CO2激光器详解培训课件

2020/6/9
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激光上下能级的寿命和下能级的排空
CO2各能级的自然寿命都很长。0001能级的s=210-3秒，1000能级的 s=1.1秒。这是因为，00010000是允许的光学跃迁，而10000000是 禁戒的。这种情况对产生激光振荡十分不利。
在CO2激光器中有多种气体成分存在，使不同能级的衰变主要取决于 碰撞。
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图10 (a) 纵向封离型激光器
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因此，通常是00011000跃迁中的P(22)支起振，在J=2l的转 动能级上的粒子数被迅速消耗，于是，其它转动能级上的
CO2分子将迅速跃迁到这一转动能级上来。就是说，P(22)支 振荡将吃掉其它转动能级上的粒子数,这就是转动竞争效应。
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N2分子的共振能量转移： 电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大。这些被激发的 很大一部分分子将被=1的能级所收集。N2的=1能级与 CO2的0001能级仅相差18cm-1(≈2.510-3eV)，因此，N2与 CO2的基态分子发生碰撞时，N2将激发能量转移给CO2分子， 使之激发到0001能级；这个过程可表示为：
、Xe
* 2
H等g ，2*
另一类是异核型准分子 (Exciplex)，如惰性气体的氧化
物和卤化物 XeO、* XeF等*，以及金属卤化物 HgC等l * 。
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An excimer laser is a specific type of molecular gas laser that produces high intensity light in the ultraviolet (UV) range of the electromagnetic spectrum. The UV light source is a Lumonics PM-848k excimer laser, which can be configured to operate with either a KrF (krypton-fluoride) gas mixture at 248 nm or an ArF (argon-fluoride) gas mixture at 193 nm. The excimer laser beam will be used for microfabrication in a wide range of absorbing materials. Any feature down to a size of 2 mm can be etched into a surface in a fraction of the processing time of standard photolithography. The range of applications will cover accurate and rapid scribing, drilling holes through the substrate, and creating complicated patterns and devices out silicon and plastics alike.
对CO2分子讲，在每一个振动能级上，不是所有J值的转动 能级都存在。在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支 是非禁戒的。P(20)指的是从上能级J=19到下能级J=20的 跃迁；R(20)指的是从上能级J=21到下能级J=20的跃迁。
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激发过程
激光跃迁可发生在00011000(≈10．6m)和 00010200(≈9．6m)两个过程中。但输出激光主要发生 在00011000过程中。 泵浦主要通过下面两个过程： 电子碰撞激发，这个过程表示为：
CO2分子可以看作是一个“哑铃”形的刚性转子。转动量 子数为J的转动能级上的平衡粒子数为：
N J (2J 1 )e B(J J 1 )/kB T
在CO2分子的0001能级中，J=21的转动能级上的粒子数最多。
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CO2激光器的结构
CO2激光器的种类多，应用广泛。从激光器的结构来看， CO2激光器可分为 ： (1)纵向封离型激光器；(2)纵向流动激光器；(3)横向流 动激光器；(4)横向激励高气压激光器(TEA)；(5)射频激 励激光器；（6）波导CO2激光器；（7）气动激光器。
N2(=1)+CO2(0001)N2(=0)+CO2(0001)-2.510-3eV 因此，通过N2分子的近共振能量转移来泵浦0001能级是很 有效的过程。
N2是CO2激光器中的能量转移气体。当E/N=2．610-16Vcm2 时，输入电功率的大部分被用于激发0001能级。所以说CO2 激光器的效率是相当高的。
00010200跃迁，在9.13m到9.95m波长范围内，有40多条 谱线。
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图10 （b）纵向流动激光器
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图10 (c) 横向流动激光器
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图10 (d) 横向激励高气压激光器(TEA)
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图10 (e) 波导CO2激光器
CO2激光器详解
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可能的跃迁：
根据波函数对称性的要求，在电子基态上的振动和转动波 函数应具有相同的对称性：对称振动的波函数是对称的， 弯曲振动和反对称振动的波函数是反对称的。J为偶数的 转动态的波函数是对称的，J为奇数的转动态的波函数是 反对称的。因此，在0001能级上，J为偶数的转动能级是 空的，在1000能级上，J为奇数的转动能级是空的。
振荡的条件。而且有助于让放电区的剩余热量传走 。
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转动能级竞争
不同的振动能级之间的热平衡速率较小，约为103秒-1；而 在同一振动态上的不同转动能级之间的热平衡速率很大， 约为107秒-1)。于是，处在同一振动态的所有转动能级上 的全部粒子都对具有最高增益的那个转动能级的激光跃迁 有贡献。
CO2分子的0110能级能否被尽快排空。实际情况是，0110能级使分子到
基能级的衰变变慢，它的作用表现为一种瓶颈现象。
He的存在将对0110能级的寿命产生很大影响。He与0110能级上的CO2分
子碰撞的结果使0110能级的寿命达到=2×10-5秒。
He的存在不仅有助于抽空CO2分子的激光下能级，满足实现激光连续
e * C 2 ( 0 O 0 0 ) 0 C 2 ( 0 O 0 1 )0 e
与这类过程相对应的电子碰撞截面非常大。当电子能量为 0.3eV时，峰值截面为510-10cm2。受到电子碰撞后被激发 到高振动激发态的CO2分子中的很大一部分将通过振动模与 振动模之间的能量交换（V-V迟豫），从激发态沿着能量 阶梯跃落下来，很容易被长寿命的0001能级收集。
CO2激光器输出光谱
CO2的振转能级非常密集，使CO2激光器输出的波长十分丰富。
00011000跃迁的波长范围是10.06m～11.02m；其中，P 支从P4～Ｐ56共有27条谱线，最强的是P18、P20、P22、和 P24。R支从R4～R54共有26条谱线，最强的是R18、R20、R22 和R24；
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图10 (f) 射频激励激光器
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4.准分子光器
准分子(Excimer)是束缚在电子激发态的分子，是一种处
于激发态的复合分子，无稳定的基态。很快自动地离解成
原子或其它分子团，从它产生到消失的时间只有几十毫微
秒。
准分子分两类；一类是同核二聚物(Dimer)如