1、,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,1964年P(guān)atel研制成第一臺(tái)CO2激光器,背景,第三章 CO2激光器,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,縱向封離型 高氣壓型（ TEACO2 ） 流動(dòng)型（軸快流、慢流） 氣動(dòng)型 波導(dǎo)型,分類,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Ms

2、n: ,運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)或脈沖; 輸出功率或能量相當(dāng)大, 能量轉(zhuǎn)換效率效率高; (3)波長(zhǎng)范圍：9-11 m 其中10.6m位于大氣傳輸?shù)拇翱冢?(4)人眼使用安全：400-700nm損傷,優(yōu)點(diǎn),Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,放電激勵(lì) 縱向低氣壓激光器 橫向高氣壓激光器 射頻激勵(lì) 化學(xué)激勵(lì) 氣動(dòng),激勵(lì)機(jī)制,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,3-1 CO2激光器的工作原

3、理,（一） CO2分子的的能級(jí)結(jié)構(gòu),CO2分子的結(jié)構(gòu)： 線性對(duì)稱排列的三原子分子 三個(gè)原子排列成一條直線（分子軸） 中間是碳原子 兩端是氧原子,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,（二） CO2分子的振轉(zhuǎn)躍遷,CO 2分子二條最強(qiáng)的躍遷譜線,10.6m 0001 1000 9.6 m 0001 0200,Laser Device and

4、Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,雖然有多條熒光譜線,但在激光器中能同時(shí)形成激光振蕩的只有1至3條,這是因?yàn)橥徽駝?dòng)能級(jí)的各轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間靠得很近,粒子在能級(jí)間轉(zhuǎn)移很快(10-7 10-8s),一旦某一轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)上的粒子躍遷后,其他能級(jí)上的粒子就會(huì)按玻爾茲曼分布規(guī)律,轉(zhuǎn)移到這個(gè)能級(jí)上來(lái),而其他能級(jí)上的粒子數(shù)減少,這就是轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng).由于這種競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),如果工作條件使得某條譜線的增益系數(shù)較大,則此譜線首先起振,而同時(shí)抑制其他譜線振蕩.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel:

5、 QQ:21265964; Msn: ,（三） CO2激光器激光上能級(jí)的激發(fā)過(guò)程,1. 電子直接碰撞激發(fā),式中: CO2*(0001) -CO2分子的激發(fā)態(tài),2. 串級(jí)躍遷激發(fā),Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,3. 共振轉(zhuǎn)移激發(fā),在CO2中摻有N2(氮)和CO,它們被電子碰撞激發(fā) 到各自的激發(fā)態(tài),這些激發(fā)態(tài)的分子可把能量轉(zhuǎn)移給CO2基態(tài),使CO2躍遷到0001能級(jí).,N2分子:,CO分子:,Laser Device and Technology,Emai

6、l: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,4. 復(fù)合過(guò)程,放電過(guò)程中,有部分CO2分子會(huì)分解成CO和O,同時(shí)也存在CO和O的復(fù)合過(guò)程,在復(fù)合時(shí),把原來(lái)分解時(shí)所需要的能重新釋放出來(lái),使CO2分子激發(fā)到0001能級(jí).這個(gè)過(guò)程比前三個(gè)過(guò)程起的作用小得多.,被激發(fā)到激光上能級(jí)(0001)的CO2分子,除了受激輻射引起衰減外,還存在一些其他因素使其衰減.我們把后者引起的衰減稱為消激發(fā). 引起消激發(fā)的主要原因:碰撞和擴(kuò)散.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn

7、: ,（四） CO2激光器激光下能級(jí)的弛豫,由于CO2分子激光下能級(jí)1000和0200的輻射壽命很長(zhǎng),從激光上能級(jí)躍遷到這兩個(gè)能級(jí)的粒子,不能靠自發(fā)輻射很快返回到基態(tài),這必然會(huì)降低粒子反轉(zhuǎn)數(shù).為盡快抽空下能級(jí),必須靠與其他粒子碰撞.碰撞抽空下能級(jí)的弛豫過(guò)程分為兩步進(jìn)行:,第一步: 1000和0200能級(jí)的馳豫,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,第二步:,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CO2激光下能級(jí)的“抽空”主要是靠氣體分子間碰撞,而不是靠與管壁碰撞.所以放電管直徑的大小對(duì)輸出的影響不大,特別是大功率

8、激光器更是如此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那樣一定要用很細(xì)的毛細(xì)管.,0110能級(jí)的馳豫,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,思考題: 二氧化碳激光器中充入He氣和N2氣的作用分別是什么？ 二氧化碳激光器的“瓶頸效應(yīng)”指什么？怎么克服？,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,3-2 縱向放電激勵(lì)的CO2激光器,（一） 器件結(jié)構(gòu),盡管結(jié)構(gòu)形式各異,但一般都是由工作氣

9、體,放電管, 諧振腔和電源所組成.,圖2.2-3 縱向放電封離型 激光器的 典型結(jié)構(gòu),Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,諧振腔內(nèi)兩行波的傳播,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,（二） 輸出功率及其影響因素,1. 輸出功率,設(shè): - 駐波場(chǎng)中兩列相反方向傳播 的行波的光強(qiáng). - 歸一化光強(qiáng) - 諧振腔的兩反射鏡 - 反射率,(3.2-1),Laser Device and

10、 Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,(3.2-2),(3.2-3),有:,得:,(3.2-4),(3.2-5),由激光原理知，,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,所以,則,(3.2-7),將(3.2-1)式代入(3.2-7)式得,由(3.2-4)和(3.2-7)式可得,(3.2-9),(3.2-8),Laser Device and Technology,Email: ; Tel: 1384027501

11、4; QQ:21265964; Msn: ,將上式積分得,(3.2-10),同理得,(3.2-11),將(3.2-10)和(3.2-11)兩式相加,并將(3.2-1), (3.2-7)和(3.2-8)式代入和式中,可得,(3.2-12),Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,(3.2.2-13),于是激光輸出功率可表示為,除透射損耗外,腔內(nèi)

12、其他單程損耗為a, 又可寫為:,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,(3.2-14),2. 影響輸出功率的幾個(gè)重要因素,放電管的長(zhǎng)度和內(nèi)徑 長(zhǎng)度: 內(nèi)徑:影響不大,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,氣體成分和氣壓 CO2激光器中含有適量N2,CO,He,Xe,Ne,H2, H2O等氣體時(shí),能顯著提高輸出功率,而含有Ar,N2O時(shí),能大大降低激光器的輸出功率. 含N2組份主

13、要充入CO2+N2+He+Xe+H2 含CO組份主要充入CO2+CO+He+Xe 增加總氣壓可增加產(chǎn)生激光的分子數(shù)目,所以總氣壓升高應(yīng)該增加輸出功率,總氣壓存在最佳值.最佳氣壓與放電管內(nèi)徑有關(guān),粗管的最佳總氣壓比細(xì)管的低.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,(3) 放電電流,放電電流也有最佳值,電流升高,放電管內(nèi)的電子數(shù)目增多,可以激發(fā)更多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù),但電子過(guò)多又會(huì)因碰撞消激發(fā)而使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少.,最佳放電電流與放電管的直徑,管內(nèi)的總氣壓以及氣體混合比有關(guān).,Laser Devi

14、ce and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,(4) 溫度,溫度升高引起輸出功率下降的三點(diǎn)原因: 溫度升高后,激光上能級(jí)的消激發(fā)速率增加,而激 光下能級(jí)由于熱激發(fā)則會(huì)使粒子數(shù)增多,兩者都 導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低. 氣體溫度升高后,譜線寬隨之增寬,增益系數(shù)下 降.,氣體溫度升高還會(huì)造成CO2分子分解,導(dǎo)致放電管內(nèi) CO2分子濃度降低.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,冷卻的方法:,冷卻激光管壁 流動(dòng)氣體法

15、,(5) 諧振腔,振蕩模的體積要盡量大,最理想的情況是振蕩模的體積與等離子體的體積相等.對(duì)應(yīng)最大輸出,存在最佳透過(guò)率.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,（三） 器件壽命,影響封離型CO2激光器壽命,有個(gè)重要的因素是CO2分子在工作過(guò)程中發(fā)生離解. 離解后的O2僅有小部分能與CO在復(fù)合成CO2,大部分在陰極表面與金屬材料形成化合物或與N2分子結(jié)合成N2O化合物,而這些化合物都比較穩(wěn)定.因此,隨著放電的不斷進(jìn)行,CO2分子濃度越來(lái)越低,激光輸出則越來(lái)越小,使器件壽命明顯降低.,Las

16、er Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,為了提高器件壽命,要設(shè)法減小氧的損失: 一是選擇合適的放電管材料和電極材料,減小對(duì)氧的吸收和限制氧化物的生成;（Ni作陰極等） 二是加入適當(dāng)?shù)妮o助氣體,“催化”CO與O2復(fù)合成CO2的過(guò)程.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,小結(jié)：,CO2激光器的工作原理 一、CO2分子的的能級(jí)結(jié)構(gòu)四能級(jí)系統(tǒng) 二、CO2分子的振轉(zhuǎn)躍遷 三、CO2激光器激光上

17、能級(jí)的激發(fā)過(guò)程（3種+1復(fù)合） 四、CO2激光器激光下能級(jí)的弛豫（2步） 縱向放電激勵(lì)的CO2激光器 一、器件結(jié)構(gòu) 二、輸出功率及其影響因素 5方面主要因素：氣體成分與氣壓、放電電流、溫度、毛 細(xì)管尺寸（l、d）、諧振腔模體積 三、 器件壽命,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,3-3 橫向放電激勵(lì)的高氣壓CO2激光器 （簡(jiǎn)稱TEACO2激光器）,TEACO2激光器1969年問(wèn)世。由于其工作氣壓高，若仍采用縱向放電激勵(lì)，則由于pl值大, 勢(shì)必要求端電壓V很高.為避免電壓過(guò)高產(chǎn)生的諸多

18、麻煩,采用橫向放電激勵(lì)方式，橫向放電激勵(lì),可以大大減小兩極間的間距。但由于極間距較短,放電面積較大,不易保證在整個(gè)放電面積都能獲得均勻輝光放電, 局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)弧光放電現(xiàn)象, 影響器件正常工作。,如何獲得大面積均勻放電成為TEACO2激光器的關(guān)鍵技術(shù).本節(jié)將重點(diǎn)討論.,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,（一） TEACO2激光器的均勻放電技術(shù),為得到均勻放電,采取措施: 合理設(shè)計(jì)放電電極和采用多組電極放電 采用快速放電技術(shù) 采用預(yù)電離技術(shù) 雙放電法 紫外線預(yù)電離 電子束預(yù)電離 射頻放電 加入合適的氣體：He,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964; Msn: ,多電阻針電極放電結(jié)構(gòu)形式,Laser Device and Technology,Email: ; Tel: QQ:21265964