+ Ar 3P 6） e → Ar（3P 5） 2e′ + + （ + Ar（3P 4 ns） e′(n = 4,5) + + + 5 4 Ar（3P ） e → Ar（3P nd） e′(n = 3, 4) + + Ar（3P 4 4p） e′ + +
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b、“一步过程”
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二、工作物质 1、物理特性 激光器对工作物质的物理特性有下列要求： （1）宽的吸收带和大的吸收系数 ⇒ 提高抽运速率 （2）高的荧光量子效率 发射荧光光子数 ηF = 吸收光子数 优质红宝石ηF = 0.7，一般0.5左右 钕玻璃ηF ≈ 0.4
5 2 2
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He-Ne激光器的主要谱线 3s → 2p λ1 = 0.6328µ m(应用广泛，在可见光 -3 −1 波段，10 cm ) （最强） 2 s → 2 p λ2 = 1.152 µ m −1 3s → 3 p λ = 3.39 µ m （谱线较强，增益0.1cm ） 3
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He-Ne激光器的输出谱线：
λ1 = 0.6328µ m 3s2 → 2 p4 λ2 = 1.52µ m 2 s2 → 2 p4 3s → 3 p λ3 = 3.39 µ m 2 4 λ1和λ3有共同的激光上能级，且3.39µ m
激光的增益要大于0.6328µ m的增益，为了 抑制λ3谱线的产生，可以通过镀膜来实现， 使得反射镜对0.6328µ m有较高的反射率。
一、概述 1961年，发明He-Ne激光器。 He,Ne,Ar,Kr,Xe等惰性气体 原子气体激光器 金属原子蒸汽（铜、锡） CO,N 2 ,O 2 ,CO 2 , 水蒸气 气体激光器 分子气体激光器 * 准分子激光器XeCl 惰性气体离子（A + 激光器） r 离子气体激光器 金属蒸汽离子
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1、工作原理 激光输出的能级为电子基态的振动-转动能级间的跃迁。 振动方式： a.对称振动（υ1） 图（6-1-7b） b.反对称振动（υ3） 图（6-1-7d） c.形变振动（υ ） 2 （弯曲振动） 图（6-1-7c）
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5 其中：s ( 3P 4 4 s ) → 3P（基态）辐射70nm真空紫外光 4
4 P ( 3P 4 4 P ) → 3P 4 4 s
可见光
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激发过程： a、二步过程 高气压放电过程
+ +
Ar原子与电子碰撞形成Ar ，Ar 再与电子 碰撞被激发到高能级。
1 S 基态： 0
考虑：（1）1s2 2s2 2 p 5 3s情况 2 p 5 ⇔ 一个p电子 2 p 5是满壳层缺失一个p电子，p 5的轨道角动量、 2 自旋角动量以及总角动量与一个p电子的相同。 这就相当于一个2p电子和一个3s电子耦合。
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1 1 2p 电子 l1 = 1, s1 = 3s电子 l2 = 0, s2 = 2 2 L − S 耦合 L = l1 + l2 , l1 + l2 − 1,..., l1 − l2 L = 1, S = 0,1
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激发过程 Xe+e → Xe +e ∗ 表示激发态 * * Xe +2Xe → Xe 2 +Xe+∆Ε * Xe 2 → Xe+Xe + hυ
* '
Xe准分子激光波长0.173µ m
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对于稀有气体卤化物准分子激光器，以Xe和F2为例 Xe+e → Xe* +e' Xe* +F2 → Xe*F+F+∆Ε XeF* → Xe+F +hυ 因为准分子寿命比较短，一般做成的激光器都是在 脉冲条件下工作的。
1 单态（s=0）p1
J =1 J =0,1,2
三重态（s=1) p0,1,2
3
将这四个态记为1s态。
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同理1s2 2s2 2 p 5 4s及1s2 2s2 2 p 5 5s...均有四个能级 记为2s和3s态 （2） 1s 2s 2 p 3p情况
5 2 2
相当于一个2p 电子和一个3p 电子耦合 1 2p 电子 l1 = 1, s1 = 2 1 3p 电子 l2 = 1, s2 = 2 L = 0,1, 2 S =0，1
He-Ne
10 cm
−4
15
−3 −3
2）上能级寿命较长10 ∼ 10 s 而气体激光器上能级寿命一般很短 He-Ne的上能级寿命为10−8 ∼ 10−7 s
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（2）尺寸小，结构紧凑，机械强度好，使用方便 （3）能量转换环节多，效率低，只有百分之几。 激光棒（工作物质） 激励光源 基本组成 聚光器 谐振腔
CO2分子的振动状态用（υ1、υ 、υ3）表示。
l 2
（l用来区分形变振动的两种振动形式） CO2分子除了振动还有 转动，转动量子数用 J表示。 转动跃迁的选择定则： ∆J =J 上 − J 下 = 0， 1 ± ∆J =-1，P支跃迁，∆J =+1R支跃迁； ∆J =0，Q支跃迁
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1
3
2）处于上能级的He原子与Ne原子发生非弹 性碰撞将能量传递给Ne原子，从而使Ne原子激 发到上能级（2S、3S），He原子则回到基态。 He∗ (2 3 S1 ) + Ne → Ne∗(2S)+He+∆Ε(0.039ev) ∗ 1 He (2 S0 ) + Ne → Ne∗(3S)+He+∆Ε(0.048ev) （上能级2s、s粒子跃迁到下能级2 p、p产生激光） 3 3
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四、其他几种气体激光器 1.氩离子激光器 输出波长488nm和514.5nm 能量转换效率很低，10-4 ∼ 10−5 范围
5 基态： 2 S 2 P 3S 3P → 1S 2 2 S 2 2 P 6 3S 2 3P（Ar +） 1S 2 2 6 2 6 电离
Ar +的激发态：P 4 3d ,3P 4 4 s,3P 4 4 P,3P 4 4d , P 4 5s 3 3
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3）形成粒子数反转产生激光 a.1s, 2s,3s以及He的2 S0，2 S1是亚稳态， 能级寿命长，可以积累大量粒子。 b.2p,3p能级寿命很短
1 3
4） 2 p、p上粒子再通过自发辐射跃迁到1s 3 5) 1s上粒子通过与管壁碰撞回到基态
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(2)辅助气体对输出功率的影响 N 2 ——起传递能量的作用 He ——提高输出功率，适量加入，提高5 ∼ 10倍 Xe ——提高输出功率30%与转换效率10% H 2 ——延长激光器寿命的作用 CO2 : N 2 : He : Xe : H 2 = 1: (1.5 − 2) : (6 − 8) : 0.5 : 0.1
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氩离子激光器的结构：
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2、准分子激光器 以惰性气体Xe为例，一般情况下，Xe不能形成 分子，只能以原子形式存在。在外界的激励下，处于 激发态的Xe原子，可以与另一个Xe原子暂时结合在一 起，寿命只有几十纳秒，称为准分子。
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这种准分子的激发寿命在10-8 ns量级，基态寿命 更短10-13 s，或者说，准分子基态上基本没有粒子 ，这样在激发态和基态之间很容易形成粒子数反 转。所以这种激光器具有较高的量子效率，净效 率可达10 ∼ 15%
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三、CO2激光器 CO2激光器属于分子气体激光器，广泛应用于金属切割。 优点： （1）有比较大的功率和较高的能量转换效率（一般的CO2 激光器可以做到几十瓦的连续输出，最高的气动CO2激光 器可以达到几十万瓦的连续输出，它的能量转换效率可达 30 ∼ 40%。） （2）输出谱线很丰富，在10µ m附近有几十条。 （3）输出波段正好是大气窗口（大气的吸收率比较低）
5 2 2
1s2 2s2 2 p 5 3p 1s2 2s2 2 p 5 4s 1s2 2s2 2 p 5 4p 1s2 2s2 2 p 5 5s
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满壳层结构的基态1s2 2s2 2 p 6恰好形成一个 封闭的壳层，称为原子实。 原子实的轨道角动量、自旋角动量以及总角 动量均等于0
低气压放电过程
+ Ar 3P 6） e → Ar（3P 4 4P）+2e' （ +
一般情况下，低气压放电过程中，一步激发 占主导地位，高气压放电过程中，二步过程 为主。为什么？？
低气压环境中，气体分子的密度小，平均自由程 较大，电子可以被加速到较大速度，能量高，所 以可以“一步到位”。而高气压环境中，气体分 子的密度大，平均自由程较小，电子还没有加速 到较大速度就与气体分子发生碰撞，所以能量小， 需两次碰撞才能完成激发过程。
三、He-Ne激光器 1、He-Ne激光器的结构 套管 放电管 毛细管（工作区） 贴镜管 阳极（钨棒） 激光管 电极 阴极（用电子发射率高和溅 结构 射率小的铝及其合金制成） 全反镜（>99%） 光学谐振腔 部分反射镜（98%） 激光电源
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2.工作特性 （1）量子效率 激光辐射能量 Ε 2 − Ε1 hυ η= = = 激励能量 Ε2 Ε2 原子气体激光器的效率较低，分子气体 激光器的效率较高。 (课本P170 ) CO 2分子激光器10.6µ m谱线： 0.291ev-0.172ev = 41% η= 0.291ev