1、激光器件与技术激光器件与技术关于作业：关于作业：伏安特性曲线伏安特性曲线激光器件与技术激光器件与技术复习：复习：1 1、影响、影响He-NeHe-Ne激光器输出功率的因素激光器输出功率的因素（1 1）放电条件对输出功率的影响）放电条件对输出功率的影响（2 2）透过率和损耗对输出功率的影响）透过率和损耗对输出功率的影响（3 3）谱线竞争对输出功率的影响）谱线竞争对输出功率的影响（4 4）使用氦的同位素可提高输出功率）使用氦的同位素可提高输出功率2 2、输出功率的稳定性、输出功率的稳定性功率漂移功率漂移噪声噪声3 3、He-NeHe-Ne激光器的偏振特性激光器的偏振特性4 4、影响、影响He-Ne
2、He-Ne激光器寿命的因素有：激光器寿命的因素有：5、He-NeHe-Ne激光器的稳频激光器的稳频频率的稳定性有两种含义：频率的稳定性有两种含义：稳频的方法稳频的方法再现性再现性频率的稳定度频率的稳定度被动稳频：被动稳频：主动稳频：主动稳频：激光器件与技术激光器件与技术第三章第三章 二氧化碳激光器二氧化碳激光器COCO2 2激光器属于分子激光器，其特点是既能连续工作又激光器属于分子激光器，其特点是既能连续工作又能脉冲工作，输出功率大，效率高。能脉冲工作，输出功率大，效率高。连续输出功率连续输出功率数十万瓦级数十万瓦级脉冲能量脉冲能量数万焦耳数万焦耳转换效率转换效率20%-25%20%-25%C
3、OCO2 2激光器有多种形式：激光器有多种形式：封离型、流动型、气动型、大气压型、横向激励型、封离型、流动型、气动型、大气压型、横向激励型、波导型、射频激励型等。波导型、射频激励型等。激光器件与技术激光器件与技术3-1 COCO2 2激光器的工作原理激光器的工作原理 一、一、COCO2 2的能级图及辐射光谱的能级图及辐射光谱1 1、COCO2 2分子的基本振动模分子的基本振动模COCO2 2分子是线性对称排列分子是线性对称排列的的3 3原子分子，三个原子原子分子，三个原子排列成一直线，中央是排列成一直线，中央是碳原子，两端是氧原子。碳原子，两端是氧原子。COCO2 2分子处于不断振动中，其基本
4、振动形式有三类：分子处于不断振动中，其基本振动形式有三类：激光器件与技术激光器件与技术1 1）对称振动：碳原子）对称振动：碳原子不动，两个氧原子在不动，两个氧原子在分子轴上同时相向或分子轴上同时相向或背向碳原子运动。背向碳原子运动。对称振动的能量是量子化的，其大小与振动量子数有关：对称振动的能量是量子化的，其大小与振动量子数有关：振动量子数用振动量子数用v v1 1表示。表示。V V1 1=0=0，1 1，2 2 2 2）形变振动：三个原）形变振动：三个原子的振动方式不是沿子的振动方式不是沿分子轴线，而是垂直分子轴线，而是垂直于分子轴线，并且碳于分子轴线，并且碳原子的振动方向与两原子的振动方向
5、与两个氧原子的相反。个氧原子的相反。激光器件与技术激光器件与技术形变振动的能量也是量子化的，其大小与振动量形变振动的能量也是量子化的，其大小与振动量子数有关：子数有关：振动量子数用振动量子数用v v2 2表示。表示。V V2 2=0=0，1 1，2 2 这类振动是二度简并的，因为它对应着两种振动方式。这类振动是二度简并的，因为它对应着两种振动方式。在无外界干扰时，这两种振动方式所具有的能量相同。在无外界干扰时，这两种振动方式所具有的能量相同。两种振动方式是相互垂直的，其合振动构成圆周运两种振动方式是相互垂直的，其合振动构成圆周运动，合振动的角动量在分子轴上的投影也是量子化动，合振动的角动量在分
6、子轴上的投影也是量子化的，用量子数的，用量子数l 表示。表示。l=v=v2 2,v,v2 2-2,v-2,v2 2-4,-4,0 0。(v v2 2为偶数）为偶数）l=v=v2 2,v,v2 2-2,v-2,v2 2-4,-4,1 1。(v v2 2为奇数）为奇数）形变振动的能量量子数表示为：形变振动的能量量子数表示为：2lv激光器件与技术激光器件与技术3 3）反对称振动：三个）反对称振动：三个原子沿分子轴振动，其原子沿分子轴振动，其中碳原子的振动方向与中碳原子的振动方向与两个氧原子的相反。两个氧原子的相反。用用v v3 3表示这一振动的振动量子数。表示这一振动的振动量子数。V V3 3=0=
7、0，1 1，2 2 2 2、COCO2 2分子的振动能级分子的振动能级 CO CO2 2分子的总振动能量是以上三种振动方式的能量分子的总振动能量是以上三种振动方式的能量之和，所以振动的能量状态，应由三个振动量子数之和，所以振动的能量状态，应由三个振动量子数V V1 1、V V2 2、V V3 3 来确定，其振动能级用来确定，其振动能级用 来标记。来标记。)(321vvvl激光器件与技术激光器件与技术COCO2 2分子的能级图分子的能级图COCO2 2分子可产生的跃分子可产生的跃迁很多，其中最强的迁很多，其中最强的有两条：有两条：010 1 0 000波长约为波长约为10.610.6 m m00
8、2 1 0 000波长约为波长约为9.69.6 m m所以很容易产生粒子数反转所以很容易产生粒子数反转激光器件与技术激光器件与技术COCO2 2分子除了振动运动以外还有分子转动运动，在转分子除了振动运动以外还有分子转动运动，在转动的影响下，振动能级要分裂成很多子能级。动的影响下，振动能级要分裂成很多子能级。由于子能级的存在，跃迁谱线要由于子能级的存在，跃迁谱线要有很多条，但在激光器中能同时有很多条，但在激光器中能同时形成激光振荡的只有形成激光振荡的只有1 1至至3 3条。条。转动能级的竞争效应：同一振转动能级的竞争效应：同一振动能级的各转动能级之间靠得动能级的各转动能级之间靠得很近，能级转移很
9、快，一旦某很近，能级转移很快，一旦某一转动能级上的粒子跃迁后，一转动能级上的粒子跃迁后，其他能级上的粒子就会立即按其他能级上的粒子就会立即按波尔兹曼分配律，转移到这个波尔兹曼分配律，转移到这个能级上来，而其他能级上的粒能级上来，而其他能级上的粒子数减少。子数减少。激光器件与技术激光器件与技术二、二、COCO2 2激光上能级粒子数的激发和消激发激光上能级粒子数的激发和消激发COCO2 2激光器常采用电激励，在气体放电中，激光器常采用电激励，在气体放电中，COCO2 2被激发被激发到激光上能级，主要激发过程如下：到激光上能级，主要激发过程如下：1 1、电子直接碰撞激发、电子直接碰撞激发ee)100
10、(CO )0 0 0(CO0202电子要有适当的能量电子要有适当的能量2 2、串级跃迁激发、串级跃迁激发eve)00(CO )0 0 0(CO30202)100(CO)100(CO )000(CO)0 0(CO0230202302vv激光器件与技术激光器件与技术3 3、共振转移激发、共振转移激发在在COCO2 2激光器中往往掺有许多辅助气体如激光器中往往掺有许多辅助气体如N N2 2和和COCO等，等，这样能量转移过程也可发生。这样能量转移过程也可发生。)3,2,100(CO0)(vN )000(CO)3,2,1(N3022022vv)100(CO )1(N022与v其中，其中，之间的共振转移
11、最重要之间的共振转移最重要)100(CO0)(vCO )000(CO)1(CO02202v这种能量转移的几率也很大这种能量转移的几率也很大激光器件与技术激光器件与技术4 4、复合过程、复合过程在气体放电过程中，在气体放电过程中，COCO2 2会分解成会分解成COCO和和O O，同时也存，同时也存在在COCO与与O O的复合过程，在复合时，能把原来分解时所的复合过程，在复合时，能把原来分解时所需要的能量重新释放出来，使需要的能量重新释放出来，使COCO2 2分子激发到上能级。分子激发到上能级。被激发到激光上能级的分子，除了受激辐射以外，被激发到激光上能级的分子，除了受激辐射以外，还存在其他一些因
12、素使其衰减，我们把后者引起的衰还存在其他一些因素使其衰减，我们把后者引起的衰减称为消激发。减称为消激发。在在COCO2 2激光器中，引起消激发的主要原因有：碰撞、激光器中，引起消激发的主要原因有：碰撞、扩散。扩散。COCO2 2分子之间，以及分子之间，以及COCO2 2分子与其他辅助气体之间发生分子与其他辅助气体之间发生碰撞时会因能量转移而产生消激发。碰撞时会因能量转移而产生消激发。COCO2 2分子向放电管的管壁扩散也要产生消激发。分子向放电管的管壁扩散也要产生消激发。激光器件与技术激光器件与技术三、三、COCO2 2激光下能级粒子数的抽空弛豫过程激光下能级粒子数的抽空弛豫过程激光器件与技术
13、激光器件与技术激光下能级（激光下能级（10100 00 0和和02020 00 0）的粒子，不能靠自发辐射）的粒子，不能靠自发辐射很快返回级态，所以要尽快抽空下能级，必须靠与其很快返回级态，所以要尽快抽空下能级，必须靠与其他粒子的碰撞。碰撞抽空下能级的弛豫过程分两步：他粒子的碰撞。碰撞抽空下能级的弛豫过程分两步：第一步：第一步：10100 00 0和和02020 00 0能级的能级的COCO2 2分子与基态分子与基态COCO2 2分子的分子的碰撞，二者都会弛豫到碰撞，二者都会弛豫到01011 10 0能级。能级。112020252)001(CO 2)000(CO)010(COcm1120202
14、50)001(CO 2)000(CO)002(COcm这一步速度很快这一步速度很快其他气体与其他气体与COCO2 2分子碰撞也能使分子碰撞也能使COCO2 2（10100 00 0）弛豫到）弛豫到COCO2 2（01011 10 0）能级。）能级。激光器件与技术激光器件与技术第二步：弛豫到（第二步：弛豫到（01011 10 0）的）的COCO2 2分子与基态分子与基态COCO2 2分子或分子或其他分子碰撞弛豫回到基态。其他分子碰撞弛豫回到基态。1020212667)000(CO 2)000(CO)001(COcmEM)000(CO 2)001(CO0212M表示其他分子或管壁表示其他分子或管壁
15、这一步非常重要，所以要加辅助气体，如不加辅助气这一步非常重要，所以要加辅助气体，如不加辅助气体，则会在（体，则会在（01011 10 0）能级上形成粒子数的大量积累，）能级上形成粒子数的大量积累，又有可能重新被激发到激光下能级，造成反转粒子数又有可能重新被激发到激光下能级，造成反转粒子数的下降，这称为瓶颈效应。的下降，这称为瓶颈效应。COCO2 2激光器中常加的辅助气体有：激光器中常加的辅助气体有：N N2 2、COCO、H H2 2、HeHe、水蒸气等。水蒸气等。激光器件与技术激光器件与技术3-2 纵向放电激励的封离型纵向放电激励的封离型 连续连续COCO2 2激光器激光器 （普通（普通CO
16、CO2 2激光器）激光器）一、一、器件结构器件结构1 1、放电管放电管普通普通COCO2 2激光器也是由放电管、谐振腔和激光电源组成。激光器也是由放电管、谐振腔和激光电源组成。激光器件与技术激光器件与技术2 2、谐振腔谐振腔一般采用平凹腔，甚至采用非稳腔。一般采用平凹腔，甚至采用非稳腔。全反射镜一般采用玻璃、铜或不锈钢作基板，表面镀金。全反射镜一般采用玻璃、铜或不锈钢作基板，表面镀金。输出端反射镜有几种形式：输出端反射镜有几种形式：1 1）小孔耦合输出）小孔耦合输出在金属反射镜的中心开一小孔，外面再封一块能透过在金属反射镜的中心开一小孔，外面再封一块能透过10.6 10.6 m m波长的红外材
17、料，激光通过小孔输出到腔外。波长的红外材料，激光通过小孔输出到腔外。激光器件与技术激光器件与技术或直接用红外材料磨成反射镜表面镀金膜，而中心留或直接用红外材料磨成反射镜表面镀金膜，而中心留一小孔不镀金。一小孔不镀金。2 2）半导体材料反射镜）半导体材料反射镜有些半导体材料如锗，对有些半导体材料如锗，对10.6 10.6 m m波长吸收很小，同时波长吸收很小，同时它的折射率很高，抛光后反射率可达它的折射率很高，抛光后反射率可达50%-60%50%-60%。3 3）介质膜反射镜）介质膜反射镜用能透用能透10.6 10.6 m m波长的红外材料作基底，再镀多层介质波长的红外材料作基底，再镀多层介质膜
18、而制成。膜而制成。中小型激光器常采用内腔式中小型激光器常采用内腔式激光器件与技术激光器件与技术3 3、电源电源连续连续COCO2 2激光器大多采用直流辉光放电的激励电源。激光器大多采用直流辉光放电的激励电源。该电路可提供几千至上万伏的直流电压该电路可提供几千至上万伏的直流电压所需直流电压与放电管的长度有关所需直流电压与放电管的长度有关激光器件与技术激光器件与技术二、输出功率及其影响因素二、输出功率及其影响因素1 1、输出功率公式、输出功率公式由于由于COCO2 2激光器的增益激光器的增益较高，故不能认为腔较高，故不能认为腔内两行波的光强相等。内两行波的光强相等。II所以，必须找到它们所以，必须
19、找到它们之间的关系，才能利之间的关系，才能利用饱和增益公式求出用饱和增益公式求出输出功率。输出功率。激光器件与技术激光器件与技术输出功率表达式为：输出功率表达式为：sITdATIP224式中，式中，d d 为放电管直径，为放电管直径，为放电管利用率，为放电管利用率，I Is s为为饱和光强，饱和光强，+2 2为推导过程中引入的参数，叫归一为推导过程中引入的参数，叫归一化光强。还可写成另一种形式。化光强。还可写成另一种形式。由此可以看出激光器的输出功率与输出镜的透过率，由此可以看出激光器的输出功率与输出镜的透过率，谐振腔的单程光学损耗及单程增益等参量有关。谐振腔的单程光学损耗及单程增益等参量有关
20、。)1()1(1)1()1()1)(1ln()1(182/12/12/12/12/102/1TTTLGTP激光器件与技术激光器件与技术2 2、放电管长度和内径对输出功率的影响、放电管长度和内径对输出功率的影响由输出功率公式可知，输出功率正比于放电管的长度。由输出功率公式可知，输出功率正比于放电管的长度。增加放电管长度可提高输出功率增加放电管长度可提高输出功率输出功率与放电管长度有经验公式：输出功率与放电管长度有经验公式：kLP K K为比例常数，其取值范围为：为比例常数，其取值范围为：数米以下的放电管，多横模输出，数米以下的放电管，多横模输出，k=40k=4050W/m50W/m。单模输出，单
21、模输出，k=20k=2030W/m30W/m。1010米以上的放电管，米以上的放电管，k=100W/mk=100W/m。5050米以上的放电管，米以上的放电管，k=180W/mk=180W/m。激光器件与技术激光器件与技术实验表明，放电管内径的大小对输出功率影响不大。实验表明，放电管内径的大小对输出功率影响不大。但内径的选取不是任意的。视具体条件而定。但内径的选取不是任意的。视具体条件而定。3 3、气体成份和气压对输出功率的影响、气体成份和气压对输出功率的影响实验发现，当实验发现，当COCO2 2激光器中充有适量的辅助气体时，激光器中充有适量的辅助气体时，（如（如N N2 2、COCO、XeX
22、e、NeNe、H H2 2、H H2 2O O等气体）输出功率显等气体）输出功率显著提高，但当加入著提高，但当加入ArAr、N N2 2O O气体时，输出功率大大下气体时，输出功率大大下降。所以要提高输出功率一般要加入辅助气体。降。所以要提高输出功率一般要加入辅助气体。COCO2 2激光器以充入辅助气体的成分不同可分为含激光器以充入辅助气体的成分不同可分为含N N2 2组份组份和含和含COCO组份。组份。激光器件与技术激光器件与技术含含N N2 2组份主要充入：组份主要充入：COCO2 2+N+N2 2+Xe+He+H+Xe+He+H2 2 含含COCO组份主要充入：组份主要充入：COCO2
23、2+CO+He+Xe+CO+He+Xe后者的输出功率略低于前者，但它对提高寿命有利。后者的输出功率略低于前者，但它对提高寿命有利。在气压比（混合比）一定时，总气压存在一个最佳值。在气压比（混合比）一定时，总气压存在一个最佳值。最佳总气压与放电管直径有关。且其乘积近似为一常数。最佳总气压与放电管直径有关。且其乘积近似为一常数。气体组份的混合比对输出功率影响很大，当放电管管径气体组份的混合比对输出功率影响很大，当放电管管径较小时，较小时，N N2 2和和HeHe的含量应低一些，当放电管管径较大的含量应低一些，当放电管管径较大时，时，N N2 2和和HeHe的含量应高一些，的含量应高一些，XeXe和
24、和H H2 2 的含量要要很低。的含量要要很低。激光器件与技术激光器件与技术下面介绍各种气体成份的作用：下面介绍各种气体成份的作用：氮氮N N2 2:是是COCO2 2激光器中的主要辅助气体，主要作用是增激光器中的主要辅助气体，主要作用是增加加COCO2 2分子（分子（00000 01 1）能级的激发速率。但其含量也不宜）能级的激发速率。但其含量也不宜过高，因在气体放电时，过高，因在气体放电时，COCO2 2离解出的氧原子与氮分离解出的氧原子与氮分子发生化学反应生成子发生化学反应生成N N2 20 0和和NONO，它们对，它们对COCO2 2分子（分子（00000 01 1）能级有消激发作用，
25、所以，能级有消激发作用，所以，COCO2 2和和N N2 2有最佳配比关系。有最佳配比关系。一氧化碳一氧化碳CO:CO:同同N N2 2一样一样COCO的作用是增加的作用是增加COCO2 2分子（分子（00000 01 1）能级的激发速率。而且它还可以使能级的激发速率。而且它还可以使COCO2 2（01011 10 0）能级的）能级的弛豫速率加快，但太高时可使（弛豫速率加快，但太高时可使（00000 01 1）消激发。）消激发。激光器件与技术激光器件与技术氦（氦（HeHe）有以下三个作用：）有以下三个作用：（1 1）氦原子较轻，所以导热率较高，加入氦气后能）氦原子较轻，所以导热率较高，加入氦气
26、后能明显使气体温度降低。明显使气体温度降低。（2 2）氦对激光下能级）氦对激光下能级10100 00 0，02020 00 0，01011 10 0的弛豫作用的弛豫作用比对激光上能级的弛豫作用影响大得多，有利于粒比对激光上能级的弛豫作用影响大得多，有利于粒子数反转。子数反转。（3 3）氦还可以缓冲）氦还可以缓冲COCO2 2向管壁扩散，减少向管壁扩散，减少00000 01 1态与管态与管壁碰撞消激发。壁碰撞消激发。氙氙XeXe：XeXe的电离电位低，加入后可增加气体放电中的电离电位低，加入后可增加气体放电中的电离度，使的电离度，使E/NE/N的值降低，从而提高激光器的效率。的值降低，从而提高激
27、光器的效率。但其含量也不可过高，存在最佳值。但其含量也不可过高，存在最佳值。激光器件与技术激光器件与技术水蒸气和水蒸气和H H2 2:H:H2 2O O可使可使COCO2 2的的10100 00 0能级弛豫速率加大，能级弛豫速率加大，H H的作用与的作用与H H2 2O O相同，相同，H H2 2O O还可延长器件寿命。原因是水还可延长器件寿命。原因是水可催化可催化C0C0与与O O还原成还原成COCO2 2.5 5、温度对输出功率的影响、温度对输出功率的影响放电电流存在最佳值。最佳放电电流与放电管的直放电电流存在最佳值。最佳放电电流与放电管的直径、管内的总气压以及气体混合比有关。径、管内的总
28、气压以及气体混合比有关。4 4、放电电流对输出功率的影响、放电电流对输出功率的影响温度升高后也将导致输出功率的下降，原因有三：温度升高后也将导致输出功率的下降，原因有三：激光器件与技术激光器件与技术（1 1）温度升高后，激光上能级的消激发速率增高，）温度升高后，激光上能级的消激发速率增高，而激光下能级由于热激发则会使粒子数增加，两者而激光下能级由于热激发则会使粒子数增加，两者都导致反转粒子数的降低。都导致反转粒子数的降低。（2 2）气体温度升高后，谱线随之加宽，增益系数下降。）气体温度升高后，谱线随之加宽，增益系数下降。（3 3）气体温度过高还会造成）气体温度过高还会造成COCO2 2分子分解
29、，导致管内分子分解，导致管内COCO2 2分子浓度降低。分子浓度降低。因此，为了消除温度升高造成的不利影响，要对激因此，为了消除温度升高造成的不利影响，要对激光器件进行冷却，方法有两种：光器件进行冷却，方法有两种：（1 1）冷却激光管管壁）冷却激光管管壁用冷却水冷却激光管的管壁用冷却水冷却激光管的管壁激光器件与技术激光器件与技术但是，这要产生类透镜效应。但是，这要产生类透镜效应。类透镜效应：加水冷后的放电管，中心温度会高于管类透镜效应：加水冷后的放电管，中心温度会高于管壁温度，而温度高的地方气体分子密度降低，折射率壁温度，而温度高的地方气体分子密度降低，折射率也降低，使得放电管内部气体产生类透
30、镜效应（相当也降低，使得放电管内部气体产生类透镜效应（相当于负透镜）。于负透镜）。这相当于改变了谐振腔的类别，所以对激光输出也有这相当于改变了谐振腔的类别，所以对激光输出也有影响（如光斑尺寸、发散角等）。影响（如光斑尺寸、发散角等）。（2 2）流动气体法）流动气体法此方法装置复杂，气体消耗量大。此方法装置复杂，气体消耗量大。激光器件与技术激光器件与技术6 6、谐振腔对输出功率的影响、谐振腔对输出功率的影响谐振腔影响模体积，反射镜存在最佳透过率。谐振腔影响模体积，反射镜存在最佳透过率。三、器件寿命三、器件寿命除了前面讨论的影响除了前面讨论的影响He-NeHe-Ne激光器寿命的因素以外，激光器寿命
31、的因素以外，还有一个重要因素就是还有一个重要因素就是COCO2 2在工作过程中的离解。在工作过程中的离解。22CO 22COeO离解后仅有一小部分能再复合成离解后仅有一小部分能再复合成COCO2 2，大部分在阴极，大部分在阴极表面与金属材料形成氧化物或与表面与金属材料形成氧化物或与N N2 2形成形成N N2 2O O等化合物。等化合物。这些化合物较稳定。因此，工作物质越来越少，使这些化合物较稳定。因此，工作物质越来越少，使寿命减小。寿命减小。激光器件与技术激光器件与技术解决的方法：解决的方法：设法减少氧的损失，所以要合理选择放电管和电极设法减少氧的损失，所以要合理选择放电管和电极材料，减少对氧的吸收和氧化物的生成。材料，减少对氧的吸收和氧化物的生成。加入适量的辅助气体，催化加入适量的辅助气体，催化COCO和和O O2 2的合成。如水。的合成。如水。还可采用热化学法补充还可采用热化学法补充COCO2 2，如有些物质加热后可分，如有些物质加热后可分解出解出COCO2 2，其中碳酸盐是最好的一种。，其中碳酸盐是最好的一种。HOHOH2HCOOHOCO222激光器件与技术激光器件与技术习题：习题：1 1、类透镜效应是怎样产生的？它对激光的输出、类透镜效应是怎样产生的？它对激光的输出特性有何影响？特性有何影响？2 2、COCO2 2激光器是怎样克服瓶颈效应的？激光器是怎样克服瓶颈效应的？
