9.2 氣體激光器.ppt

1、1,氣 體 激 光 器,2,9.2 氣體激光器,工作物質(zhì)：氣體或蒸汽 優(yōu)點(diǎn)： 1.光束方向性好。由于工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性遠(yuǎn)比固體好，易于獲得衍射極限的高斯光束， 2.單色性好。氣體工作物質(zhì)的譜線寬度遠(yuǎn)比固體小，激光的單色性好。,缺點(diǎn)：體積比較大。 由于氣體的激活粒子密度較固體小，需要較大體積的工作物質(zhì)才能獲得足夠的功率輸出。,3,泵浦方式：以氣體放電形式為主，還可采用化學(xué)泵浦、熱泵浦及核泵浦等方式。,注意,氣體工作物質(zhì)吸收譜線寬度小，不宜采用光源泵浦， 通常采用氣體放電泵浦方式；在放電過(guò)程中，受電 場(chǎng)加速而獲得了足夠動(dòng)能的電子與粒子碰撞時(shí)，將 粒子激發(fā)到高能態(tài)，因而在其一對(duì)能級(jí)間形成了集 居數(shù)

2、反轉(zhuǎn)分布。,4,9.2.1 He-Ne氣體激光器,HeNe激光器是最早研制成功的氣體激光器。在可見(jiàn)及紅外波段產(chǎn)生多條激光譜線，其中最強(qiáng)的是6328nm、1150nm 和3390nm 。在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測(cè)量、精密計(jì)量等方面廣泛應(yīng)用。,5,6,1.工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu),1）電子直接碰撞激發(fā); 2）共振能量轉(zhuǎn)移; 3）串聯(lián)激發(fā); 4）復(fù)合激發(fā); 3.譜線競(jìng)爭(zhēng)與選擇.,7,2.激勵(lì)機(jī)制,1）電子直接碰撞激發(fā)：快速電子與Ne 原子發(fā)生非彈性碰撞，使得Ne 原子直接被激發(fā)到2S、3S能級(jí)。 2）共振能量轉(zhuǎn)移： 由于He(23s1和 21s0）兩能級(jí)與Ne(2s、3s)兩能級(jí)的能量非常接近，兩者碰撞很

3、容易發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，加之前兩者都是亞穩(wěn)態(tài)，電子碰撞截面大，為選擇激發(fā)Ne至2s、3s能級(jí)提供了有利條件。,8,3）串聯(lián)激發(fā)：高能級(jí)的Ne與低能級(jí)的Ne相碰撞而實(shí)現(xiàn)互換。 4）復(fù)合激發(fā)：這過(guò)程是Ne離子首先與He、Ne原子三體碰撞形成分子離子，然后再與電子碰撞獲得激發(fā)態(tài)Ne的過(guò)程。在高氣壓脈沖工作的HeNe激光器中這一過(guò)程較明顯，而在普通直流激勵(lì)器件中它不重要。,9,3.譜線競(jìng)爭(zhēng)與選擇： 三條最強(qiáng)的譜線之間存在競(jìng)爭(zhēng) 3S2 3P4: 3.39 3S2 2P4: 632.8 nm 2S2 2P4: 1.15 為獲得較強(qiáng)的632.8nm激光輸出，可采用下述方法抑制3.39um輻射的產(chǎn)生：,1）借助腔內(nèi)

4、棱鏡色散使3.39um激光不能起振; 2）腔內(nèi)插入對(duì)3.39um波長(zhǎng)的光吸收的元件； 3）借助軸向非均勻磁場(chǎng)，使3.39um譜線加寬，從 而使其增益下降。,10,11,4.放電參數(shù)對(duì)輸出功率的影響,1）P0不隨放電電流單調(diào)上升，存在一個(gè)最佳值。這是因?yàn)樵诜烹姽苤型瑫r(shí)存在激發(fā)和消激發(fā)過(guò)程。 第一項(xiàng)為電子碰撞激發(fā)過(guò)程；第二項(xiàng)為與管壁碰撞及共振能量轉(zhuǎn)移引起的消激發(fā)過(guò)程；第三項(xiàng)對(duì)應(yīng)于電子與亞穩(wěn)態(tài)原子碰撞回歸到基態(tài)的消激發(fā)過(guò)程。,12,632.8nm譜線凈增益G隨放電電流I的變化,13,3.39um 譜線增益G隨放電電流變化,14,15,2） P0不隨氣壓?jiǎn)握{(diào)上升，而是存在一個(gè)最佳氣壓值。 如果氣壓比大

5、，最佳總氣壓也大。在總氣壓不變的情況下，最佳氣壓比隨放電管直徑的增大面直線下降，氣壓比對(duì)輸出功率主要從電子溫度和激光物質(zhì)的密度兩方面來(lái)產(chǎn)生影響。 選擇合理的氣壓比，使管內(nèi)既有足夠多的激光物質(zhì)又使電子處于最佳激發(fā)狀態(tài)。倘若總氣壓不變，增大放電管管徑D，管內(nèi)會(huì)因帶電粒子復(fù)合減少。軸向電場(chǎng)E減小，電子溫度減低。此時(shí)，管內(nèi)只有降低氣壓比，才能使這樣的電子具有最佳激發(fā)。通常氣壓比為PHePNe510。,16,輸出功率W與總氣壓P 的關(guān)系,17,9.2.2 氬離子激光器,利用氣體放電管使管內(nèi)惰性氣體原子氬原子電離并激發(fā)，從而在激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。 波長(zhǎng)為可見(jiàn)光，以488nm和514.

6、5nm為主，共產(chǎn)生9條譜線。 是可見(jiàn)光中輸出功率最高的一種器件。最高可達(dá)500W。 應(yīng)用：拉曼光譜、超快技術(shù)、泵浦染料激光器、全息、非線性光學(xué)等前沿領(lǐng)域。,18,1.氬離子的躍遷方式,三種躍遷方式： 基態(tài)氬離子與電子碰撞后直接躍到4P能級(jí)。 基態(tài)氬離子與電子碰撞后躍到高于4P的能級(jí)，再通過(guò)級(jí)聯(lián)輻射躍到4P能級(jí)。 基態(tài)氬離子與電子碰撞后躍到低于4P的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，再次碰撞后躍到4P。,3P5,19,2. 高功率水冷氬離子激光器,20,3.影響輸出功率的因素,1）放電電流：有一個(gè)最佳值。,21,2）充氣氣壓的影響：氣壓越大，氣體密度越大，參與激光反轉(zhuǎn)的離子數(shù)增多，輸出功率會(huì)增加。但過(guò)高會(huì)使管壁復(fù)合減

7、少，空間電離度增大，減少反轉(zhuǎn)離子數(shù)。,22,3）磁場(chǎng)的影響。軸向磁場(chǎng)有利于提高功率、效率和延長(zhǎng)壽命，但磁場(chǎng)會(huì)使得譜線加寬（塞曼效應(yīng)），導(dǎo)致增益下降，輸出功率下降，因此應(yīng)該選擇最佳值。,23,4.提高輸出功率的方法,1）增大放電管的直徑?，F(xiàn)在一般不過(guò)10mm。 2）增加氣壓半徑積（PR）。 3）采用新型陽(yáng)極：如難熔的鎢或鎢的合金，使得發(fā)射的電子中含有較多的高能電子。 5. 氬離子激光器的缺點(diǎn)： 耗水、耗電很?chē)?yán)重；體積大。,24,9.2.3 CO2激光器,主要特點(diǎn)： 輸出波長(zhǎng)10.6um恰好位于大氣的低損耗窗口；光束質(zhì)量好；輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，廣泛應(yīng)用于高功率激光工業(yè)加工中。 工作物質(zhì)：

8、CO2: 激活氣體； N2 : 輔助氣體，提高上能級(jí)的激勵(lì)效率； He氣：輔助氣體，有助于下能級(jí)的排空。,25,工作物質(zhì)基態(tài)能級(jí)與激光躍遷：,26,CO2分子的三種振動(dòng)方式： v1、v2、v3分別是三種振動(dòng)方式的量子數(shù)。,27,3. CO2分子的三種激勵(lì)方式： a.直接與電子碰撞激發(fā); b.級(jí)（串）聯(lián)激發(fā)； c.共振能量轉(zhuǎn)移：發(fā)生在很接近的能級(jí)之間。,28,4.光譜競(jìng)爭(zhēng)與選擇： 1000：產(chǎn)生10.6um的激光，幾率大； 0001 0200：產(chǎn)生9.6um的激光。 兩譜線具有共同的 上能級(jí)，存在競(jìng)爭(zhēng)， 結(jié)果是9.6um的激光 被抑制。為了實(shí)現(xiàn) 9.6um的激光輸出， 必須在腔內(nèi)插入選 擇波長(zhǎng)的

9、元件。,部分,29,5.兩種常見(jiàn)的CO2激光器 1）縱向慢流CO2激光器 此類激光器的氣體和電子流動(dòng)方法均與激光器共光軸，但方向相反。,30,3500W 板條式擴(kuò)散冷卻CO2激光器/20000W 快速縱流射頻CO2激光器六軸聯(lián)動(dòng)激光三維加工系統(tǒng),31,2）橫向激勵(lì)高氣壓CO2激光器（TEA CO2激光器) 這類激光器內(nèi)氣壓很高，放電方向與激光光軸相垂直。這種激光器是脈沖激光器，其輸出的脈沖峰值功率可達(dá)1012w，每個(gè)脈沖能量為數(shù)千焦耳，是氣體激光器在高功率和大能量方面與固體激光器競(jìng)爭(zhēng)的最有希望的器件。在激光核聚變、分離同位素、光泵遠(yuǎn)紅外激光器以及激光化學(xué)等方面的研究中有著極重要的應(yīng)用。,32,33,34,9000W 橫流CO2激光器(以色列),35,2500W CO2激光器及四軸加工機(jī),36,1000W CO2激光器及三軸加工機(jī),37,6000W CO2激光器加工系統(tǒng),38,9.2.4 準(zhǔn)分子激光器,準(zhǔn)分子：是一種在激發(fā)態(tài)結(jié)合為分子，在基態(tài)解離為原子的不穩(wěn)定締合物。它可由同類分子或異類分子構(gòu)成。,39,1.準(zhǔn)分子的能級(jí)圖 激光下能級(jí)連續(xù) 變化，因此激光波長(zhǎng) 可以連續(xù)調(diào)諧。 2.準(zhǔn)分子激光器的激勵(lì)方式： 普遍采用電