1、激光原理与技术激光原理与技术 主讲人：孔令浩主讲人：孔令浩光概述概述一、一、激光器的基本结构激光器的基本结构 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。激光器的基本结构n工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用源泉之所在。n泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作物质类型不同,采用的泵浦方式不同。概述n光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈。在CO2激光器中的光学谐振器由全反射镜和部分反射镜组成，光学谐振腔通常的作用：控制光束的传播方向、选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性、增加激活介质的工作长度、谐振腔的参数影响输
2、出激光束的质量。能级n1、粒子数反转（激光产生的基本条件）、粒子数反转（激光产生的基本条件）E1E2粒子数反转粒子数反转在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，发出光。能级n所有的光都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光。n光谱能被吸收后，会导致原子由低能级向高能级跃迁，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出相同频率单色光谱。激光的特点n激光与普通意义上的光源相比较激光主要有四个特点：方向性好、
3、亮度极高、单色性好、相干性好。n激光具有输出光束质量高、连续输出功率大(CO2 激光器)等输出特性,其器件结构简单,造价低廉。n输出特性输出特性气体激光器气体激光器气体和金属蒸气作为工作物质。根据气体工作物质为气体原子气体原子、气体分子气体分子或气体离子气体离子,又可将气体激光器分为原子激光器原子激光器、分子激光器分子激光器和离子激光器离子激光器。分子激光器中分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光器的典型代表是CO2 激光器。n 激励方式激励方式 气体激光器一
4、般采用气体放电激励，射频激励电能利用率高，放电稳定，可实现大面积均匀放电，因而可按增益面积比例提高器件的输出功率，使大功率器件的体积大为缩小，板条式激光器的放电面积每平方厘米功率输出1.5W到2W；射频能量可以通过介质材料进行放电。如陶瓷介质，射频电极在波导外，射频能量可以透过陶瓷介质直接馈入到激光器工作气体中去，因此激光谐振腔内减少电极溅射与污染，有助于延长激光器的寿命。n 波长范围：波长范围：气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外远红外波段。气体激光器气体激光器三、三、Co2激光器激光器 CO2 激光器是一种混合气体激光器激光器是一种混合气体激光器,CO2 为工作物质,N2、He、CO、X
5、e、H2 O、H2 与O2 等为辅助气体,其作用是提高激光器的输出功率和效率。CO2激光器的输出特性有两个显著的特点激光器的输出特性有两个显著的特点:其一是输出功率或能量相当大其一是输出功率或能量相当大,能量转换效率高。能量转换效率高。CO2 激光器连续输出功率可达数十万瓦,是所有激光器中连续输出功率最高的器件;脉冲输出能量可达数万焦,脉宽可压缩到纳秒量级,脉冲功率密度可达太瓦量级。其二是输出波长分布在其二是输出波长分布在918m波段波段,已观察到的激光谱线二百已观察到的激光谱线二百多条。多条。其中,911m红外波段中最重要的输出波长10.6m处于大气传输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气
6、通信等方面的应用,且该波长对人眼安全。CO2 激光器于激光器于1964年问世。年问世。气体激光器气体激光器 D气体成分气体成分 实验发现,当CO2 激光器中充有适量的N2、CO、Xe、Ne、H2、H2O等气体时,输出功率显著提高。而当充有Ar、N2 O等气体时,输出功率则显著下降。为提高输出功率,CO2 激光器都充有不同组分的辅助气体,主要分为含N2 组分与含CO组分两种。n 含N2 组分为CO2+N2+He+Xe+H2,n 含CO组分为CO2+CO+He+Xe,含N2 组分的输出功率要高于含CO组分。上述各种气体成分在CO2激光器中的主要作用:氮氮:N2 是CO2 激光器中最主要的辅助气体,
7、其作用主要是提高CO2 分子0001能级的激发速率,同时加快011 0能级的弛豫速率。加入适量的N2 后,能明显提高输出功率。但其含量不能太高,因总气压一定时,N2含量高,则CO2含量就相应降低,且放电时CO2 离解出的O会与N2 发生化学反应,生成N2 O和 NO,它们对CO2 分子的000 1能级有消激发作用。气体激光器气体激光器n 氦氦:在CO2+N2 混合气体中,加入适量的He(He的含量可以是CO2 的45倍)可以大幅度提高输出功率。其原因是:He原子质量轻,导热率高(其导热率比CO2和N2高约一个数量级),可有效降低工作气体温度,提高输出功率。另外He对CO2分子激光下能级100
8、0、020 0和011 0的弛豫作用远大于其对激光上能级000 1能级的弛豫作用,有利于实现粒子数反转。在高气压CO2激光器中,He的主要作用是改善气体放电的均匀性。n 氙氙:在CO2+N2+He混合气体中,加入少量的Xe,可使输出功率进一步提高约30%40%,能量转换效率提高10%15%。原因是:Xe的电离电位低,加入后可增加放电气体中的电离度,使E/N值降低(充有Xe的放电管管压降可以下降20%),从而提高激光器的效率。混合气体中Xe的含量有一最佳值,一般其分压强在107160Pa之间。Xe的含量不可过高,过高虽使电子密度增加,但电子碰撞机会也随之增加,导致电子温度下降。气体激光器气体激光
9、器n水蒸气和氢水蒸气和氢:在CO2+N2+He混合气体中再加入少量的水蒸气或H2,能提能提高器件的输出功率和使用寿命高器件的输出功率和使用寿命。原因是H2O 分子对CO2 分子激光下能级100 0以及011 0能级的弛豫速率很大,且H2O分子振动能级寿命很短,可以很快返回基态。H2 的作用与H2O 相同,因CO2 分子在放电时会离解出O,H 2 与O合成H2O。因H2 在常态下是气体,其充入量比水蒸气更易于控制,故常用H2 代替水蒸气。混合气体中,H2O和H2的含量一般在13.340Pa之间,不能过高,因为它们除对激光下能级10 0 0和011 0有很强的抽空作用外,对激光上能级00 0 1能
10、级也有显著的消激发作用。由于由于H2O和和H2能对能对CO与与O的复合起催化作用的复合起催化作用,故故能延长能延长CO2 激光器的使用寿命。激光器的使用寿命。气体激光器气体激光器封离型封离型CO2 激光器激光器所谓封离型是指工作气体与He-Ne激光器一样被封离在放电管内。这种结构的器件单位放电长度可输出的功率比流动型或气动型器件要低得多,一般输出功率都低于200W。CO2激光器的优缺点n优点：具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性。而且气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此。二氧化碳激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。n缺点：CO2激光器的转换率不高，将近一半以上的能量转换为热能
11、，使温度升高，使粒子反转数减少。气温升高，将使线铺展宽，导致增益系数下降，特别温度升高，使CO2分子的分解，降低CO2分子浓度，这些因素都会引起激光器输出功率下降光学元器件的损伤n表面损伤：镜面有疵点、划痕、包裹物（小气泡、介质杂质），在这些缺陷的地方光波电场显著加强，会发生光学击穿或故障，此外空气的浮尘、指纹和元件排出的气体残留也会对光学镜片造成污染。n损伤阈值：损伤阈值取决于材料及其洁净度。当能量密度较高时，损伤的概率就越高。二氧化碳激光器的应用n小功率CO2激光器主要应用于打标行业。n大功率CO2激光器:激光器是当今世界激光切割、焊接、表面处理等的主力光源，激光加工技术作为一种先进制造技术，解决了许多常规方法无法解决的难题，与传统的加工技术相比，激光加工有着许多独特的优点，主要表现在以下几个方面：n(1)可以对多种金属、非金属材料加工，特别是能够加工某些高硬度、脆性及高熔点的材料；n(2)由于加工所用的工具是激光束，无“刀具”磨损，加工过程中无切削力产生的不良影响；n(3)激光作用区域的功率密度很大，光束在被加工对象上的停留时间很短，因此热影响区很小，工件的热变形小，加工精度高，加工质量好；
