第3章分子气体激光器

第3章 分子气体激光器
(1) 对称振动。 (2) 形变振动。 (3) 反对称振动。
第3章 分子气体激光器 图3.1 二氧化碳分子结构及简正振动
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2.
在一级近似中，对称振动、形变振动、反对称振动ห้องสมุดไป่ตู้三
种振动方式是相互独立的。CO2分子的某一振动态EV 可以 看做是由这三种独立振动方式组成的某一个态，相应的振动
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3.1.2
CO2分子激光器的两条最强的振-转光谱带，是 0001→1000跃迁的波长10~11 μm谱带，以及0001→0200跃迁 的波长9~10μm谱带，共计一百多条分立谱线都可以产生激光 振荡。激光上能级是0001能级，激光下能级是1000能级或 0200能级。
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(3-6)
CO2(000υ3)+CO2(0000)→CO2(000υ3-1)+CO2(0001) (3-7)
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(3) 共振转移激发。从图3.4可以看出，慢电子对CO2分子 的振动能级的激发截面都很大，而且激发函数有明显的谐振 点。而N2分子、CO分子同样具有很大的电子碰撞截面，电 子能量在2.3 eV时，N2(υ=1~8) 态的电子碰撞截面高达3×1016cm2，如图3.5所示。电子能量在1.7 eV时，CO (υ=1~8) 态 的电子碰撞截面高达8×10-16 cm2，如图3.6所示。
第3章 分子气体激光器 图3.2 与激光跃迁有关的能级
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3.
在CO2分子中，原子间发生振动的同时，分子整体作转 动运动。CO2分子的转动能量Er也是量子化的，Er表示为
Er=hcBJ(J+1)
(3-4)
第3章 分子气体激光器 振-转跃迁定则规定：在同一振动能级内的转动能级之间 是不存在辐射跃迁的。在不同振动状态的转动能级之间的辐
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(2) 串级激发。气体放电中，一些能量略大(如0.6 eV、 0.9 eV)的电子会将部分CO2分子激发到比0001 更高的能级上， 如0002、0003、…、(υ3>1)，处在这些能级的分子极易与基态 分子碰撞，使基态分子跃迁到0001能级。反应方程为
CO2 (0000) e CO2 (0003 ) e
态由三个量子数υ1、υ2、υ3来确定，即振动能级用(υ1 υL2υ3) 来表示，其中L是与形变振动相联系的角动量量子数，当υ2为 偶数时，
当υ2为奇数时，
L=υ2, υ2-2, …，0 L=υ2,υ2-2, …，1
(3-2) (3-3)
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表3-1中给出了由量子力学方法计算出与CO2分子激光跃 迁有关的能级及自发辐射寿命。
第3章 分子气体激光器 表3-1 CO2分子与激光跃迁有关的能级及自发辐射寿命
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与激光跃迁有关的CO2分子能级结构如图3.2 根据分子光谱理论，由于分子转动的存在，振动能级发 生分裂，分子振动能级间的跃迁，产生带状光谱。分子是没 有纯振动状态，分子振动的同时必定伴随着转动的因素，所 以带状光谱中的每一条谱线都是由振-转能级间跃迁产生的， 带状光谱也就是振-转光谱线组成的光谱带。
第3章 分子气体激光器 图3.5 N2分子振动能级的电子激发截面
第3章 分子气体激光器 图3.6 CO*分子振动能级的电子激发截面
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N2分子振动能量的共振转移过程对CO2激光器很重要。 激发态N2分子是不能通过辐射跃迁回到基态或较低能级的， 所以N2分子激发态的寿命很长，并且激发态N2分子(υ=1)与 CO2分子0001能级相差很小，它们之间极易发生能量的共振 转移，因此可认为N2(υ=1)态与CO2(0001)态合成为一个“混 合态”，使CO2(0001)态的寿命几乎提高一倍，其共振转移激 发过程的反应方程为
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3.1 普通型二氧化碳分子激光器的激励机理 3.2 普通型二氧化碳分子激光器的工作特性 3.3 普通型二氧化碳分子激光器的输出特性 3.4 中小型二氧化碳分子激光器的设计 3.5 流动型二氧化碳分子激光器 3.6 横向激励高气压型二氧化碳分子激光器 3.7 气动型二氧化碳分子激光器 3.8 准分子激光器 3.9 光泵远红外分子激光器 3.10 氮分子激光器
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3.1 普通型二氧化碳分子激光器的激励机理
3.1.1
二氧化碳分子激光器输出谱线处在9~11 μm波段的带状 荧光谱中，是CO2分子基电子态振动-转动能级间的跃迁所产
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1. 如图3.1(a)所示，CO2分子是一种线性对称排列的三原子 分子(三原子排列成一直线，中间是碳原子，两端是氧原子)， 具有一条对称轴线(记为C∞)。CO2分子共有9个自由度，其中 振动自由度为4。而CO2分子是线性对称分子，其基本的振动 方式可少于振动自由度，因此CO2分子中有三种基本的振动 形式(简正振动)，即对称振动，形变振动，反对称振动。
支措施，输出谱线一定是P
在同一振动能级内，不是所有的转动能级都存在。就
CO2分子来说，以0001→1000振-
0001振动
能级上只存在J为奇数的转动能级，在1000振动能级上只有J
为偶数的转动能级，这种现象称为转动能级的缺位，如图3.3
所示。
第3章 分子气体激光器 图3.3 CO2分子0001→1000振-转跃迁及缺位
Δυ=0,±1, (ΔL=0, ±1) ΔJ=0,±1, (上能级转动量子数J′-下能级转动量子数J)，
ΔJ=1，称为R支跃迁，R支谱线R(J) ΔJ=-1，称为P支跃迁，P支谱线P(J) ΔJ=0，称为Q支跃迁，Q支谱线Q(J)
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由于CO2分子的对称性，Q支跃迁不存在。一般P支谱线 的增益比R支谱线大，所以在二氧化碳激光器中若不采取选
1. 基态CO2分子被激发到激光上能级0001大致有三个途径，
(1) 电子碰撞激发。具有一定能量的电子与基态CO2分子发 生非弹性碰撞，使基态CO2分子直接激发到激光上能级0001。 反应方程为
CO2 (0000) e CO2 (0001) e
(3-5)
第3章 分子气体激光器 图3.4 CO2分子振动能级的电子碰撞截面与电子能量的关系