CO2激光器解析.ppt

1、2020/8/2，1，CO2激光，分子气体激光利用分子振动能级和动能级之间的跃迁。第一种分子激光器是振动旋转激光器。它利用同一电子态(基态)中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米)。第二种分子激光器是电子振动激光器。CO2激光器是振动旋转分子激光器的代表。它的工作气体是CO2、和贺的混合物。原子中的电子保持基态，激光跃迁发生在CO2不同振动状态的两个旋转能级之间。CO2激光器效率高、输出能量大、功率大。2020/8/2，2，2020/8/2，3，2020/8/2，4，可能的跃迁：根据波函数对称性的要求，电子基态上的振动和旋转波函数应该具有相同的对称性：对称

2、振动的波函数是对称的，而弯曲振动和反对称振动的波函数是反对称的。偶j旋转运动的波函数是对称的，而奇j旋转运动的波函数是反对称的。因此，在0001级，偶数j的旋转能级是空的，而在1000级，奇数j的旋转能级是空的。对于CO2分子，并非所有的J值旋转能级都存在于每个振动能级。在CO2分子中，Q分支是禁止的，只有P分支和R分支是不禁止的。P(20)指的是从高能级J=19到低能级J=20的跃迁。R(20)是指从高能级J=21到低能级J=20的跃迁。2020/8/2/5，激光跃迁可以在两个过程中发生：00011000(106米)和00010200(96米)。然而，激光输出主要发生在00011000期间。

3、泵浦主要经历以下两个过程：电子碰撞激发，表示为：对应于这种过程的电子碰撞截面很大。当电子能量为0.3eV时，峰值截面为510-10cm2。大部分被电子撞击后激发到高振动激发态的CO2分子将通过振动模式之间的能量交换(V-V延迟)从激发态沿能量阶梯跳下，并很容易被长寿0001能级收集。2020/8/2，6，N2分子的共振能量转移：电子碰撞激发的N2振动能级的总截面很大。这些受激分子的很大一部分将被=1的能级收集。N2的=1能级和二氧化碳的0001能级之间的差别只有18厘米-1(2.510-3电子伏特)。因此，当N2与基态CO2分子碰撞时，N2将激发能量转移到CO2分子，使其激发到0001能级。这

4、个过程可以表示为N2(=1)CO2(0001)N2(=0)CO2(0001)-2.510-3EV。因此，通过N2分子的近共振能量转移来泵浦0001能级是一个有效的过程。N2是CO2激光器中的能量转移气体。当E/N=2610-16Vcm2时，大部分输入电功率用于激发0001能级。因此，CO2激光器的效率相当高。2020/8/2/7，上、下激光能级的寿命和每个能级的自然寿命都很长。S=210-3秒表示0001能级，s=1.1秒表示1000能级。这是因为00010000是允许的光学跃迁，而1000000是禁止的。这种情况对激光振荡非常不利。CO2激光中含有多种气体成分，这使得不同能级的衰减主要依赖于

5、碰撞。CO2分子的0110能级是否能尽快排空。实际上，0110能级减缓了分子到基本能级的衰变，其效应是一个瓶颈现象。何的存在将会对0110的生命能级产生很大的影响。由于氦和二氧化碳分子在0110能级的碰撞，0110能级的寿命达到=210-5秒。氦的存在不仅有助于抽空CO2分子较低的激光能级，而且符合实现连续激光振荡的条件。而且有助于传递放电区域的余热。2020/8/2/8，不同振动能级之间的热平衡率很小，约为103秒-1；然而，在相同振动状态下，不同旋转能级之间的热平衡率非常高，约为107秒-1)。因此，处于相同振动状态的所有旋转能级的所有粒子都对振动有贡献旋转量子数为J的旋转能级粒子平衡数为

6、：在CO2分子的0001能级中，J=21的旋转能级粒子数最大。2020/8/2/9，CO2激光器的结构CO2激光器有很多种，它们被广泛使用。从激光器结构来看，CO2激光器可分为：(1)纵向封闭激光器；(2)纵向流动激光；(3)横流激光器；(4)高压激光的横向激发；(5)射频激励激光器；(6)波导CO2激光器；(7)气动激光器。2020/8/2，10，图10 (a)纵向封闭激光器，2020/8/2，11。因此，振动的通常是00011000跃迁中的P(22)分支，在J=2l的旋转能级上的粒子数被迅速消耗，所以在其他旋转能级上的CO2分子将迅速消耗。也就是说，P(22)振动将消耗在其他旋转能级上的粒

7、子数，这就是旋转竞争效应。CO2激光器输出光谱中CO2的振动能级非常密集，使得CO2激光器的输出波长非常丰富。00011000跃迁的波长范围为10.06米-11.02米；其中，P分支有27条来自P456的谱线，最强的是P18、P20、P22和P24。r分支有26条来自R4R54的谱线，最强的是R18、R20、R22和R24。00010200跃迁在9.13米至9.95米的波长范围内具有40多条谱线，图10 (b)纵向流激光器，图10 (c)横向流激光器，图10(c)横向流激光器，图10 (d)横向激励高压激光器，图10(d)横向激励高压激光器。受激准分子是一种束缚在电子激发态的分子，是一种没有稳

8、定基态的激发态化合物分子。它很快分裂成原子或其他分子群，从出现到消失的时间只有几十纳秒。准分子分为两类；一种是同核二聚体，如，另一种是异核激基复合物，如惰性气体的氧化物和卤化物，以及金属卤化物。，准分子激光器是一种特殊类型的分子气体激光器，可产生电磁光谱紫外范围内的高强度光。紫外光源是Lumonics PM-848k准分子激光器，可配置为在248纳米的KrF(氪-氟化物)气体混合物或193纳米的ArF(氩-氟化物)气体混合物下工作。准分子激光束将用于各种吸收材料的微加工。任何尺寸小于2 mm的特征都可以在标准光刻处理时间的一小部分内蚀刻到表面上。应用范围包括精确快速的划线、在基板上钻孔，以及用

9、硅和塑料制造复杂的图案和器件。2020年8月21日，准分子激光器的特点是准分子寿命很短，只有10-8秒。激光跃迁的低能级是排斥的或弱束缚的，寿命很短(只有10-13秒)，这意味着激光的低能级总是空的。与属于束缚-束缚辐射跃迁的其他分子激光器不同，准分子激光器属于束缚-自由辐射跃迁。因为没有明确的振动旋转跃迁，跃迁是宽带的。这导致准分子激光器的高阈值泵浦功率。当然，宽带辐射容易实现可调谐激光发射。2020/8/2，22，能级结构，图11是XeF*势能曲线，图11是XeF*准分子势能曲线。基态X2 1/2是弱束缚态，而激发态B2 1/2、C23/2和D21/2是强束缚态。准分子激光器的工作原理，2020/8/2/23，激发模式准分子激光器的激发模式包括快速放电激发、电子束激发、电子束控制放电激发和x光预电离放电激发。快速放电激发简单，激光器的结构与N2