第一章气体放电的基本原理
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激光器件原理与设计 21
2013-7-12
第一章 气体放电的基本原理
离子复合：正、负离子在空间复合。 A++B－→A+B+ΔE 使原子与分子动能增加 →A’+B+ΔE 使其中一个激发 →A+B’+ΔE 使其中一个激发 →A+B+ hυ 放出光子 由于正、负离子的相对运动速度比较小，因此离子复合 概率比电子复合概率大得多。 （2）管壁复合 带电粒子在放电管中运动，电子速度快，先到达管壁， 且数量多，形成电场，吸引正离子，形成复合，称为管 壁复合。 由于复合放出的能量可直接传递给管壁，致使管壁发热
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激光器件原理与设计
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第一章 气体放电的基本原理
电子扩散系数 离子扩散系数
1 De e e 3
1 Di i i 3
e ， i 分别表示电子和离子的热运动平均速度；
e ， i 分别表示电子和离子的平均自由程；
电子扩散速度
离子扩散速度
ne De dne ef ne ne dx
激光器件原理与设计
1
第一章 气体放电的基本原理
一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律 1、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子：没有电离前已存在粒子，激光工作物 质及其辅助气体。 （2）带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放电 起主导作用。 （3）受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产生 运动和碰撞，使其能级发生变化，由基态跃迁到激发 态，成为激发态粒子，激发态粒子从上能级向下能级 跃迁时，会辐射光子。
不能通过辐射光子而自发跃迁回基态或较低能级的
能级称亚稳能级。亚稳原子寿命10-2s～10-4s。
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第一章 气体放电的基本原理
2. 电子碰撞引起的激发和电离
（1）电子与原子碰撞引起的激发和电离
原子激发 e +A→e+A’ 原子电离 e +A→e+A++e 表示快速电子，A表示基态原子，A’表示 受激原子，A+表示一次电离的正离子。
2013-7-12 激光器件原理与设计 25
第一章
2. 漂移率
气体放电的基本原理
沿电场方向运动的带电粒子的漂移速度Vd与 电场强度E比值，称为带电粒子的漂移率。
Ke=Vd/E
Vd ：带电粒子的漂移速度 带电粒子在电离气体中的密度分布是不均匀 的，因密度差造成的带电粒子的定向运动。
3. 扩散运动
第一章 气体放电的基本原理
1.1.1 气体放电的基本过程 在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离气体 称之为气体放电现象。
常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体电离 度很少有超过0.1％的。 气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间的相互 作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。
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2013-7-12 激光器件原理与设计 3
第一章 气体放电的基本原理
（2）碰撞能量转移 A. 弹性碰撞 特点：碰撞前后动能和动量不变 2m1m2 结果：平均能量损失率为 2 m1 m2 若m1<<m2 很小 如电子与气体原子发生弹性碰撞,电子的平均能量损失 率很小，但碰撞频繁，单位时间传递总能量不可忽视。 若m1m2 1/2 如离子与气体原子或分子发生弹性碰撞，粒子间大量 交换能量
e
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第一章 气体放电的基本原理
当电子能量很低时，电子与气体原于碰撞不能使原子 激发，只发生弹性碰撞；而当电子能量大于激发能时， 电子才可能使原子激发。图1.1.6给出了氦的激发截 面与电子能量关系曲线。
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第一章 气体放电的基本原理
结论： a.电子能量大于激发能或电离能才能产生激 发和电离。 b.激发截面（电离截面）与电子能量的关系并 非线性，有一最大值。
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第一章 气体放电的基本原理
（2）电子与分子碰撞引起的激发和电离
激发
电离 分子分解
e +AB→e+(AB)’ e +AB→e+(AB)++e e +CO2→e+CO+O
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第一章 气体放电的基本原理
（2）潘宁电离 A*+B→A+B++e+Δ E A*+B→A+B+’+e+Δ E 条件：亚稳态原子的激发能大于和它相碰原子的电 离能。 4.光激发和光电离 气体粒子由于吸收了光子能量h，产生激发和电 离。 h+A→A’ h≥eu0 （激发能） h+A→A++e h≥eui （电离能） 使气体电离的光一般是紫外光或更短波长的光。 光电离可用于气体激光器预电离。
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第一章
气体放电的基本原理
三、复合、吸附与转荷 1. 复合：正负粒子中和形成中性粒子的过程。有空间复合 和管壁复合。当电荷密度较大、气压比较高时，带电粒 子以空间复合为主；而当电荷密度较小，气压较低，放 电管半径较小，电极间距离较长时，则以管壁复合为主。 （1）空间复合 电子复合：电子与正离子在空间复合。 辐射复合 e +A+→A+hυ (AB)++ e →A’+B（或A+B+动能） 离解复合
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第一章 气体放电的基本原理
B.非弹性碰撞 特点：碰撞前后能量和动量不变，粒子的一部分动能 转换为粒子的内能W。 结果：转换最大内能为 m2 Wmax= E1
m1 m2
若m1m2 Wmax=E1/2 两个质量相近粒子，离子最多将动能一半转换为粒子 的内能。 若m1m2 Wmax=E1
结论：a.此类碰撞会使分子的振动能级和转动能 级激发，这是CO2和CO激发的主要机理。
b.振动能级和转动能级的激发所需的能量
很小。
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第一章 气体放电的基本原理
（3）电子与受激原子碰撞产生逐次激发和逐次电离
逐次激发 逐次电离
e +A’→e+(A’)’
if
ni D dn i i ni ni dx
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第一章 气体放电的基本原理
4．爱因斯坦公式
漂移率与扩散系数关系
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第一章 气体放电的基本原理
5．双极性扩散运动：放电空间同时存在两种异性带电粒子的扩散 和相互影响的运动。
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第一章 气体放电的基本原理
5. 其它形式的激发和电离
（1）热激发和热电离 高温条件下，气体粒子相互碰撞形成地激发 和电离。一般情况下，在高气压和超高气压 气体中，形成弧光放电，热激发和热电离才 起主导作用。 （2）放射性射线引起的激发、电离与剩余电离 放射性射线(α、β、γ)都是高能粒子，能使 气体电离。
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激光器件原理与设计
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第一章 气体放电的基本原理
结论：质量小的粒子与质量大的粒子在非弹性碰
撞时，如电子与原子碰撞，电子的动能可以绝大 部分转换为原子的内能，使原子发生激发或电离， 这是气体激光器利用放电激励的主要机理。
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第一章 气体放电的基本原理
表示为:
Q=Qm+Qe+Qi+…
Qm:弹性碰撞截面
Qe:激发碰撞截面
Qi:电离碰撞截面
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第一章 气体放电的基本原理
B. 平均自由程：指每两次碰撞之间所走路程的平均值。
λ =1/ Q 式中Q=Nσ（总碰撞截面，表示单位体积中所有碰撞 截面之和，单位cm－1） C. 速率系数：单位时间内单位体积发生的碰撞次数，用R 表示 ，单位为cm3·-1。 s
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第一章 气体放电的基本原理
3. 转荷：正、负离子与气体粒子碰撞，会发生电荷转移, 产生高速中性粒子和激发态离子。 （1）对称谐振转荷：同一种类的两个粒子间发生的电 荷转移。 He++He→He +He+ （2）非对称谐振转荷：不同种类的两个粒子间发生的 电荷转移。 Ne++He→Ne +He+ 如氮离子激光器（427.8nm）就是靠转荷过程产 生。
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第一章 气体放电的基本原理
四、带电粒子在电离气体中的运动 1. 电子漂移运动：大量碰撞引起杂乱无章热运动和 电场作用定向漂移运动的叠加。 （1）电子的乱向热动能远大于定向的漂移能。 （2）电子的特征能量εk（或电子温度）是电场强度 与气体粒子密度比值（E/N）的单一函数。 E：电场强度，N：气体粒子密度 εk=f（E/N） 说明一旦外加电场和气体密度确定后，电离气 体中的电子平均能量、电子温度就确定了。
0 f(υ ):速度分布函数。σ (υ ): 碰撞截面是相对速度的函 数
R ( ) f ( )d
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第一章 气体放电的基本原理
二、激发与电离：气体放电中重要的基本物理过程。
当中性气体粒子(如原子)与其他粒子(如电子、正离 子、光子等)发生碰撞时，原子中的价电子吸收外来 粒子的能量，从原来的能级跃迁到较高的能级上去， 我们说这个原子被激发，称其为受激原子。 如果原子中一个或几个电子因碰撞吸收能量而脱离 了原子变成自由电子，使原子成为带正电荷离子，这 种过程你为电离。
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第一章 气体放电的基本原理
2.
吸附 电子与中性粒子碰撞，中性粒子吸附电子，使 粒子形成负离子。 吸附概率与原子、分ຫໍສະໝຸດ Baidu结构有关，主要是外层 电子数量。 惰性气体具有封闭外壳层，很难吸附电子；但 有些气体，外层缺电子，就容易吸附电子，形 成负离子。 吸附电子总结果，使气体导电条件变差。在 CO2激光器中，这是带电粒子减少的主要过程。
(3)碰撞截面、平均自由程和速率系数 A. 碰撞截面: 碰撞截面 σ=πa2 单位：cm2. 代表大量电子与原子碰撞概率的统计平均值。 既有粒子半径的概念，又有相互碰撞概率的概念。
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第一章 气体放电的基本原理
总碰撞截面:单位气体体积中所有碰撞截面之和。它 与气体的压强和温度有关。
结果：电子的扩散速度减小，离子的扩散速度加快，使电子和离子 扩散速度相同。
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第一章 气体放电的基本原理
2、粒子碰撞的基本规律： 碰撞是指两个或两个以上粒子相互作用引起动量、 动能或者内能变化的过程。 （1）弹性碰撞和非弹性碰撞 弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交 换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。 弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要作用， 如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。 非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内能， 粒子间遵守能量和动量守恒定律。 非弹性碰撞在确定气体放电的电参量和光参量中起 主要作用，如电子温度或能量、电子密度、受激能 级的粒子数分布等。
激发是实现粒子数反转的必要条件。 电离是维持放电平衡的必要条件。
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第一章 气体放电的基本原理
(1) 谐振能级和亚稳能级 受激原子自发跃迁回基态的过程称为谐振跃迁过程， 相应的激发能级称为谐振能级。原子的激发能以光子 形式辐射出来。受激原子寿命很短，约为10-8s 。
结论：此过程要求电子有很高的能量。
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第一章 气体放电的基本原理
3. 激发原子引起的激发和电离 （1）共振转移 :亚稳原子A*与基态原子B碰撞，使基 态原子变成受激原子B’,亚稳原子变成基态原子A。
A*+B→A+B’±Δ E 结论：概率由Δ E大小决定。 He-Ne、CO2激光器都有共振转移。 He*+Ne→Ne，+ He－0.048eV
+A’→e+A++e e 结论：a. 逐次激发和逐次电离使要求的电子平均能量 降低。
b. 亚稳态原子使受激原子寿命
增加，使逐次激发和逐次电离的概率增加。
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（4）电子与正离子碰撞引起的激发和电离
激发 电离
e +A+→e+(A+)’
+ ++ e +A →e+A +e
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第一章 气体放电的基本原理
离子复合：正、负离子在空间复合。 A++B－→A+B+ΔE 使原子与分子动能增加 →A’+B+ΔE 使其中一个激发 →A+B’+ΔE 使其中一个激发 →A+B+ hυ 放出光子 由于正、负离子的相对运动速度比较小，因此离子复合 概率比电子复合概率大得多。 （2）管壁复合 带电粒子在放电管中运动，电子速度快，先到达管壁， 且数量多，形成电场，吸引正离子，形成复合，称为管 壁复合。 由于复合放出的能量可直接传递给管壁，致使管壁发热
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第一章 气体放电的基本原理
电子扩散系数 离子扩散系数
1 De e e 3
1 Di i i 3
e ， i 分别表示电子和离子的热运动平均速度；
e ， i 分别表示电子和离子的平均自由程；
电子扩散速度
离子扩散速度
ne De dne ef ne ne dx
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第一章 气体放电的基本原理
一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律 1、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子：没有电离前已存在粒子，激光工作物 质及其辅助气体。 （2）带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放电 起主导作用。 （3）受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产生 运动和碰撞，使其能级发生变化，由基态跃迁到激发 态，成为激发态粒子，激发态粒子从上能级向下能级 跃迁时，会辐射光子。
不能通过辐射光子而自发跃迁回基态或较低能级的
能级称亚稳能级。亚稳原子寿命10-2s～10-4s。
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第一章 气体放电的基本原理
2. 电子碰撞引起的激发和电离
（1）电子与原子碰撞引起的激发和电离
原子激发 e +A→e+A’ 原子电离 e +A→e+A++e 表示快速电子，A表示基态原子，A’表示 受激原子，A+表示一次电离的正离子。
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第一章
2. 漂移率
气体放电的基本原理
沿电场方向运动的带电粒子的漂移速度Vd与 电场强度E比值，称为带电粒子的漂移率。
Ke=Vd/E
Vd ：带电粒子的漂移速度 带电粒子在电离气体中的密度分布是不均匀 的，因密度差造成的带电粒子的定向运动。
3. 扩散运动
第一章 气体放电的基本原理
1.1.1 气体放电的基本过程 在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离气体 称之为气体放电现象。
常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体电离 度很少有超过0.1％的。 气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间的相互 作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。
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第一章 气体放电的基本原理
（2）碰撞能量转移 A. 弹性碰撞 特点：碰撞前后动能和动量不变 2m1m2 结果：平均能量损失率为 2 m1 m2 若m1<<m2 很小 如电子与气体原子发生弹性碰撞,电子的平均能量损失 率很小，但碰撞频繁，单位时间传递总能量不可忽视。 若m1m2 1/2 如离子与气体原子或分子发生弹性碰撞，粒子间大量 交换能量
e
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第一章 气体放电的基本原理
当电子能量很低时，电子与气体原于碰撞不能使原子 激发，只发生弹性碰撞；而当电子能量大于激发能时， 电子才可能使原子激发。图1.1.6给出了氦的激发截 面与电子能量关系曲线。
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第一章 气体放电的基本原理
结论： a.电子能量大于激发能或电离能才能产生激 发和电离。 b.激发截面（电离截面）与电子能量的关系并 非线性，有一最大值。
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第一章 气体放电的基本原理
（2）电子与分子碰撞引起的激发和电离
激发
电离 分子分解
e +AB→e+(AB)’ e +AB→e+(AB)++e e +CO2→e+CO+O
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第一章 气体放电的基本原理
（2）潘宁电离 A*+B→A+B++e+Δ E A*+B→A+B+’+e+Δ E 条件：亚稳态原子的激发能大于和它相碰原子的电 离能。 4.光激发和光电离 气体粒子由于吸收了光子能量h，产生激发和电 离。 h+A→A’ h≥eu0 （激发能） h+A→A++e h≥eui （电离能） 使气体电离的光一般是紫外光或更短波长的光。 光电离可用于气体激光器预电离。
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第一章
气体放电的基本原理
三、复合、吸附与转荷 1. 复合：正负粒子中和形成中性粒子的过程。有空间复合 和管壁复合。当电荷密度较大、气压比较高时，带电粒 子以空间复合为主；而当电荷密度较小，气压较低，放 电管半径较小，电极间距离较长时，则以管壁复合为主。 （1）空间复合 电子复合：电子与正离子在空间复合。 辐射复合 e +A+→A+hυ (AB)++ e →A’+B（或A+B+动能） 离解复合
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第一章 气体放电的基本原理
B.非弹性碰撞 特点：碰撞前后能量和动量不变，粒子的一部分动能 转换为粒子的内能W。 结果：转换最大内能为 m2 Wmax= E1
m1 m2
若m1m2 Wmax=E1/2 两个质量相近粒子，离子最多将动能一半转换为粒子 的内能。 若m1m2 Wmax=E1
结论：a.此类碰撞会使分子的振动能级和转动能 级激发，这是CO2和CO激发的主要机理。
b.振动能级和转动能级的激发所需的能量
很小。
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第一章 气体放电的基本原理
（3）电子与受激原子碰撞产生逐次激发和逐次电离
逐次激发 逐次电离
e +A’→e+(A’)’
if
ni D dn i i ni ni dx
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第一章 气体放电的基本原理
4．爱因斯坦公式
漂移率与扩散系数关系
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第一章 气体放电的基本原理
5．双极性扩散运动：放电空间同时存在两种异性带电粒子的扩散 和相互影响的运动。
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第一章 气体放电的基本原理
5. 其它形式的激发和电离
（1）热激发和热电离 高温条件下，气体粒子相互碰撞形成地激发 和电离。一般情况下，在高气压和超高气压 气体中，形成弧光放电，热激发和热电离才 起主导作用。 （2）放射性射线引起的激发、电离与剩余电离 放射性射线(α、β、γ)都是高能粒子，能使 气体电离。
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第一章 气体放电的基本原理
结论：质量小的粒子与质量大的粒子在非弹性碰
撞时，如电子与原子碰撞，电子的动能可以绝大 部分转换为原子的内能，使原子发生激发或电离， 这是气体激光器利用放电激励的主要机理。
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表示为:
Q=Qm+Qe+Qi+…
Qm:弹性碰撞截面
Qe:激发碰撞截面
Qi:电离碰撞截面
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B. 平均自由程：指每两次碰撞之间所走路程的平均值。
λ =1/ Q 式中Q=Nσ（总碰撞截面，表示单位体积中所有碰撞 截面之和，单位cm－1） C. 速率系数：单位时间内单位体积发生的碰撞次数，用R 表示 ，单位为cm3·-1。 s
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3. 转荷：正、负离子与气体粒子碰撞，会发生电荷转移, 产生高速中性粒子和激发态离子。 （1）对称谐振转荷：同一种类的两个粒子间发生的电 荷转移。 He++He→He +He+ （2）非对称谐振转荷：不同种类的两个粒子间发生的 电荷转移。 Ne++He→Ne +He+ 如氮离子激光器（427.8nm）就是靠转荷过程产 生。
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第一章 气体放电的基本原理
四、带电粒子在电离气体中的运动 1. 电子漂移运动：大量碰撞引起杂乱无章热运动和 电场作用定向漂移运动的叠加。 （1）电子的乱向热动能远大于定向的漂移能。 （2）电子的特征能量εk（或电子温度）是电场强度 与气体粒子密度比值（E/N）的单一函数。 E：电场强度，N：气体粒子密度 εk=f（E/N） 说明一旦外加电场和气体密度确定后，电离气 体中的电子平均能量、电子温度就确定了。
0 f(υ ):速度分布函数。σ (υ ): 碰撞截面是相对速度的函 数
R ( ) f ( )d
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第一章 气体放电的基本原理
二、激发与电离：气体放电中重要的基本物理过程。
当中性气体粒子(如原子)与其他粒子(如电子、正离 子、光子等)发生碰撞时，原子中的价电子吸收外来 粒子的能量，从原来的能级跃迁到较高的能级上去， 我们说这个原子被激发，称其为受激原子。 如果原子中一个或几个电子因碰撞吸收能量而脱离 了原子变成自由电子，使原子成为带正电荷离子，这 种过程你为电离。
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2.
吸附 电子与中性粒子碰撞，中性粒子吸附电子，使 粒子形成负离子。 吸附概率与原子、分ຫໍສະໝຸດ Baidu结构有关，主要是外层 电子数量。 惰性气体具有封闭外壳层，很难吸附电子；但 有些气体，外层缺电子，就容易吸附电子，形 成负离子。 吸附电子总结果，使气体导电条件变差。在 CO2激光器中，这是带电粒子减少的主要过程。
(3)碰撞截面、平均自由程和速率系数 A. 碰撞截面: 碰撞截面 σ=πa2 单位：cm2. 代表大量电子与原子碰撞概率的统计平均值。 既有粒子半径的概念，又有相互碰撞概率的概念。
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总碰撞截面:单位气体体积中所有碰撞截面之和。它 与气体的压强和温度有关。
结果：电子的扩散速度减小，离子的扩散速度加快，使电子和离子 扩散速度相同。
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2、粒子碰撞的基本规律： 碰撞是指两个或两个以上粒子相互作用引起动量、 动能或者内能变化的过程。 （1）弹性碰撞和非弹性碰撞 弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交 换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。 弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要作用， 如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。 非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内能， 粒子间遵守能量和动量守恒定律。 非弹性碰撞在确定气体放电的电参量和光参量中起 主要作用，如电子温度或能量、电子密度、受激能 级的粒子数分布等。
激发是实现粒子数反转的必要条件。 电离是维持放电平衡的必要条件。
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第一章 气体放电的基本原理
(1) 谐振能级和亚稳能级 受激原子自发跃迁回基态的过程称为谐振跃迁过程， 相应的激发能级称为谐振能级。原子的激发能以光子 形式辐射出来。受激原子寿命很短，约为10-8s 。
结论：此过程要求电子有很高的能量。
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第一章 气体放电的基本原理
3. 激发原子引起的激发和电离 （1）共振转移 :亚稳原子A*与基态原子B碰撞，使基 态原子变成受激原子B’,亚稳原子变成基态原子A。
A*+B→A+B’±Δ E 结论：概率由Δ E大小决定。 He-Ne、CO2激光器都有共振转移。 He*+Ne→Ne，+ He－0.048eV
+A’→e+A++e e 结论：a. 逐次激发和逐次电离使要求的电子平均能量 降低。
b. 亚稳态原子使受激原子寿命
增加，使逐次激发和逐次电离的概率增加。
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第一章 气体放电的基本原理
（4）电子与正离子碰撞引起的激发和电离
激发 电离
e +A+→e+(A+)’
+ ++ e +A →e+A +e