c5.2气体激光器

1、5.4 5.4 半导体激光器半导体激光器 5.35.3 染料激光器染料激光器5.55.5 其他激光器其他激光器5.2 5.2 气体激光器气体激光器5.1 5.1 固体激光器固体激光器15.2 5.2 气体激光器气体激光器v激光激光谱线丰富谱线丰富，波长覆盖了从真空紫外到远红外，波长覆盖了从真空紫外到远红外范围。范围。v气态工作物质的气态工作物质的光学均匀性光学均匀性比固体好，易于获得比固体好，易于获得高斯光束，高斯光束，方向性好方向性好。v气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光单色单色性好性好。v气体的气体的激活粒子密度激活粒子密度远小于固体，需要较大体积

2、远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，的工作物质才能获得足够的功率输出，体积体积一般一般比较比较庞大庞大。气体激光器的特点：气体激光器的特点：5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器v 1960年末最早研制成功的气体激年末最早研制成功的气体激光器。光器。v 属于惰性气体原子激光器。属于惰性气体原子激光器。v 工作物质是氦氖混合气体，工作物质是氦氖混合气体，发射发射激光的是激光的是Ne原子，原子，He为辅助气体为辅助气体，作用为改善气体放电特性，提，作用为改善气体放电特性，提高激光器输出功率。高激光器输出功率。v 主要波段在可见光到近红外区。主要波段在可见光到近红外区

3、。v 多采用连续工作方式（输出几毫多采用连续工作方式（输出几毫瓦到几十毫瓦）。瓦到几十毫瓦）。v 输出光束质量很高。输出光束质量很高。 5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器1. He-Ne激光器的结构和激发机理激光器的结构和激发机理 HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光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。电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。 M1M2阳极储气套放电毛细管阴极图图1 内腔式内腔式HeNe激光器的结构激光器的结构放电管：放电管： 通常由毛细管和储气室构成，是产生激光的通常由毛细管和储气室构成

4、，是产生激光的地方。放电管中充入一定比例的氦地方。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖、氖(Ne)气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开气体，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发产生粒子数反转。始放电使氖原子受激发产生粒子数反转。 储气室与毛细管相连，并不发生气体放电，储气室与毛细管相连，并不发生气体放电，其作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气其作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成体造成He、Ne气体比例及总气压发生的变化，延气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。长器件的寿命。 He-Ne激光器的结构激光器的结构图图(5-9) He-Ne激光器的基本

5、结构形式激光器的基本结构形式 根据放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，根据放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，He-Ne激光激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。所示。 He-Ne激光器的结构激光器的结构图图(5-10) 与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图原子的部分能级图He-Ne管内气体放电时，管内气体放电时，He原原子与高速电子碰撞，被激发到子与高速电子碰撞，被激发到21S0、 23S1上，通过共振能量转上，通过共振能量转移将处于基态上的移将处于基态上的Ne原子激发原子激发到到2S和和3S上。上。He气

6、起提高气起提高Ne原子泵浦速率原子泵浦速率的作用的作用He-Ne激激光器是典型的四能级光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条系统，其激光谱线主要有三条 :3S2P 0. .6328 m2S2P 1. .15 m3S3P 3. .39 m He-Ne激光器的激发机理激光器的激发机理 图图(5-10 )是与产生激光有关的是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，原子的部分能级图，Ne原子原子的激光上能级是的激光上能级是3S和和2S能级，激光下能级是能级，激光下能级是3P和和2P能级。能级。2. He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 （1）谱线竞争）谱线竞争: 多条谱线对应同一个激光上能级

7、，存在对共有能级上粒多条谱线对应同一个激光上能级，存在对共有能级上粒子数的竞争，一条谱线产生振荡后，用于其他谱线的反转粒子数的竞争，一条谱线产生振荡后，用于其他谱线的反转粒子数减少，将使其他谱线的增益和输出功率降低，甚至完全子数减少，将使其他谱线的增益和输出功率降低，甚至完全抑制。这就是抑制。这就是谱线竞争效应。谱线竞争效应。 哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长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。选择。0.6328 m和和3.39 m两条谱线具有相同的上能级，存在两条谱线具有相同的上能级，存在强烈竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，强烈竞争。由于增益系数与波

8、长的三次方成正比， 3.39 m谱谱线的增益远大于线的增益远大于0.6328 m谱线的增益系数，因此虽然反射镜谱线的增益系数，因此虽然反射镜对对0.6328 m波长的光有较高的反射率，仍需采用色散法、吸波长的光有较高的反射率，仍需采用色散法、吸收法或外加磁场法等方法抑制收法或外加磁场法等方法抑制3.39 m 辐射的产生。辐射的产生。5.2.1 氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器(2) 输出功率特性输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。激光器的放电电流对输出功率影响很大。图图(5-11) 不同充气压强下输出功率与放电电流的不同充气压强下输出功率与放电电流的 关系曲线关

9、系曲线每种充气总压强都有一个使输出功率最大每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电电流。它与气体混合比及总压强有关。的放电电流。它与气体混合比及总压强有关。 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充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。气总压强，即存在最佳充气条件。Ne原子比原子比例过小，输出功率减小。例过小，输出功率减小。He的电离电位较低，的电离电位较低，其比例过大会因电离过多而使电子离子数目其比例过大会因电离过多而使电子离子数目增加，在较低的电场就能维持一定的放电电增加，在较低的电场就能维持一定的放电电流，低电场导致的电子温度（平均动能）下流，低电场导致的电子温度

10、（平均动能）下降使激发速率降低，输出功率随之下降。降使激发速率降低，输出功率随之下降。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。电电流叫最佳放电电流。 最佳放电电流附近，输出功率的变化不大。最佳放电电流附近，输出功率的变化不大。实际使用时，对最佳放电电流要求不严，有实际使用时，对最佳放电电流要求不严，有利于工作状态的调整。利于工作状态的调整。He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 (2) 输出功率特性输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。激光器的放电电流对输出功率影响很大。图图(5-11) 不同充气压强下输出功率

11、与放电电流的不同充气压强下输出功率与放电电流的 关系曲线关系曲线若放电毛细管的直径为若放电毛细管的直径为d，充气压强为，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。值。He-Ne激光器的最佳激光器的最佳pd值大约为值大约为4.8 5.3102Pamm。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径和毛细管直径d成反比。成反比。 原因：通过受激辐原因：通过受激辐射跃迁到激光下能级的射跃迁到激光下能级的Ne原子借助自发辐射原子借助自发辐射转移到亚稳态转移到亚稳态1S能级，然后通过与管壁碰撞能级，然后通过与管壁碰撞释放能量的

12、途径返回基态。如果管径释放能量的途径返回基态。如果管径d增大，增大，原子与管壁碰撞机会减小，滞留在原子与管壁碰撞机会减小，滞留在1S能级的能级的Ne原子可能吸收自发辐射光子重新返回激光原子可能吸收自发辐射光子重新返回激光下能级，从而导致反转粒子数的减少。下能级，从而导致反转粒子数的减少。He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 工作物质：工作物质： CO2 、He、N2的混合气体的混合气体 激光由激光由CO2分子发射分子发射，其它气体协助改善激光，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命。命。输出波长：输出波长： =10.

13、6 m 9.6 m 对人眼危害小对人眼危害小CO2 激光器是激光器是输出功率输出功率最高的气体激光器最高的气体激光器，连，连续输出功率可达续输出功率可达104W，脉冲输出能量可达脉冲输出能量可达104焦焦耳量级。耳量级。5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器1. CO2激光器的结构和激发过程激光器的结构和激发过程 图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器图图( (5- -12) )是一种典型的结构示意图。普通的封离式二氧化碳激光器包括腔是一种典型的结构示意图。普通的封离式二氧化碳激光器包括腔片、放电管、电极、电源等几部分。构成激光器谐振腔的两个反射

14、镜直接贴片、放电管、电极、电源等几部分。构成激光器谐振腔的两个反射镜直接贴在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜为平面镜，采用能透过激在放电管的两端。全反射镜为凹面镜，输出反射镜为平面镜，采用能透过激光波长的材料制成。光波长的材料制成。放电管多采用硬制玻璃制成，水冷套管放在储气管内部，使得支撑谐振腔放电管多采用硬制玻璃制成，水冷套管放在储气管内部，使得支撑谐振腔外管的内径很大，既有很好的机械稳定性又可储存大量气体。外管的内径很大，既有很好的机械稳定性又可储存大量气体。CO2激光器中与产生激光有关的激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图分子能级图如图(5-13)所示。所示。 图图(5

15、-13) 与产生激光有关的与产生激光有关的CO2分子能级图分子能级图CO2激光器的激发过程激光器的激发过程 激光跃迁激光跃迁00011000 ( 10.6 m)00010200 ( 9.6 m) 输出激光主要发生在输出激光主要发生在00011000过程。过程。 泵浦主要通过下面两个过程：泵浦主要通过下面两个过程：气体放电时，一部分高速电子直接碰撞气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO2 分子，使其由基态跃迁到激发态分子，使其由基态跃迁到激发态0001上。上。一部分高速电子与一部分高速电子与N2分子碰撞，使其由基分子碰撞，使其由基态（态（V=0）激发到高能态（）激发到高能态（ V=1 ）上，通）

16、上，通过共振能量转移过程将基态过共振能量转移过程将基态CO2 分子激发分子激发到激发态到激发态0001上。上。 N2气起提高气起提高CO2 分子泵浦速率的作用分子泵浦速率的作用CO2激光器中与产生激光有关的激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图分子能级图如图(5-13)所示。所示。 图图(5-13) 与产生激光有关的与产生激光有关的CO2分子能级图分子能级图CO2激光器的激发过程激光器的激发过程 He气的作用气的作用(1) 加速加速CO2 分子在分子在0001能级的热弛豫速能级的热弛豫速率，有利于激光下能级的粒子数抽空。率，有利于激光下能级的粒子数抽空。(2) 利用利用He气导热系数大的

17、特点，实现有气导热系数大的特点，实现有效的传热。效的传热。2. CO2激光器的输出特性激光器的输出特性 5.2.2 二氧化碳激光器二氧化碳激光器相应于相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的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。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。 (1) 放电特性放电特性 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，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

18、升高，将引起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，还将引起的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。分子浓度。 这些因素这些因素 都会使激光输出功率下降，甚至产生都会使激光输出功率下降，甚至产生”温度焠灭温度焠灭”。因此，冷却问题是。因此，

19、冷却问题是CO2激激光光 器正常运转的重要技术问题。器正常运转的重要技术问题。(2) 温度效应温度效应 5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器v 如果激光跃迁发生在气体离子的不同能级之间，这种激光器如果激光跃迁发生在气体离子的不同能级之间，这种激光器就称为离子激光器。就称为离子激光器。v 离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外2358一直到一直到近红外近红外1.355 m，已观察到，已观察到400多条谱线，大多数落在多条谱线，大多数落在可见光可见光范围。范围。v 离子激光器是目前离子激光器是目前可见光区最强的相干光源可见光区最强的相干光源。v 氩离子激

20、光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光波长主要是波长主要是0.4880 m和和0.5145 m的蓝绿光。连续输出功的蓝绿光。连续输出功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可可见区连续输出功率最高的激光器。见区连续输出功率最高的激光器。氩氩/氪离子激光器氪离子激光器 Stabilite 2017 Argon/Krypton Ion Laser5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器1. Ar激光器的结构激光器的结构 Ar激光器一般由放电管、谐振腔、

21、轴向磁场和回气管等几部分组成。关激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。关键部件是放电管，须采用耐高温、导热性能好的材料制成，如石英管、氧键部件是放电管，须采用耐高温、导热性能好的材料制成，如石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。如图化铍陶瓷管、分段石墨管等。如图( (9- -14) ) 所示为石墨放电管（良导体）的所示为石墨放电管（良导体）的分段结构。分段结构。 图图(9-14) 分段石墨结构分段石墨结构Ar+激光器示意图激光器示意图1.石墨阳极石墨阳极 2. 石墨片石墨片 3. 石英环石英环 4. 水冷套水冷套 5. 放电管放电管 6. 阴极阴极 7. 保热屏保热屏 8.

22、加热灯丝加热灯丝 9. 布氏窗布氏窗 10. 磁场磁场 11. 储气瓶储气瓶 12. 电磁真空充气阀电磁真空充气阀 13. 镇气镇气瓶瓶 14. 波纹管波纹管 15. 气压检测器气压检测器5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器1. Ar激光器的结构激光器的结构 放电管：放电管： 由于工作电流大，放电毛细管的管壁温度可达由于工作电流大，放电毛细管的管壁温度可达1000以上，所以上，所以要求放电管的材料要耐高温、散热性好。此外，还要求放电以要求放电管的材料要耐高温、散热性好。此外，还要求放电管材料的气密性好、吸气率低，机械强度高。常用的材料有石管材料的气密性好、吸气率低，机械强度高。常用的材料有石

23、英、氧化铍陶瓷、石墨等。英、氧化铍陶瓷、石墨等。阴极和阳极：阴极和阳极： Ar激光器的阴极要求有较高的电子发射率，能耐离子轰击，激光器的阴极要求有较高的电子发射率，能耐离子轰击，耐高温。一般采用热阴极，最常用的是钡钨阴极。阳极一般也耐高温。一般采用热阴极，最常用的是钡钨阴极。阳极一般也采用耐高温、导热、导电性能好的材料。采用耐高温、导热、导电性能好的材料。 Ar+离子激光器的结构离子激光器的结构回气管：回气管： Ar激光器还必须有回气管，因为在大电流密度和低气压放激光器还必须有回气管，因为在大电流密度和低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，即放电管内的气体会被从电中，存在严重的气体泵浦效应，即

24、放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，造成两端气压不均匀，严重时还会造成一端抽运到另一端，造成两端气压不均匀，严重时还会造成激光猝灭现象。激光猝灭现象。 在放电管外设置一回气管路，使管内气体形成闭合回路，依在放电管外设置一回气管路，使管内气体形成闭合回路，依靠气体的扩散作用，可以减小管内气压差。为了使放电不沿靠气体的扩散作用，可以减小管内气压差。为了使放电不沿回气管进行，要求回气管的长径比要大于放电管的长径比。回气管进行，要求回气管的长径比要大于放电管的长径比。 磁场：磁场： 为了提高氩离子激光器的输出功率及寿命，一般要加上几十为了提高氩离子激光器的输出功率及寿命，一般要加上几十到到100毫特斯拉左右的轴向磁场。磁场通常由套在放电管外面毫特斯拉左右的轴向磁场。磁场通常由套在放电管外面的螺线管产生。的螺线管产生。 Ar+离子激光器的结构离子激光器的结构2. Ar激光器的激发机理激光器的激发机理 Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图激光器与激光辐射有关的能级结构如图( (9- -15) )所示所示 图(9-15) 与产生激光有关的Ar+的能级结构5.2.3 Ar+离子激光器离子激光器 激光上能级激光上能级3P44P