常用气体激光器讲解.ppt

1、二氧化碳激光器属于分子气体激光器，一、工作原理、CO2分子有三种不同的运动形式：1 .对称振动(b )，2 .应变振动(c )，3 .非对称振动(d )，1、 2.N2在气体中发挥能量转移作用。 N2分子与电子碰撞的概率高，在放电中使多个N2成为准稳定状态。 通过近共振碰撞使内部能量向CO2分子移动，实现粒子数的逆分布，3.He对CO2分子有冷却作用，也能够加速下能级粒子数的排气，4.Xe的电离电位低，激光器内的气体容易电离，使CO2分子能量转换效率提高1015 同时，在放电电流维持相同的状态下，如果加入Xe，放电电压可以降低2030。 5.H2或(H2O蒸气)促进低能量粒子的排气，H2O蒸气

2、有利于CO2分子的还原，可以延长寿命。 2、工作物质、N2分子受到电子碰撞而被激发，与CO2分子碰撞，将得到的N2分子的能量传递到CO2分子，大量的CO2分子被激发到001能级时，在能级001和能级100之间形成粒子数的逆分布。 3、CO2分子激发机理，He原子质量小，运动速度快，频繁撞击CO2分子，有效吸引010能级的CO2分子，大幅提高了粒子数反转的程度。 100能级和020能级的分子急速迁移到准稳定状态010能级。 因此，转变为010能级的CO2分子必须立即排气，不利于粒子数的反转。 二、基本结构、纵向电激发水冷内腔式封闭型CO2激光器的典型结构、封闭型是指工作气体被封闭在放电管内(由放

3、电管、水冷管和储气管三层结构组成)。 其优点是结构简单、结构紧凑。 但是，每单位放电长度的可输出功率比其他结构(流动型和气压型等)的CO2激光器低。 折叠式CO2激光(未图示水冷套)、横向循环流动CO2激光、纵向流动CO2激光、三、输出特性、1、能量转换效率： 2025% (氦氖激光的能量转换效率是千分之几)； 2、常用的CO2激光输出波长为10.6，属于中红外区域，对人眼的损伤小，3、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，4、温度效应的转换效率最高不超过40，即60以上的能量转换为气体的热能为了减小激光器的功率，冷却问题是CO2激光器正常工作的重要技术问题。 原子和分子因某种原因而失去电子，得

4、到电子的过程称为电离。 原子失去电子就叫正离子，反之叫负离子。 利用离子的能级迁移得到的激光器件称为离子激光器。 氖、氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等都是离子激光的工作物质。 这些激光输出功率比原子气体激光器高几十瓦，可以连续或脉冲输出。 氩离子激光、一、工作原理、激发过程一般分为两个阶段：气体放电后，放电管中的高速电子与中性氩离子碰撞，从氩离子发射电子使其电离，形成处于基态的氩离子，该基态Ar进一步与高速电子碰撞，形成高能状态因此，氩离子激光器的活化粒子是Ar。 在2次电子碰撞中将氩原子激发为3 p4p状态比直接碰撞、一次将氩原子激发为3 p4p状态的电子能量小，后者只能在低气压放电下得到这么大

5、的能量(35.5eV )。 由于3p44P和3p44S的能级有许多不同的电子态，因此氩离子激光输出由丰富的光谱组成。 最强的光谱波长为488.0nm、514.5nm。 二、基本结构、氩离子激光器包括放电管、电极、回气管、谐振器、轴向磁场等。氩离子激光器分段石墨放电管，国产氩离子激光管，三，输出特征，1，惰性气体离子激光器，在离子激光器中输出效率最高，2 .其输出波长多，主要是514.5nm和488.0nm两个蓝绿色间隔； 3、一般从几瓦到十几瓦，甚至连续输出一百瓦。 4、功率波长易被血红蛋白吸收，氩离子激光对生物止血最有效。 临床上主要用于外科手术，以其为“光刀”，尤其是上下消化道出血时，氩离

6、子激光可以用光纤导管内镜进行止血等非手术治疗。 目前广泛应用于眼科凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。 表氩离子激光的可见光谱、准分子激光、一、工作物质、“准分子”:不稳定分子。 混合气体是由外来能量激发的一系列物理和化学反应曾经形成但瞬间死亡的分子，其寿命只有几十毫秒。 此类激光器的工作物质为将激发的气体原子(例如以Ar、Kr、Xe、Rg表示)与卤素元素(例如以f、Cl、x表示)结合而成的准分子，例如氟化氩(ArF )、氯化氪(KrCl )，二、作用但是，受到电子束的碰撞或高压激发等激发时，稀有气体原子有可能从基态向激发状态过渡或电离，此时，容易与另一个原子形成寿命非常短的分子(RgX )，处

7、于该激发状态的分子被称为激发二聚体，简称为准分子RgX基态分子的寿命极短，为10-13s级，沿着自身的势能曲线向核间距离变大的方向移动，最终解离为独立的原子RgX。 激发态RgX*能级寿命为10-8s级，比基态稳定，因此容易引起粒子数反转。 三、基本结构、准分子激光的结构、1功率特性：准分子基态的电子快速排出，激光的能级始终为空，这有利于离子数反转的形成，即使用超短脉冲运行，也可获得高输出(10瓦级)。 2 .输出波长：从真空紫外到可见光区域。 3脉冲特性：由于基态寿命短，即使在超短脉冲的情况下，基态也可视为空，因此准分子激光对巨大脉冲的发生特别有利。 4 .能精密的对焦和控制，切削精度非常高

8、，每光脉冲的切削深度为0.2m，能在人的头发线上刻上各种图案。 近视眼是眼球前后径过长，眼角膜前面过凸，外界光线不能正确收敛于眼底造成的。 准分子激光矫正近视是用计算机精密控制的准分子激光，根据近视度数和有无散光蚀刻瞳孔区域的角膜基质层，使眼角膜前面稍微平坦。 由此，可以使外光正确地聚光成像在眼底视网膜上，可以达到矫正近视的目的。 准分子激光治疗近视眼的原理、LASIK手术是指LASIK手术即准分子激光原位角膜磨削术(Laser in Situ Keratomileusis ) :医生用角膜刀打开角膜瓣，在瓣下角膜基质层用准分子激光根据近视、远视、散光度精确患者术前检查的数据卡片输入计算机，计

9、算机控制切削的范围和深度，削去光滑曲面，相当于角膜切下眼镜镜片，清晰视力。 仅采用自动微角膜板层节段切削手术，角膜表面切削直径8毫米、厚0.16毫米的带蒂板层角膜瓣，角膜瓣反转后，采用准分子激光计算机控制多阶段分区角膜基质内切削，最后复位角膜瓣。角膜瓣制作，准分子激光切削，角膜瓣复位，LASIK手术图像，角膜微刀具切断，角膜瓣形成和反转，可以使复杂的角膜切削极为方便。 三维主动眼球跟踪技术：除了跟踪眼球在XY轴上的运动外，还能跟踪眼球在z轴上的立体位移，能根据眼球运动自动调整激光到切削点，大大提高了手术的安全性和准确性。 高精度200Hz飞行点扫描，193nm氟化氩(ArF )准分子激光器与最

10、佳光传输系统的完美组合形成光斑直径0.8mm最佳高斯光束，色素激光器、固体或其他激光器输出的波长几乎为真空紫外至红外波段但是，通常的激光输出的波长都是一定的，最多只有一些波长，在应用上是有限的。 为此正在研究可调谐的激光器。 染料激光器是液体激光器的一种，以染料为工作物质，如果丹明6G等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。 染料的能量转换效率高，达到数百毫瓦。 染料激光器的最大特征是其输出波长可在一定范围内连续调节，因此也称为可调谐激光器。 医学上常用的可调染料激光器有N2激光泵可调染料激光器和Nd:YAG激光泵可调染料激光器等。 工作原理、染料分子能级图、S0为基态、S1、S2为激发态。 S0

11、、S1、S2本身由许多密集的振动旋转能级构成。 在原子光谱中，不同电子态之间的迁移会生成锐利的光谱线。在分子光谱中，由于不同电子态(例如S1和S0)之间的迁移而产生由密集的光谱线构成的带。 染料分子的这种能级结构是染料激光器的输出波长能够在一定范围内调节的根本原因。 另一方面，当吸收染料分子能级、染料分子能级图、外来光子时，分子从基态能级转变为S1状态的高振动旋转能(图中Ab )。 由于频繁的热交换，被激发的分子大多无辐射地崩溃为S1状态的最低振动旋转能级(图中bB )。 因此，在b和基态S0的高振动旋转能级(图中a )之间实现了粒子数反转。 当反转达到阈值时，可以产生激光。 可见染料激光的形

12、成过程，经历了2次无辐射转变。 二、染料分子的光照射过程、三、染料分子的三重态“陷阱”、能级图中的T1和T2为三重态。 三重态T1比单重态S1低，因此处于S1的分子容易不放射地向T1迁移，另外，T1和S0之间不发生放射迁移，而且T1的寿命长达约10-410-3s，因此T1状态相当于激发分子的“陷阱”。 当T1T2状态中积蓄了足够的分子时，T1T2的吸收会立即降低激光的增益，使激光消光。 通常采用的方法是在染料中加入三重态淬火剂，缩短Tl的寿命。 直管闪烁泵的色素激光模式图，一般由激光工作物质、激发光源、聚光系统、谐振器和波长选择装置构成，、输出特性、1输出激光波长由于某色素激光波长的可调幅度达

13、到100纳米， 因为可以称为2色素分子能级的准连续宽带构造，其荧光光谱范围也是准连续宽带，这可以使色素激光与宽范围同步，现在色素激光产生的超短脉冲宽度可以压缩到飞秒(10-15秒)量。 3色素激光器的输出功率高达数百毫瓦，与固体激光器相当，而且价格便宜。 4色素分子为四能级体系，S0的高振动动能级在室温下粒子数几乎为0，因此粒子数反转容易，色素分子激光的阈值低。一、光栅调谐图为光栅镜调谐室。 光束与谐振器轴成小角度(3)。 谐振器室由反射光栅g和镀有介质膜的反射镜m构成。 光栅g具有光束扩散和分散作用，通过旋转光栅可以改变输出激光的频率。 室内插入有法布里-珀罗标准具，摆动标准具可以进一步选择

14、输出激光的频率。 不插入标准具时，输出激光的线宽为0.05nm，插入标准具时，可获得线宽约为0.001nm的单模激光。输出特性、双、棱镜调谐图是折叠式纵泵色素激光器的原理图，放置在腔内的棱镜是分散元件。 由于棱镜的色散作用，来自m-3和m-2的具有不同波长的光束具有不同的折射方向。 当平面镜m-1旋转以垂直于具有特定波长的光时，具有该波长的光返回谐振腔并且被振荡。 因此，转动M1可实现调谐作用。 可以使用Tunable Lasers Dye Lasers，许多有机染料作为激光介质。 其中最常见的是罗丹明6G(Rhodamine 6G )，溶于甲醇或乙二醇中。 跃迁上下的能级通过与溶剂的相互作用

15、分裂成连续的能带。 当分子被上能带激发时，不会迅速放射缓和到上能带的最低能级而向基态的各能级迁移，产生荧光放射。 放射荧光曲线不随激发光源的变化而变化。 如果将填充了染料溶液的单元放置在激光室内，提供足够的泵能量，就可以发射激光。 使用宽带激光反射镜时，激发辐射发生在荧光发光曲线顶点周围的几十个附近。 可以用光栅替换镜像。 激发辐射带宽降低到0.5。 通过转动光栅，可以在荧光发光带整体上调节激光。 泵可以用闪光灯实现，得到的激光脉冲宽度为1ms，峰值功率为数kW左右，重复频率为1Hz。 也可以使用固定波长激光，例如氮分子激光、准分子激光、铜蒸气激光和倍频后的Nd: YAG激光。 一些典型设备可

16、通过利用各种染料而使脉冲染料激光器的工作范围为320 nm到1000 nm。 对准分子激光泵浦的色素激光，能量转换效率可达1020%。 倍频后的Nd: YAG激光器将达到40%。 色素激光的脉冲运转比较容易，但连续运转比较困难。 主要问题是由于三重态分布数的增加引起的吸收损失使激光无法振荡。 脉冲泵的情况下，在三重态下能够在聚集足够的粒子数之前发生激光。 为了实现连续泵，必须去除三重态分子。 可以在溶液中加入某种三重态消光剂，有效地使三重态分子的无辐射转变为基态。 连续的染料激光多使用氩离子和氪离子激光泵。 现在可复盖的光谱范围为375950nm。 使用染料喷射，使染料能够高速通过活性区域。

17、Tunable Solid-State Lasers，有些固态激光器的增益曲线范围很大，可以在某个范围内调谐。 例如钕玻璃激光可以在1.01.1mm的范围内调谐。 钛宝石(Ti: Al2O3)激光的可调谐范围为6601100nm。 不使用激光泵的可调谐固体激光器备受关注。 倍频、受激喇曼散射等可以用于进一步扩大调谐波长。 Tunable CO2 Lasers，二氧化碳激光是最有效的气体激光，功率转换率达到20%。 工作波长在10mm附近，多使用固定波长的二氧化碳激光。 与加入的N2分子的冲突中，(001 )模式充分分布。 氮分子布因放电而位于第一振动能级。 由此，与低能量水平(100 )、(020 )之间的粒子数反转。 激光发射可形成位于10.210.8mm和9.29