二氧化碳激光器簡介PPT

1、二氧化碳激光器,4.1 C02激光器的工作原理 C02分子內(nèi)能包括： 電子內(nèi)能分子中原子間的振動能級 分子的整體轉(zhuǎn)動能級 1 二氧化碳分子振轉(zhuǎn)能級結(jié)構(gòu) 振動能級： 對稱振動 V1 彎曲振動 V2 （角量子數(shù) l） 反對稱振動 V3 轉(zhuǎn)動能級： 轉(zhuǎn)動量子數(shù) J : J=l,l+1,l+2.,2 二氧化碳激光器的激發(fā)機理 能級躍遷圖：,上能級的激發(fā) 下能級的激發(fā) 弛豫過程 輔助氣體 N2 CO He Xe H2 H2O 轉(zhuǎn)動能級的競爭效應(yīng),2.1 激光上能級的激發(fā) 1）電子直接碰撞激發(fā)： CO2（0000）+e CO2（0001）+e 2）串級激發(fā)： CO2（0000）+e CO2（000v3）+

2、e CO2（000v3）+ CO2（0000） CO2（000v31）+ CO2（0001） 3）共振轉(zhuǎn)移激發(fā) N2*（v1，2，3。）+ CO2（ 0000） N2(v0)+ CO2*（000v31，2，3。）+E CO*（v1）+ CO2（ 0000） CO(v0)+ CO2*（0001）+E 4）復(fù)合激發(fā) COO CO2（0001）+E,2.2 激光下能級的激發(fā) 1）電子碰撞激發(fā) 直接激發(fā) CO2（0000）+e CO2（1000）+e 逐級激發(fā) CO2（0000）+e CO2（0110）+e CO2（0110）+e CO2（1000）+e 2）串級激發(fā) 高能級的粒子輻射躍遷或馳豫碰撞到

3、1000或0200能級 3）分子碰撞激發(fā) CO2（0110）+ CO2（0110） CO2（1000）+ CO2（0000） E 4）費米共振激發(fā) CO2（0200） CO2（1000） E,3 二氧化碳激光器馳豫過程 1）激光上能級的馳豫 分 體積馳豫 和 管壁馳豫，馳豫速率與氣壓有關(guān)，體積馳豫還與輔助氣體種類及其氣壓有關(guān) 2）激光下能級的馳豫 第一步 1000和0200能級的分子與基態(tài)分子碰撞，二者都會馳豫到0110振動能級 CO2（1000）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0110)+ 52cm-1 CO2（0200）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0110)-50cm-1

4、其他氣體與CO2分子的碰撞也能使CO2（1000）馳豫到CO2 (0110)。這個過程進行的速度很快。 第二步 馳豫到0110能級的CO2分子與基態(tài)CO2分子及其他氣體分子碰撞馳豫到基態(tài)。 CO2（0110）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0000)+ 667cm-1 CO2（0110）+ M CO2 (0000)+ M+E,此馳豫存在瓶頸效應(yīng)： 當(dāng)CO2激光器中不加其他氣體，只靠CO2分子之間的碰撞時，1000馳豫到0110的速率比從0110馳豫到0000的速率高得多，因此0110能級上的粒子將被堆積起來，而第一步過程是可逆的，這會使得1000和0200能級上的粒子數(shù)增加，造成反轉(zhuǎn)粒子

5、數(shù)下降。,4 輔助氣體 N2： 增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率,還能增加0110能級的馳豫速率 CO：增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率，還能增加0110能級的馳豫速率，但太高時會使0001能級消激發(fā) He：1 降低工作氣體的溫度，增加輸出功率 2 He對激光下能級的馳豫作用比對激光能級的馳豫作用影響大得多，這有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即有利于提高輸出功率 3 緩沖CO2向管壁擴散，減少0001態(tài)CO2分子與管壁的碰撞消激發(fā)作用,Xe：增加放電氣體中的電離度，使得電子平均能量降低，從而提高激光器的效率 H2： H2O：提高器件的輸出功率，并且延長器件壽命 Ar：降低管內(nèi)電子溫度，有利于上能級激

6、發(fā)，但導(dǎo)熱率不如He,4.2 普通CO2激光器的工作特性和輸出特性 1 電子溫度 E/N范圍：1016 1015 Vcm2 E/N小，電子轉(zhuǎn)換效率高，但放電管難以著火 E/N大，能量大多轉(zhuǎn)換給電子的激發(fā)態(tài)，電子轉(zhuǎn)換效率低 2 增益 1）放電電流的影響：存在最佳值 2）管壁溫度的影響：封離型增益隨管壁溫度上升而下降 流動型增益與管壁溫度無關(guān) 3）氣壓 存在最佳氣壓值,4） 管徑的影響 封離型增益隨管徑D增大略有下降 流動型增益隨D增大很快減小 5） 增益的徑向分布 按零階貝賽爾函數(shù)分布 3 輸出功率 影響輸出功率的因素： a）注入功率的影響 是量子效率 是管內(nèi)允許氣體溫度增加的最大值,b）放電管

7、尺寸的影響 放電管長度：PW=KL 功率隨放電管長度增加而增加 放電管徑： 譜線為非均勻增寬時，總輸出功率與放電管直徑無關(guān) 譜線為均勻增寬時，總輸出功率隨管徑增大而增大 C）放電參數(shù)的影響 存在最佳放電電流 總氣壓也存在最佳值 D）氣體溫度的影響 PW=AT-3/2 溫度影響的原因： 1. 溫度升高使下能級粒子數(shù)增多，上能級消激發(fā)增大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，輸出功率下降,2.隨氣壓的增高，線寬加大，輸出功率下降 3.溫度升高增加了CO2分子的分解，輸出功率下降 降低溫度采用冷卻措施：擴散冷卻 對流冷卻 4 輸出譜線 轉(zhuǎn)動能級的競爭效應(yīng),4.3 普通CO2激光器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 1 結(jié)構(gòu) 電極 放電管 儲

8、氣管 回氣管 冷卻水管 諧振腔鏡 2 小型CO2激光器的設(shè)計 針對小型封離型CO2激光器,1）確定諧振腔的主要尺寸 放電管長度： lPW/W0 總長度 L=l2l l 為總長的515 一般采用大曲率平凹腔，凹面鏡的曲率半徑為 R=2 3L 放電管直徑D： 針對基橫模運行，D=3凹 多模輸出，D4凹 2) 確定諧振腔的參數(shù) 總損耗 mmn,由經(jīng)驗表達式算出G0和Is 再由 計算最佳耦合時輸出鏡的透過率 4.4 高功率CO2激光器 1 高功率CO2激光器特點 工作氣體快速冷卻 大體積放電的均勻性與穩(wěn)定性 放電激勵技術(shù)多樣化 提高工作氣體壓力以提高激光功率 設(shè)計最佳放電E/N值 優(yōu)良的光束質(zhì)量 優(yōu)良

9、的紅外光學(xué)元件 能連續(xù)輸出又能脈沖輸出,2 軸快流CO2激光器 氣流方向與激光束輸出方向一致 結(jié)構(gòu)：風(fēng)機的選擇：羅茨風(fēng)機 渦輪風(fēng)機 熱交換器 湍流發(fā)生器 工作特性： 3 橫流高功率CO2激光器 放電方向 氣流方向 激光束輸出方向互相垂直,4.5 橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA） 1 特點 工作氣壓高 采用橫向激勵方式 電極面積大 施用預(yù)電離技術(shù) 2 常用的TEA CO2激光器結(jié)構(gòu) 1） 針板TEA CO2激光器 結(jié)構(gòu)比較簡單，易實現(xiàn)均勻激勵，效率不高，光束質(zhì)量不太好 2） 雙放電TEA CO2激光器 陰陽極之間加了一個預(yù)電離電極 3）紫外光預(yù)電離TEA CO2激光器 4）電子束預(yù)電離TEA

10、 CO2激光器,3 TEA CO2激光器的工作特性 1）增益開關(guān)效應(yīng) 激光器的光脈沖輸出是由于腔內(nèi)高增益的迅速建立而形成的 2）激光脈沖的瞬時特性 兩個峰值： 一個由電子直接碰撞激發(fā)形成 一個由N2分子激發(fā)形成 3)輸出能量與激勵能量的關(guān)系 呈線性關(guān)系，注入能量過大會出現(xiàn)弧光放電等不穩(wěn)定現(xiàn)象 4）輸出能量，脈沖功率與氣壓的關(guān)系 輸出能量隨氣壓增高而增高 脈沖寬度隨氣壓增高而減小 5）光束質(zhì)量 由于存在各種不均勻性，光束質(zhì)量不如CO2普通激光器好,4.6 高功率CO2激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 諧振腔的設(shè)計 光橋 鏡子支承座 光橋托 2 放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 橫流電激勵： 1）針板式放電結(jié)構(gòu) 陰

11、極：錸鎢針 串接鎮(zhèn)流電阻r與R 陽極：紫銅板 邊緣倒圓 放電區(qū)氣流風(fēng)道：與振蕩模體積和風(fēng)機能力有關(guān) 喉道的設(shè)計 陰陽極間距離,提高工作氣壓的好處： 1 輸出功率隨氣壓增大而增大 2 不純氣體比相應(yīng)減小，有利于長時間運行 3 氣壓增加，碰撞引起譜線加寬，減小縱模平移的影響 4 氣體質(zhì)量流量隨氣壓增大而增大，有利于風(fēng)機的正常工作，同時氣體溫度不易上升 2）管板式放電結(jié)構(gòu) 陰極： 放置位置： 氣流上游前沿與陽極前沿對齊 與導(dǎo)流板之間必須留有足夠的空隙 應(yīng)置于喉道漸縮段內(nèi) 壽命：與管徑大小有關(guān)，管徑小壽命長 材料：無氧銅 水冷鎳陰極,陽極： 條形，兩端圓弧過渡，紫銅制造 輔助陽極 陽極長度不匹配： 電極縮短，抑制瞬間飛弧的進一步擴展，在工作氣質(zhì)變劣時也能穩(wěn)定放電 電極過短，特別氣質(zhì)變劣情況下，異常輝光放電區(qū)變大 陽極的絕緣處理 氣流風(fēng)道極間距離的確定：,4.7