• 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。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
• 输出特性
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、气体分子或气体离子,又可将气
体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
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。
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概述
• 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出激光 束的质量。
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• 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107～ 160Pa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。
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• 激励方式 气体激光器一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。
能级 • 1、粒子数反转（激光产生的基本条件）
E2
粒子数反转
E1
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。
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• 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。
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气体激光器 三、Co2激光器 CO2 激光器是一种混合气体激光器, CO2 为工作物质, 是提高N2激、光H器e、的C输O出、功Xe率、和H2效O率、。H2 与O2 等为辅助气体,其作用 CO2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,能量转换效率高。 续输出CO功2率激最光高器的连器续件输;脉出冲功输率出可能达量数可十达万数瓦万,是焦所,脉有宽激可光压器缩中到连 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9～18μm波段,已观察到的激光谱线二百多 条。 其中,9～11μm红外波段中最重要的输出波长10.6μm处于大气传 输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用, 且该波长对人眼安全。二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
能级
• 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。
• 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。
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激光的特点
• 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、 亮度极高、单色性好、相干性好。
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:N2 是CO2 激光器中最主要的辅助气体,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能级有消二氧激化碳发激光作器原用理及。光学镜片的损伤
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Hale Waihona Puke 气体激光器• 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 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13.3～40Pa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能级也有显著的消激发作用。 由于H2O和H2能对CO与O的复合起催化作用,故能延长CO2 激光器的使用寿命。
激光原理与技术
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光
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概述
一、 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三部分构 成。
激光器的基本结构
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。 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。
气体激光器 D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。 • 含N2 组分为CO2 +N2 +He+Xe+H2 , • 含CO组分为CO2 +CO+He+Xe,
气体激光器
• 氦:在CO2 +N2 混合气体中,加入适量的He(He的含量可以是 CO2 的4～5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 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。