《氧化碳激光器》PPT课件.ppt

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1、,Laser Device and Technology,Email:,1964年Patel研制成第一台CO2激光器,背景,第三章 CO2激光器,Laser Device and Technology,Email:,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,Laser Device and Technology,Email:,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：9-11 m 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,Laser Device and Technology,Em

2、ail:,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,Laser Device and Technology,Email:,3-1 CO2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,Laser Device and Technology,Email:,Laser Device and Technology,Email:,（二）CO2分子的振转跃迁,CO 2分子二条最强的跃迁谱线,10.6m 0001 1000 9.6 m 0001 0200,Laser

3、Device and Technology,Email:,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(10-7 10-8s),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.,Laser Device and Technology,Email:,（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:

4、CO2*(0001)-CO2分子的激发态,2.串级跃迁激发,Laser Device and Technology,Email:,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:,Laser Device and Technology,Email:,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

5、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.,Laser Device and Technology,Email:,（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,Laser Device and Technology,Email:,第二步:

6、,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,Laser Device and Technology,Email:,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？,Laser Device and Technology,Email:,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

7、.,图2.2-3 纵向放电封离型 激光器的典型结构,Laser Device and Technology,Email:,谐振腔内两行波的传播,Laser Device and Technology,Email:,（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),Laser Device and Technology,Email:,(3.2-2),(3.2-3),有:,得:,(3.2-4),(3.2-5),由激光原理知，,Laser Device and Technology,Email:,所以,则,

8、(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),Laser Device and Technology,Email:,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),Laser Device and Technology,Email:,Laser Device and Technology,Email:,(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

9、他单程损耗为a,又可写为:,Laser Device and Technology,Email:,(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,Laser Device and Technology,Email:,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.

10、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.,Laser Device and Technology,Email:,(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.,Laser Device and Technology,Email:,(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

11、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.,Laser Device and Technology,Email:,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.,Laser Device and Technology,Email:,（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

12、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.,Laser Device and Technology,Email:,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.,Laser Device and Technology,Email:,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

13、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,Laser Device and Technology,Email:,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

14、,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.,Laser Device and Technology,Email:,（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,Laser Device and Technology,Email:,多电阻针电极放电结构形式,Laser Device and Technology,Email:,（二）TEACO2激光器的工作特性

15、,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。,Laser Device and Technology,Email:,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,Laser Device and Technology,Email:,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

16、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,Laser Device and Technology,Email:,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,Laser Device and Technology,Email:,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

17、）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,Laser Device and Technology,Email:,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,Laser Device and Technology,Email:,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.,Laser Device and Technology,Email:,3-3

18、 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。,Laser Device and Technology,Email:,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,Laser Device and Technology,Email:,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,Laser Device and Technology,Email:,跃迁过程泵浦要求电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理,Laser Device and Technology,Email:,