第三章[气体激光器]

3.热激励方式 热激励是指采用某种高温加热的方式使整个气体工作物质体系温 度升高．从而使较多的粒子处于高能级状态，然后再通过某种方 式，使热弛豫时间较短的某些较低能级上的粒子倒空，而热弛豫 时间较长的某些较高能级上的粒子得以积累，从而实现这些能级 间的粒子数反转。
采用高温燃烧，把CO2气体温度提高到3000K左右的高温状态，此时处于CO2 分子的激光上、下能级上的粒子数都比室温时多得多，但整个体系仍处于热 平衡状态，据玻尔兹曼分布规律。高能级上的粒子数始终小于低能级上的粒 子数，然后，再通过绝热膨胀方法使气体温度骤降到300K左右，这个骤降过 程使体系由热平衡状态转为非 热平衡状态，由于绝热膨胀的 特征时间小于CO2分子激光上 能级的热弛豫时间，因此降温 过程对上能级的粒子数影响不 大，而下能级的热驰豫时间与 降温特征时间具有相同量级， 温度的降低使下能级的粒子数 急剧减少，从而实现粒子数反 转。
外腔式如图（ 外腔式如图（b）所示 优点：激光器的谐振腔反射镜与放电管分离， 优点：激光器的谐振腔反射镜与放电管分离，可 增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片， 增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以 寿命比同轴式长， 寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响 较小，加之谐振腔可以调整， 较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能 保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片， 保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片， 还可使激光得到线偏振的激光输出。 还可使激光得到线偏振的激光输出。 缺点：由于反射镜与放电管相分离， 缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易 改变，需要经常调整，使用不方便. 体积大， 改变，需要经常调整，使用不方便. 体积大，安 装使用不方便，易破碎。 装使用不方便，易破碎。
第三章 激光与光电子器件 激光器的分类： ① 按工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光器、 半导体激光器、自由电子激光器等 ② 按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激 光器、稳频激光器、可调谐激光器、单模激光器、多 模激光器、锁模激光器、Q开关激光器 ③ 按激光波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光 器、毫米激光器、x射线激光器、γ射线激光器 ④ 按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能激 光器、热激励激光器、化学激光器、拉曼自旋反转激 光器、光参量振荡器等 ⑤ 按谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激 光器、折叠腔激光器、光栅腔激光器、光纤激光器、 薄膜激光器、波导激光器、分布反馈激光器等。
二、原子气体激光器 原子气体激光器的工作物质是中性原子气体， 其激光跃迁发生子中性原子的不同激发能态之间，能 产生激光跃迁的原子种类很多，主要有惰性气体(氦、 氖、氩、氪、氙)和某些金属原子蒸气(铜、金、锰、 铅、锌等)。典型的是惰性气体类中的He—Ne激光器 和金属原于蒸气类中的Cu激光器。
1 氦-氖(He-Ne)激光器 (He-Ne)激光器
4．化学能激励方式 采用化学能激励的激光器通常称为化学激光器，化学能 激励是利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能 量来激励工作物质，建立粒子数反转而实现受激辐射。 大多数的化学激光器是采用气体工作物质，典型的有 HF(氮化氢)化学激光器、DF(氮化氘 )化学激光器、 HBr(溴化氢)化学激光器、CO化学激光器、HCl(氯化氢) 化学激光器以及光分解碘原子激光器等。
④ 直接利用高速电子的碰撞，建立气体粒子的粒子数 反转，是常用的选择激励方式。
这种反应的进行过程取决于电子能量和电子碰撞 激发截面σ的大小。 金属蒸气原子激光器、N2分子激光器、Ar+激光器 等都是采用直接电子碰撞机制作为激励手段的。
2．光激励方式 光激励是指用特定波段 的光照射工作物质，在吸收对 应波长的光能后产生粒子数反 转。采用光激励方式的气体激 光器主要有工作于远红外和亚 毫米波段的激光器，通常称为 光泵远红外激光器和光泵亚毫 米激光器。这类激光器的激光 辐射产生于分子的转动能级之 间，其能级相当密集，放电激 励的方式难于实现能级问的粒 子数反转，而光泵激励却显得 十 分有效。 图表示两种由可调谐CO2激光器的激光泵浦 的甲酸红外激光器装置，激光器输出波长在200—800μm范围， 已获得70多条谱线输出，其中较强的谱线波长有393μm、 418μm、432μm、513μm，连续功率在100mw附近。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
②
电荷转移是离子A+与中性粒子B的碰撞过程，离子A+获得 电子而成为中性粒子A，中性粒子B则成为正离子B+。其 过程为：
这里， ∆E是A+与B之间的位能差，∆E愈小，这种能量 转移过程进行得愈顺利，(B+)*表示离子激发态，表明 电荷转移反应往往会同时激发和电离，这种过程是许 多离子激光器的主要激励机制。 ③ 潘宁电离效应是利用激发态粒子间的碰撞，使中性气体粒 子产生电离或电离激发的过程 A*和(B+)*分别是粒子的激发态和离子激发态。潘宁效应的 最大特点是只要A*的激发态能大于中性粒子B的电离或电离激发能， 反应就能顺利进行，这是因为反应的生成物—慢电子把碰撞体系反 应前后的能量差以动能形式所带走。 许多金属蒸气离子激光器的粒子数反转机制，就是基于这种 过程。
1)He－Ne激光器的结构 1)He－Ne激光器的结构
He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、 激光管和激光电源组成 He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、 激光器的结构形式很多 电极和光学谐振腔组成。 电极和光学谐振腔组成。 放电管是氦一氖激光器的心脏， 放电管是氦一氖激光器的心脏， 它是产生激光的地方。 它是产生激光的地方。放电管通常由 毛细管和贮气室构成。 毛细管和贮气室构成。放电管中充入 一定比例的氦（He）、 ）、氖 Ne）气体， 一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体， 当电极加上高电压后， 当电极加上高电压后，毛细管中的气 体开始放电使氖原子受激， 体开始放电使氖原子受激，产生粒子 数反转。贮气室与毛细管相连， 数反转。贮气室与毛细管相连，这里 不发生气体放电， 不发生气体放电，它的作用是补偿因 慢漏气及管内元件放气或吸附气体造 He,Ne气体比例及总气压发生的变 成He,Ne气体比例及总气压发生的变 延长器件的寿命。 化，延长器件的寿命。放电管一般是 GG17玻璃制成 玻璃制成。 用GG17玻璃制成。输出功率和波长要 图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式 求稳定性好的器件, 求稳定性好的器件,可用热胀系数小 的石英玻璃制作。 的石英玻璃制作。 He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成， He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其 激光管的阳极一般用钨棒制成 合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状。 合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状。
2)氦和氖原子的能级图 2)氦和氖原子的能级图 激光器的工作气体是He Ne，其中产生激光跃迁的是Ne He和 Ne气 He是辅助气体 是辅助气体， 激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激光跃迁的是Ne气。He是辅助气体，用以提 Ne原子的泵浦速率 原子的泵浦速率。 10） He和Ne的能级图 He原子有两个电子 的能级图。 原子有两个电子， 高Ne原子的泵浦速率。图（5-10）为He和Ne的能级图。He原子有两个电子，没激发时这 两个原子都分布在1S 壳层上，He原子处于基态 原子处于基态。 He原子受激时 使其中一个电子从1S 原子受激时， 两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S 激发到2S He原子成为激发态 2S， 原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级 分别记为2 原子有两个亚稳态能级， 激发到2S，He原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。
一、气体激光器的激励方式 大部分气体激光器是采用电激励的方式，在某 些特殊的情况下，也采用热激励、化学能激励、光激 励等其他激励方法。电激励主要有气体放电和电子束 激励两种形式，其中的气体放电是气体激光器最主要 的激励方式。 1.气体放电激励方式 气体放电激励过程是指：在高压电场下，气体粒子 发生电离而导电，在导电过程中，快速电子与气体粒子(原 子、分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子反 转。气体放电可分为直流或交流连续放电、射频放电和脉 冲放电等多种形式。
气体放电中，决定放电情况的基本物理因素是 电子、原子、分子和离子之间的碰撞过程。 有两种基本的碰撞过程决定着气体粒子数反转 分布和维持，第一种过程是电离，这是为了维持放电 必不可少的。第二种过程是激光能级的激发和消激发， 这是建立粒子数反转的必要过程。 气体粒子的电离过程的实现主要决定于参与碰 撞的电子能量．当电子能量达到电离能时，粒子便发 生电离，而气体粒子的激发过程可以是多种碰撞能量 转移形式，主要有能量共振转移、电荷转移和潘宁电 离等。这些形式也称为气体放电中的选择激发过程。 ① 能量共振转移是激发态粒子A*将能量转移给中性粒子 B的碰撞过程，可表示为 式中，∆E表示A*和B之间的激发能态差，值 愈小，表明共能量碰撞转移的共振特性愈好。 He—Ne、CO2等激光器的激发过程主要是基于这种激发态粒 子间的能量共振转移。
3.1 气体激光器 气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器。 它是目前种类最多、波长分步区域最宽、应用最广 的一类激光器，有近万条激光谱线，波长覆盖从紫外到红 外的整个光谱区，目前已经扩展到X射线和毫米波波段。 气体激光器的输出光束质量非常高，其单色性和发 散性均优于固体和半导体激光器，也是目前连续输出功率 最大的激光器。具有转换效率高、结构简单、造价低廉等 优点，得以广泛应用。
He－Ne激光器由于增益低， He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般 激光器由于增益低 用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～ 平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～ 1% ％，凹面镜为全反射镜 凹面镜为全反射镜。 2％，凹面镜为全反射镜。 He－Ne激光管的结构形式是多种多样 He－Ne激光管的结构形式是多种多样 的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分 内腔式、外腔式和半内腔式。 内腔式、外腔式和半内腔式。