气体激光器

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泵浦方式：以气体放电形式为主，还可采用 化学泵浦、热泵浦及核泵浦等方式。
注意
气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦， 通常采用气体放电泵浦方式；在放电过程中，受电 场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将 粒子激发到高能态，因而在其一对能级间形成了集 居数反转分布。
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2.He-Ne气体激光器
3S2 3Biblioteka Baidu4: 3.39 m 3S2 2P4: 632.8 nm 2S2 2P4: 1.15 m 为获得较强的632.8nm激光输出，可 采用下述方法抑制3.39um辐射的产生：
1）借助腔内棱镜色散使3.39um激光不能起振; 2）腔内插入对3.39um波长的光吸收的元件； 3）借助轴向非均匀磁场，使3.39um谱线加宽，从 而使其增益下降。 9
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2.激励机制
1）电子直接碰撞激发：快速电子与Ne 原子发 生非弹性碰撞，使得Ne 原子直接被激发到2S、 3S能级。
2）共振能量转移： 由于He(23s1和 21s0）两能 级与Ne(2s、3s)两能级的能量非常接近，两者 碰撞很容易发生能量转移，加之前两者都是 亚稳态，电子碰撞截面大，为选择激发Ne至 2s、3s能级提供了有利条件。
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1.氩离子的跃迁方式
• 三种跃迁方式： a. 基态氩离子与电子碰 撞后直接跃到4P能级。 b. 基态氩离子与电子碰 撞后跃到高于4P的能 级，再通过级联辐射 跃到4P能级。 c. 基态氩离子与电子碰 撞后跃到低于4P的亚 稳态能级，再次碰撞 后跃到4P。
3P5
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2. 高功率水冷氩离子激光器
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9000W 横流CO2激光器(以色列)
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2500W CO2激光器及四轴加工机
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1000W CO2激光器及三轴加工机
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6000W CO2激光器加工系统
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9.2.4 准分子激光器
准分子：是一种在激发态结合为分子，在 基态解离为原子的不稳定缔合物。它可由 同类分子或异类分子构成。
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3）串联激发：高能级的Ne与低能级的Ne相碰 撞而实现互换。
4）复合激发：这过程是Ne离子首先与He、Ne 原子三体碰撞形成分子离子，然后再与电子 碰撞获得激发态Ne的过程。在高气压脉冲工 作的He—Ne激光器中这一过程较明显，而 在普通直流激励器件中它不重要。
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3.谱线竞争与选择：
三条最强的谱线之间存在竞争
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1. 工作物质基态能级与激光跃迁：
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2. CO2分子的三种振动方式：
v1、v2、v3分别是三种振动方式的量子数。
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3. CO2分子的三种激励方式： a.直接与电子碰撞激发; b.级（串）联激发； c.共振能量转移：发生在很接近的能级之间。
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4.光谱竞争与选择：
1000：产生10.6um的激光，几率大； 0001 0200：产生9.6um的激光。 两谱线具有共同的 上能级，存在竞争， 结果是9.6um的激光 被抑制。为了实现 9.6um的激光输出， 必须在腔内插入选 择波长的元件。
部分
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5.两种常见的CO2激光器
1）纵向慢流CO2激光器 此类激光器的气体和电子流动方法均与激光 器共光轴，但方向相反。
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3500W 板条式扩散冷却CO2激光器 /20000W 快速纵流射频CO2激光器 六轴联动激光三维加工系统
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2）横向激励高气压CO2激光器（TEA CO2 激光器)
这类激光器内气压很高，放电方向与激光 光轴相垂直。这种激光器是脉冲激光器，其输 出的脉冲峰值功率可达1012w，每个脉冲能量为 数千焦耳，是气体激光器在高功率和大能量方 面与固体激光器竞争的最有希望的器件。在激 光核聚变、分离同位素、光泵远红外激光器以 及激光化学等方面的研究中有着极重要的应用。
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3.39um 谱线增益G随放电电流变化
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2） P0不随气压单调上升，而是存在一个最佳气压值。 如果气压比大，最佳总气压也大。在总气压不 变的情况下，最佳气压比随放电管直径的增大面直 线下降，气压比对输出功率主要从电子温度和激光 物质的密度两方面来产生影响。 选择合理的气压比，使管内既有足够多的激光 物质又使电子处于最佳激发状态。倘若总气压不变， 增大放电管管径D，管内会因带电粒子复合减少。轴 向电场E减小，电子温度减低。此时，管内只有降低 气压比，才能使这样的电子具有最佳激发。通常气 压比为PHe／PNe＝5—10。
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3.影响输出功率的因素
• 1）放电电流：有一个最佳值。
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• 2）充气气压的影响：气压越大，气体密度越 大，参与激光反转的离子数增多，输出功率会 增加。但过高会使管壁复合减少，空间电离度 增大，减少反转离子数。
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• 3）磁场的影 响。轴向磁场 有利于提高功 率、效率和延 长寿命，但磁 场会使得谱线 加宽（塞曼效 应），导致增 益下降，输出 功率下降，因 此应该选择最 佳值。
气 体 激 光 器
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1.气体激光器
• 工作物质：气体或蒸汽 • 优点： • 1.光束方向性好。由于工作物质的光学均匀性远 比固体好，易于获得衍射极限的高斯光束， • 2.单色性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体 小，激光的单色性好。
缺点：体积比较大。 由于气体的激活粒子密度较固体小，需要较大体积的 工作物质才能获得足够的功率输出。
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输出功率W与总气压P 的关系
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9.2.2 氩离子激光器
• 利用气体放电管使管内惰性气体原子－氩 原子电离并激发，从而在激发态与基态之 间实现粒子数反转而产生激光。 • 波长为可见光，以488nm和514.5nm为主， 共产生9条谱线。 • 是可见光中输出功率最高的一种器件。最 高可达500W。 • 应用：拉曼光谱、超快技术、泵浦染料激 光器、全息、非线性光学等前沿领域。
He － Ne 激光器是最早研制成功的气体激光器。在 可见及红外波段产生多条激光谱线，其中最强的是 632．8nm、1150nm 和3390nm 。在准直、定位、 全 息 照 相 、 测 量 、 精 密 计 量 等 方 面 广 泛 应 用4 。
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1.工作物质的能级结构
He-Ne激光器 的工作物质结 构示意图它主 要能发出三种 波长的激光， 632.8nm, 1.15μm， 3.39μm。
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4.放电参数对输出功率的影响
1）P0不随放电电流单调上升，存在一个最佳值。 这是因为在放电管中同时存在激发和消激发过 程。
第一项为电子碰撞激发过程；第二项为与管壁 碰撞及共振能量转移引起的消激发过程；第三 项对应于电子与亚稳态原子碰撞回归到基态的 消激发过程。
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632.8nm谱线净增益G随放电电流I的变化
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50W准分子激光器(LPX 305iF) 及微加工机
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准分子激光器及其电源系统
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The end!
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4.提高输出功率的方法
• 1）增大放电管的直径。现在一般不过 10mm。 • 2）增加气压半径积（PR）。 • 3）采用新型阳极：如难熔的钨或钨的合 金，使得发射的电子中含有较多的高能 电子。 5. 氩离子激光器的缺点： 耗水、耗电很严重；体积大。
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9.2.3 CO2激光器
主要特点： 输出波长10.6um恰好位于大气的低损耗窗口； 光束质量好；输出功率大，能量转换效率高， 广泛应用于高功率激光工业加工中。 工作物质： CO2: 激活气体； N2 : 辅助气体，提高上能级的激励效率； He气：辅助气体，有助于下能级的排空。
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1.准分子的能级图 激光下能级连续 变化，因此激光波长 可以连续调谐。
2.准分子激光器的激励方式： 普遍采用电子束或快速放电泵浦
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3.准分子激光的应用：准分子激光脉冲输出可达百
焦耳，峰值功率达GW以上，平均功率也高于200W， 可以应用于光化学、医学、生物学等领域。
利用激光进行视网膜手术
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