镜透过率T T可可 提高输出功率提高输出功率P,P,但但T T的增大会导致的增大会导致 下降而引起下降而引起P P的

29、的 下降下降. .固存在一最佳透过率固存在一最佳透过率T Topt . opt . ),( mc GT s IfTAITAP s I I f TP s I I 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 多纵模运转多纵模运转 多纵模运转可分为多纵模运转可分为两种两种情况情况 : 纵模间隔纵模间隔 烧孔宽度烧孔宽度 ,则则 纵模振荡数多纵模振荡数多,烧孔严重烧孔严重,增益曲线阈值以上部分增益曲线阈值以上部分 均被烧掉均被烧掉,增益饱和类似于均匀加宽增益饱和类似于均匀加宽.在计算在计算P时时 可将其等效地看作一系列间隔为可将其等效地看作一系列间隔为 的纵模振荡的纵模振荡. 见图见图2.2-22

30、.2-2 q nst IIIIt 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图图2.2-2 2.2-2 严重烧孔时的等效纵模 严重烧孔时的等效纵模 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 重点讨论重点讨论第二种第二种情况情况. 设等效纵模的平均效率为设等效纵模的平均效率为 ,其在腔内光强为其在腔内光强为 , 则腔内总光强则腔内总光强 为为: (2.2-8)(2.2-8) 式中式中: : - - 振荡线宽振荡线宽 固有固有 1 1 I t I )( 1 osc t II osc H s Dosc I I 2 1 1 2ln ln 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 则有

31、则有: (2.2-9)(2.2-9) 将将(2.2-9)(2.2-9)式代入式代入(2.2-8)(2.2-8)式式, ,有有: : (2.2-10)(2.2-10) 将上式变形为将上式变形为: : 2ln1 ln 2 s I I H Dosc 2ln1 ln 2 1 s I I H D vt II 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 2ln1 ln 2 1 s I I H D s v s t I I I I sv H D R sv i v IIiW II G IG/212ln 2 ln /21 )( )2 ,( 1 1 1 0 0 1 2 T c T G c m 2 1 同单纵模情

32、况引入激发参量同单纵模情况引入激发参量 . 且稳态工作后且稳态工作后 处的大信号增益系数为处的大信号增益系数为: (2.2-12)(2.2-12) (2.2-11) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 D H Rim iWGGG 2ln 0)()( 0 0 0 0 T G c m 2 s D H D H I I R R siW iW I I 1 1 2 2 ln 2 1 12ln )2ln0(2 1 将将(2.2-12), (2.2-13)(2.2-12), (2.2-13)代入代入 , ,可得可得: : (2.2-14)(2.2-14) (2.2-13)(2.2-13) 激光原理

33、与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 由由(2.2-11)(2.2-11)和和(2.2-14)(2.2-14)式可计算出不同式可计算出不同 值下的值下的 , , 由此作出由此作出 与与 的关系曲线的关系曲线. .如图如图2.1-92.1-9所示所示. . s t I I s t I I 图图2.2-3 2.2-3 多纵模运转的 多纵模运转的 与与 的关系 的关系 s t I I 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 这些曲线近似于直线这些曲线近似于直线,其方程为其方程为: (2.2-15)(2.2-15) 式中式中: : - - 为直线斜率为直线斜率 则则, ,基横模多纵模基横模多

34、纵模He-NeHe-Ne激光器的输出功率激光器的输出功率P P为为: : (2.2-16)(2.2-16) 式中式中: : 叫做有效饱和参量叫做有效饱和参量, ,其值为其值为: : . .与气压无关与气压无关. . 1K I I s t K 1 st IKTAITAP s KI )(330 2 cm s KI 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 , , 将将 代入代入(2.2-16)(2.2-16)式式, ,得得: : (2.2-17)(2.2-17) 4 2 d A T G c m 2 dGm/103 4 s KIA, 1 106 5 . 7 4 2 dT TdP c m GP

35、m G 2. 影响输出功率的主要因素影响输出功率的主要因素 放电条件的影响放电条件的影响: :要选择最佳放电条件要选择最佳放电条件. . 因因 , ,而而 对应有最佳放电条件对应有最佳放电条件, , 所以要提高输出功率所以要提高输出功率, ,应选择最佳放电条件应选择最佳放电条件. . 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图2.2-4 输出功率与放电电流的关系 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 图图2.2-5 2.2-5 输出功率与充气总压强输出功率与充气总压强 的关系的关系(a)(b)(c)(a)(b)(c) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 (2) 毛

36、细管尺寸的影响毛细管尺寸的影响: 2方面方面 增加毛细管长度增加毛细管长度,可提高输出功率可提高输出功率(见见2.2-172.2-17式式).但但 l 过长过长,谐振腔容易变形谐振腔容易变形,又影响输出功率又影响输出功率. 毛细管内径毛细管内径d过小过小,有利于提高有利于提高Gm.但但d太小时太小时, Gm 反而下降反而下降.主要原因是主要原因是:当长度当长度l一定时一定时, d小则总粒子数小则总粒子数 减少减少,且谐振腔易失调且谐振腔易失调. 因此因此, He-NeHe-Ne激光器工作于最佳放电条件下时激光器工作于最佳放电条件下时, ,注注 意其意其内径内径d与最佳充气压与最佳充气压Popt

37、的乘积为一常数的乘积为一常数: PammdP opt 533480 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 表表2.2-1 2.2-1 最佳充气条件最佳充气条件 图图2.2-6 2.2-6 最佳气压比与毛细管直径的关系最佳气压比与毛细管直径的关系 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 (3) (3) 选择最佳透过率选择最佳透过率 单纵模运转情况单纵模运转情况( (前面已讲过前面已讲过),),当当 时时, , 输出功率公式自己推导输出功率公式自己推导. . 多纵模运转多纵模运转: :令令 则有则有: : (2.2-18)(2.2-18) i.i. 将将(2.2-18)(2.2-

38、18)代入代入(2.2-16)(2.2-16)式得式得: : opt TT 0 optT dT dP ccmopt GT2 2 2 cmsopt GIKAP (2.2-19) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 将将 , 和和 代入上式代入上式,得得: (2.2-20)(2.2-20) 注意上式使用条件注意上式使用条件: ,: ,且器件参数且器件参数d,ld,l 满足满足 当当T T在在T Topt opt附近有小变化时 附近有小变化时, ,输出功率不会有明显变化输出功率不会有明显变化, , 因此因此, ,对对T Topt opt的精度不必作太高的要求 的精度不必作太高的要求. .

39、 2 /30cmwKI s dGm/103 4 2 4 d A 2 42 /1065 . 7 copt ddP Hq L L d 32103 118 4 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 实际运用中实际运用中,一般通过实验的方法确定最佳透过率一般通过实验的方法确定最佳透过率. (4) (4) 减小腔内损耗减小腔内损耗 因因He-NeHe-Ne器件增益较低器件增益较低, ,输出镜透过率也比较低输出镜透过率也比较低, ,因因 此其腔内损耗太小对输出功率影响较大此其腔内损耗太小对输出功率影响较大. . 降低腔内损耗的措施降低腔内损耗的措施: 合理设计谐振腔合理设计谐振腔:选用稳定腔选用

40、稳定腔,如平凹腔如平凹腔,双凹腔等双凹腔等, 平凹腔使用多平凹腔使用多.设计设计l,R等参数等参数; 合理选择毛细管直径合理选择毛细管直径d:减少衍射损耗减少衍射损耗; 选高质量的光学元件选高质量的光学元件; 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 精调谐振腔精调谐振腔. (5) (5) 谱线竞争谱线竞争抑制抑制3.39 um3.39 um谱线振荡谱线振荡 m 抑制原因抑制原因: :3.39 3.39 谱线与谱线与632.8 nm632.8 nm谱线共用一个谱线共用一个 激光上能级激光上能级 3S3S2 2, ,且增益都比较高且增益都比较高.3.39 um.3.39 um谱线的振谱线的

41、振 荡荡, ,将大量消耗激光上能级的粒子将大量消耗激光上能级的粒子, ,导致导致632.8 nm 632.8 nm 谱线的增益与输出功率下降谱线的增益与输出功率下降, ,甚至振荡被抑制甚至振荡被抑制. .因此因此, , 设法抑制设法抑制3.39 um3.39 um谱线振荡是提高谱线振荡是提高632.8 nm632.8 nm输出功率输出功率 的重要手段的重要手段. . 抑制方法抑制方法 增大增大3.39 um3.39 um谱线的损耗谱线的损耗 降低降低3.39 um3.39 um谱线的增益谱线的增益 m 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 腔内放置色散棱镜腔内放置色散棱镜 图图2.2

42、-7 2.2-7 棱镜色散法棱镜色散法 利用棱镜的色散效应利用棱镜的色散效应,调整腔镜调整腔镜,使使632.8 nm 可在腔可在腔 内形成振荡内形成振荡,而而3.39um的光逸出腔外的光逸出腔外. 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 腔内放置甲烷吸收盒腔内放置甲烷吸收盒 甲烷对甲烷对632.8 nm 透明而对透明而对3.39 um 强吸收强吸收. 图图2.2-18 2.2-18 用甲烷吸收盒抑制 用甲烷吸收盒抑制 3.39 um3.39 um振荡 振荡 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 外加非均匀磁场外加非均匀磁场 图图2.2-9 2.2-9 非均匀磁场法非均匀磁场法

43、 利用塞曼效应利用塞曼效应,磁场引起谱线分裂磁场引起谱线分裂,分裂的大小与分裂的大小与 磁场强度成正比磁场强度成正比. 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 非均匀磁场的作用相当于把谱线展宽非均匀磁场的作用相当于把谱线展宽. 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 因增益系数反比于线宽因增益系数反比于线宽,故施加非均匀磁场后故施加非均匀磁场后, 3.39 um 谱线的增益系数急剧下降谱线的增益系数急剧下降,而而632.8 nm 的增的增 益系数下降很少益系数下降很少,从而提高了从而提高了632.8 nm谱线的竞争能力谱线的竞争能力, 3.39 um 被抑制被抑制. (6) (

44、6) 使用同位素使用同位素He-3:He-3: He-NeHe-Ne器件中所充氦气通常为器件中所充氦气通常为He-4.He-4.实验表明实验表明, , 使用使用He-3He-3比用比用He-4He-4输出功率可提高输出功率可提高25%25%左右左右. .但但He-3He-3 的价格高得多的价格高得多, ,一般情况下很少使用一般情况下很少使用. . 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 （二）（二） 激光束的发散角激光束的发散角(简称束散角简称束散角) He-NeHe-Ne激光束的束散角可认为仅取决于其谐振激光束的束散角可认为仅取决于其谐振 腔的几何尺寸腔的几何尺寸(因工作物质光学均匀

45、性好因工作物质光学均匀性好,故可忽略故可忽略 光在腔内传播过程中所产生的畸变光在腔内传播过程中所产生的畸变). 束散角的定义束散角的定义: (2.2-21)(2.2-21) 对于对于TEMTEM00 00, ,其远场束散角 其远场束散角( (半角半角) ) 为为: : 远场远场: : (2.2-22) (2.2-22) 2 1 2 2 0 0 )( )( )/(1 / z dz d z z )( 0 )( 2 0 z 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 式中式中: - 束腰半径束腰半径 对于对于平凹腔平凹腔: (2.2-23)(2.2-23) 式中式中: R - 凹面镜曲率半径凹面

46、镜曲率半径 L - 腔长腔长 将将(2.2-23)(2.2-23)代入代入(2.2-22)(2.2-22)式式, ,得得: : (2.2-24) (2.2-24) 令令 , ,代入上式得代入上式得: : 0 4 1 0 1 L RL 4 1 2 1 )( LR LL L R 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 4 1 2 1 )( 1 1 L (2.2-25) 图图2.2-10 2.2-10 与 与 的关系 的关系 P 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 为得到较小束散角为得到较小束散角,设计时应选用大设计时应选用大R或大或大L,但但 R,L过大过大,不仅谐振腔调整困难

47、不仅谐振腔调整困难,而且在工作过程中易而且在工作过程中易 失调失调,同时造成输出功率的漂移同时造成输出功率的漂移.因此因此,设计设计R与与L参数参数 时要统筹考虑时要统筹考虑. （三）（三） 激光的偏振特性激光的偏振特性 1.1.外腔式与半外腔式外腔式与半外腔式: : 外腔式与半外腔式外腔式与半外腔式He-NeHe-Ne 激光器输出线偏振光激光器输出线偏振光 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 1964年年Patel研制成第一台研制成第一台CO2激光器激光器 第三章第三章 COCO2 2激光器激光器 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 纵向封离型纵向封离型 高气压型（高

48、气压型（ TEACO2 ） 流动型（轴快流、慢流）流动型（轴快流、慢流） 气动型气动型 波导型波导型 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 运转方式：连续或脉冲运转方式：连续或脉冲; 输出功率或能量相当大输出功率或能量相当大, 能量转换效率效率高能量转换效率效率高; (3)波长范围：波长范围：9-18 m 其中其中10.6m位于大气传输的窗口；位于大气传输的窗口； (4)人眼使用安全：人眼使用安全：400-700nm损伤损伤 3-1 CO3-1 CO2 2激光器的工作原理激光器的工作原理 （一） CO2分子的的能级结构 COCO2 2分子的结构分子的结构： CO2分子是一种线性对称排

49、列的三原子分子是一种线性对称排列的三原子 分子，具有一条对称轴线。分子，具有一条对称轴线。 三个原子排列成一条直线（分子轴）三个原子排列成一条直线（分子轴） 中间是碳原子、两端是氧原子中间是碳原子、两端是氧原子 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 （二） CO2分子的振转跃迁 CO 2 2分子分子二条最强二条最强的跃迁谱线的跃迁谱线 10.6m 0001 1000 9.6 m 0001 0200 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激 光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各

50、转动 能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-7 10-8s), 一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子 就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上来,而其 他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争效应转动能级的竞争效应. 由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱线的增益 系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其他谱线振 荡. 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 （三）（三） COCO2 2激光器激光上能级的激发过程激光器激光上能级的激发过程 1. 1. 电子直接碰撞激发电子直接碰撞激发 式中式中: : CO CO2 2* *(00(000 01) -CO1) -C

51、O2 2分子的激发态分子的激发态 ) 100()000( 0 * 2 0 2 eCOeCO 2. 2. 串级跃迁激发串级跃迁激发 ) 100() 100()000()00( )00()000( 0 * 23 0 * 2 0 23 0 2 3 0 * 2 0 2 COCOCOCO eCOeCO 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 3. 3. 共振转移激发共振转移激发 在在COCO2 2中掺有中掺有N N2 2( (氮氮) )和和COCO,它们被电子碰撞激发它们被电子碰撞激发 到各自的激发态到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转这些激发态的分子可把能量转 移给移给COCO2 2基态

52、基态,使使COCO2 2跃迁到跃迁到00000 01 1能级能级. N N2 2分子分子: : COCO分子分子: : )000() 1( 0 2 * COCO )000()3 , 2 , 1( 0 23 * 2 CON ECON)3 , 2 , 100()0( 3 0 * 22 ) 100()0( 0 * 2 COCO 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 4. 4. 复合过程复合过程 放电过程中放电过程中,有部分有部分COCO2 2分子会分解成分子会分解成COCO和和O O, 同时也存在同时也存在COCO和和O O的复合过程的复合过程,在复合时在复合时,把原来把原来 分解时所需要

53、的能重新释放出来分解时所需要的能重新释放出来,使使COCO2 2分子激发分子激发 到到00000 01 1能级能级.这个过程比前三个过程起的作用小这个过程比前三个过程起的作用小 得多得多. 被激发到激光上能级被激发到激光上能级(00000 01 1)的的COCO2 2分子分子,除了除了 受激辐射引起衰减外受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使还存在一些其他因素使 其衰减其衰减.我们把后者引起的衰减称为我们把后者引起的衰减称为消激发消激发. 引起消激发的主要原因引起消激发的主要原因:碰撞碰撞和和扩散扩散. 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 （四）（四） COCO2 2激光器激光器

54、激光下能级的弛豫激光下能级的弛豫 由于由于COCO2 2分子激光下能级分子激光下能级10100 00 0和和02020 00 0的辐射的辐射 寿命很长寿命很长,从激光上能级跃迁到这两个能级的从激光上能级跃迁到这两个能级的 粒子粒子,不能靠自发辐射很快返回到基态不能靠自发辐射很快返回到基态,这必然这必然 会降低粒子反转数会降低粒子反转数.为尽快抽空下能级为尽快抽空下能级,必须靠必须靠 与其他粒子碰撞与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程碰撞抽空下能级的弛豫过程 分为分为两步两步进行进行: 第一步第一步: 10: 100 00 0和和02020 00 0能级的驰豫能级的驰豫 11 2 0 2 0

55、 2 11 2 0 2 0 2 50)001(2)000()002( 52)001(2)000()010( cmCOCOCO cmCOCOCO 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 第二步第二步: ECOMCO cmCOCOCO )000()001( 667)000(2)000()001( 0 2 1 2 10 2 0 2 1 2 实验发现实验发现,COCO2 2激光下能级的激光下能级的“抽空抽空”主要是靠主要是靠 气体分子间碰撞气体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞而不是靠与管壁碰撞.所以放电管所以放电管 直径的大小对输出的影响不大直径的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光特别是大功

56、率激光 器更是如此器更是如此.因此因此,COCO2 2激光器激光器不象不象He-NeHe-Ne激光器激光器那样那样 一定要用很细的毛细管一定要用很细的毛细管. 0110能级的驰豫能级的驰豫 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 思考题: 二氧化碳激光器中充入He气和N2气的作用分 别是什么？ 二氧化碳激光器的“瓶颈效应”指什么？怎 么克服？ 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 3-2 纵向放电激励的COCO2 2激光器 （一）（一） 器件结构器件结构 尽管结构形式各异尽管结构形式各异,但一般都是由但一般都是由工作气体工作气体, 放电管放电管,谐振腔谐振腔和和电源电源所组成

57、所组成. 图图2.2-3 2.2-3 纵向放电封离 纵向放电封离 型型 激光器的 激光器的 典型结构典型结构 2 CO 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 谐振腔内两行波的传播 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 （二）（二） 输出功率及其影响因素输出功率及其影响因素 1. 输出功率输出功率 设设: : - - 驻波场中两列相反方向传播驻波场中两列相反方向传播 的行波的光强的行波的光强. . - - 归一化光强归一化光强 - - 谐振腔的两反射镜谐振腔的两反射镜 - - 反射率反射率 s s II II / / 21,M M II , 21,R R 111222 ,RR

58、 (3.2-1)(3.2-1) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 1/1 00 g II g g s s dZ d dZ d IdZ dI gs (3.2-2)(3.2-2) (3.2-3)(3.2-3) 有有: : 得得: : )1/( 0 g dZ d )1/( 0 g dZ d (3.2-4)(3.2-4) (3.2-5)(3.2-5) 由激光原理知，由激光原理知， 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 所以所以c 则则 c 2211 (3.2-7)(3.2-7) 将将(3.2-1)(3.2-1)式代入式代入(3.2-7)(3.2-7)式得式得 2/1 2 1 1

59、 2 R R 由由(3.2-4)(3.2-4)和和(3.2-7)(3.2-7)式可得式可得 /1 0 c g dZ d (3.2-9)(3.2-9) (3.2-8)(3.2-8) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 将上式积分得将上式积分得 12 12 1 2 0 11 ln clg (3.2-10)(3.2-10) 同理得同理得 21 21 2 1 0 11 ln clg (3.2-11)(3.2-11) 将将(3.2-10)(3.2-10)和和(3.2-11)(3.2-11)两式相加两式相加, ,并将并将(3.2-1), (3.2-7)(3.2-1), (3.2-7) 和和(3

60、.2-8)(3.2-8)式代入和式中式代入和式中, ,可得可得 )(1)( )ln( 2/1 21 2/1 2 2/1 1 2/1 1 2/1 210 2 RRRR RRRlg (3.2-12) (3.2-12) 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 激光原理与器件 武汉软件工程职业学院激光教研室 2/12/12/12/1 2/1 0 2/1 2 )1 ()1 (1)1 ()1 ( )1)(1ln()1 ( TaaTaa Taalga (3.2.2-13)(3.2.2-13) 于是激光输出功率可表示为于是激光输出功率可表示为 2 18TP 除透射损耗外除透射损耗外, ,腔内其他单程损