《氧化碳激光器》PPT课件.ppt

,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,1964年Patel研制成第一台CO2激光器,背景,第三章CO2激光器,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,纵向封离型高气压型（TEACO2）流动型（轴快流、慢流）气动型波导型,分类,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,运转方式：连续或脉冲;输出功率或能量相当大,能量转换效率效率高;(3)波长范围：9-11m其中10.6m位于大气传输的窗口；(4)人眼使用安全：400-700nm损伤,优点,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,放电激励纵向低气压激光器横向高气压激光器射频激励化学激励气动,激励机制,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,3-1CO2激光器的工作原理,（一）CO2分子的的能级结构,CO2分子的结构：线性对称排列的三原子分子三个原子排列成一条直线（分子轴）中间是碳原子两端是氧原子,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（二）CO2分子的振转跃迁,CO2分子二条最强的跃迁谱线,10.6m000110009.6m00010200,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-710-8s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争效应.由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其他谱线振荡.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（三）CO2激光器激光上能级的激发过程,1.电子直接碰撞激发,式中:CO2*(0001)-CO2分子的激发态,2.串级跃迁激发,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,3.共振转移激发,在CO2中掺有N2(氮)和CO,它们被电子碰撞激发到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移给CO2基态,使CO2跃迁到0001能级.,N2分子:,CO分子:,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,4.复合过程,放电过程中,有部分CO2分子会分解成CO和O,同时也存在CO和O的复合过程,在复合时,把原来分解时所需要的能重新释放出来,使CO2分子激发到0001能级.这个过程比前三个过程起的作用小得多.,被激发到激光上能级(0001)的CO2分子,除了受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使其衰减.我们把后者引起的衰减称为消激发.引起消激发的主要原因:碰撞和扩散.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（四）CO2激光器激光下能级的弛豫,由于CO2分子激光下能级1000和0200的辐射寿命很长,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数.为尽快抽空下能级,必须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程分为两步进行:,第一步:1000和0200能级的驰豫,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,第二步:,实验发现,CO2激光下能级的“抽空”主要是靠气体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞.所以放电管直径的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光器更是如此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那样一定要用很细的毛细管.,0110能级的驰豫,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,思考题:二氧化碳激光器中充入He气和N2气的作用分别是什么？二氧化碳激光器的“瓶颈效应”指什么？怎么克服？,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,3-2纵向放电激励的CO2激光器,（一）器件结构,尽管结构形式各异,但一般都是由工作气体,放电管,谐振腔和电源所组成.,图2.2-3纵向放电封离型激光器的典型结构,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,谐振腔内两行波的传播,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（二）输出功率及其影响因素,1.输出功率,设:-驻波场中两列相反方向传播的行波的光强.-归一化光强-谐振腔的两反射镜-反射率,(3.2-1),LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,(3.2-2),(3.2-3),有:,得:,(3.2-4),(3.2-5),由激光原理知，,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,所以,则,(3.2-7),将(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),LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,将上式积分得,(3.2-10),同理得,(3.2-11),将(3.2-10)和(3.2-11)两式相加,并将(3.2-1),(3.2-7)和(3.2-8)式代入和式中,可得,(3.2-12),LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,(3.2.2-13),于是激光输出功率可表示为,除透射损耗外,腔内其他单程损耗为a,又可写为:,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,(3.2-14),2.影响输出功率的几个重要因素,放电管的长度和内径长度:内径:影响不大,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,气体成分和气压CO2激光器中含有适量N2,CO,He,Xe,Ne,H2,H2O等气体时,能显著提高输出功率,而含有Ar,N2O时,能大大降低激光器的输出功率.含N2组份主要充入CO2+N2+He+Xe+H2含CO组份主要充入CO2+CO+He+Xe增加总气压可增加产生激光的分子数目,所以总气压升高应该增加输出功率,总气压存在最佳值.最佳气压与放电管内径有关,粗管的最佳总气压比细管的低.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,(3)放电电流,放电电流也有最佳值,电流升高,放电管内的电子数目增多,可以激发更多的反转粒子数,但电子过多又会因碰撞消激发而使反转粒子数减少.,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.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,(4)温度,温度升高引起输出功率下降的三点原因:温度升高后,激光上能级的消激发速率增加,而激光下能级由于热激发则会使粒子数增多,两者都导致粒子反转数降低.气体温度升高后,谱线宽随之增宽,增益系数下降.,气体温度升高还会造成CO2分子分解,导致放电管内CO2分子浓度降低.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,冷却的方法:,冷却激光管壁流动气体法,(5)谐振腔,振荡模的体积要尽量大,最理想的情况是振荡模的体积与等离子体的体积相等.对应最大输出,存在最佳透过率.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（三）器件寿命,影响封离型CO2激光器寿命,有个重要的因素是CO2分子在工作过程中发生离解.离解后的O2仅有小部分能与CO在复合成CO2,大部分在阴极表面与金属材料形成化合物或与N2分子结合成N2O化合物,而这些化合物都比较稳定.因此,随着放电的不断进行,CO2分子浓度越来越低,激光输出则越来越小,使器件寿命明显降低.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,为了提高器件寿命,要设法减小氧的损失:一是选择合适的放电管材料和电极材料,减小对氧的吸收和限制氧化物的生成;（Ni作阴极等）二是加入适当的辅助气体,“催化”CO与O2复合成CO2的过程.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,小结：,CO2激光器的工作原理一、CO2分子的的能级结构四能级系统二、CO2分子的振转跃迁三、CO2激光器激光上能级的激发过程（3种+1复合）四、CO2激光器激光下能级的弛豫（2步）纵向放电激励的CO2激光器一、器件结构二、输出功率及其影响因素5方面主要因素：气体成分与气压、放电电流、温度、毛细管尺寸（l、d）、谐振腔模体积三、器件寿命,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,3-3横向放电激励的高气压CO2激光器（简称TEACO2激光器）,TEACO2激光器1969年问世。由于其工作气压高，若仍采用纵向放电激励，则由于pl值大,势必要求端电压V很高.为避免电压过高产生的诸多麻烦,采用横向放电激励方式，横向放电激励,可以大大减小两极间的间距。但由于极间距较短,放电面积较大,不易保证在整个放电面积都能获得均匀辉光放电,局部区域会出现弧光放电现象,影响器件正常工作。,如何获得大面积均匀放电成为TEACO2激光器的关键技术.本节将重点讨论.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（一）TEACO2激光器的均匀放电技术,为得到均匀放电,采取措施:合理设计放电电极和采用多组电极放电采用快速放电技术采用预电离技术双放电法紫外线预电离电子束预电离射频放电加入合适的气体：He,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,多电阻针电极放电结构形式,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,（二）TEACO2激光器的工作特性,问题：为什么纵向封离型C02激光器的输出功率对应有最佳充气总气压Popt，而TEACO2激光器的输出功率却在高气压下有显著提高？,答案：TEACO2激光器以脉冲方式运转。纵向封离型C02激光器连续运转。,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,1.气体成分及充气压对输出能量的影响,图3.2-4总气压对输出的影响,图3.2-5气压比对输出的影响,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,高气压CO2激光器常充入CO2,N2,He,在双放电预电离和电子束预电离激光器中,有时可不用He.各种气体的比例及总气压存在最佳值,最佳值与预电离方式和输入能量有关.,2.储能电容对输出能量的影响,图2.2-6输出能量随储能电容的变化关系,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,输入能量由储能电容量和充电电压确定.在激光器的结构与充气条件一定时,激光器存在一个允许的最大能量.输入能量太低,激励不足,输入能量过大,均匀放电被破坏,反使激光输出下降.,3.工作电压对输出能量的影响,总气压越高,工作范围越窄.,图3.2-7输出能量随工作电压的变化关系,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,其它条件不变情况下,只改变N2气的比例时,脉冲波形的尾部拖得很长.,（a）纯CO2的情况（b）C02：N2=1：1（c）C02：N2=1：4图3.2-8不同N2比例的激光脉冲波形,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,本章小结,主要气体激光器He-Ne激光器CO2激光器He-Ne激光器结构工作原理输出特性结构CO2激光器工作原理激励机制纵向放电激励横向放电激励,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,习题与思考题,请回答,1.了解气体激光器的基本结构.,2.比较主要气体激光器的工作原理.,3.简述各气体激光器的输出特性.,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,3-3其它气体激光器（补充内容）,Ar+激光器,1、器件特点：（1）工作波长：可见光波段主要波长：514.5nm，绿光488nm，蓝光（2）运转方式：连续（3）输出功率：一般几瓦几十瓦，最高达几百瓦，是可见光区连续输出功率最高的器件。,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,2、能级结构,激发过程：3种1、一步过程：2、二步过程：3、串级激发过程：,激光机理弧光放电,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,3-4准分子激光器,准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（Excimer）高重复率可调谐量子效率高波长短，紫外到可见区,主要的准分子激光器,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,跃迁过程泵浦要求电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理,LaserDeviceandTechnology,Email:xiaoyunliu0420;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn:icedox,