常用气体激光器讲解

表 氩离子激光的可见光光谱线
激光跃迁能级
4P2S01/2——4S2P1/2 4P2D03/2——4S2P3/2 4P2P03/2——4S2P1/2 4P2D05/2——4S2P3/2 4P2D03/2——4S2P1/2 4P4D05/2——4S2P3/2 4P4D03/2——4S2P3/2
波长(nm) 457.9 472.7 476.5 488.0 496.5 514.5 528.7
RgX基态分子寿命极短，为 10-13s量级，它沿着自己的势能 曲线想核间距增大的方向移动， 直至最终离解成独立的原子 Rg+X。激发态RgX*能级寿命 为10-8s量级，比基态稳定，因 此很容易形成粒子数反转。
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采取两次电子碰撞将 氩原子激发到 3p44P态 要比直接碰撞、一次将 氩原子激发到3p44P态的 电子能量要小，后者只 能在低气压放电中才有 如此大的能量 （35.5eV）。
由于3p44P 和 3p44S能级上有许多 不同的电子态，所以 氩离子激光输出由丰 富的谱线。最强的谱 线波长是488.0nm、 514.5nm。
纵向电激励水冷内腔式封离型 CO2激光器的典型结构
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折叠式CO2激光器（水冷套未画出） 横向循环流动CO2激光器
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纵向流动CO2激光器
三 、输出特性
1、能量转换效率高 ： 20～25% (氦氖激光器的能量转换 效率仅为千分之几) ；
2、常用的CO2激光器输出波长为10.6 m ，属于中红外区，
3.He对CO2分子有冷却作用，也可加速下能级粒子数抽空；
4.Xe的电离电位低，激光器内的气体易电离，使CO2分子能 量转换效率提高10％～15％。同时在维持放电电流相同的情 况下，加入Xe后可使放电电压下降20％～30％。 5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空，H2O蒸汽有利于 CO2分 子的还原，可延长寿命。
氩离子激光器
原子或分子因某种原因失去电子或获得电子的过 程称为电离。若原子失去电子，称为正离子，反 之则称为负离子。
利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为离 子激光器。氖、 氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等 均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输出 功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连续 或脉冲输出。
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二、基本结构
氩离子激光器包括： 放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。
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氩离子激光器分段石墨放电管
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国产的氩离子激光管
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三、输出特点
1、是一种惰性气体离子激光器 ，在离子激光器中输出效率 最高；
2、其输出波长较多，主要有 514.5nm和488.0nm两个蓝绿色 的谱线，是可见光区域中最强的激光器。 ；
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3、CO2分子激发机理
N2分子受到电子碰撞后 被激发并和CO2分子发生 碰撞， N2分子把获得的 能量传递给CO2分子，使 大量的CO2分子被激发到 001能级时，能级001和 能级 100之间形成粒子数 的反分布。
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100能级和020能级的分 子迅速跃迁到亚稳态010能 级上。因此必须把跃迁到 010能级上的CO2分子立即 抽空，否则不利于粒子数 的反转。
3、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。
4、输出波长易 被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物 止血效果最好。 在临床上主要用于外科手术，用它作“光 刀” ，尤其是上、下消化道出血时，氩离子激光器可以利用 光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科 凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。
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二、工作原理
通常情况下，基态的稀有气体原子化学性质稳定，因此呈 两种气体混合状态（Rg+X） 。但当它们受到激发时，如电子 束的轰击或高压激励等，稀有气体原子就可能从基态跃迁到激 发态，甚至被电离，这时很容易和另一个原子形成一个寿命极 短的分子（RgX） ，这种处于激发态的分子称受激二聚物， 简称准分子。
He原子质量小，运动 速度快，频繁地碰撞 CO2分子，高效地抽运 010能级上的CO2分子 ，大大提高了粒子数反 转程度。
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二、基本结构
所谓封离型是指 工作气体被密封在放 电管内(由放电管、 水冷管和储气管三层 结构组成 )。
它的优点是结构 简单、紧凑。但它的 单位放电长度可输出 的功率比其他结构的 （如流动型和气动型） CO2激光器要低。
或率（W） 0.35 0.30 0.75 1.50 0.70 2.00 0.34
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准分子激光器
一、工作物质
“准分子” ：不是稳定分子。它是混合气体受到外来能量 激发所引起的一系列物理和化学的反应中曾经形成但转瞬即 逝的分子，其寿命仅为几十毫秒。
这类激光器的工作物质是受激的气体原子(如Ar、Kr、 Xe，用Rg表示)和卤元素(例如F、Cl，用X表示)结合而成 的准分子，如氟化氩(ArF)、氯化氪(KrCl)、氟化氙(XeF) 等;
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一、工作原理
激发过程一般分两步： 气体放电后，放电管中的 高速电子与中性氩离子碰 撞，从氩离子中打出一个 电子，使之电离，形成处 在基态上的氩离子；该基 态Ar+再与高速电子碰撞， 被激发到高能态，当激光 上下能级间产生粒子数反 转时，即可产生氩离子激 光。
因此，氩离子激光器的 激活粒子是Ar+。
对人眼损害小；
3、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励 ；
4、温度效应 转换效率最高也不会超过40％，这就是说 有60％以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将 引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。使激 光器的输出功率下降，因此，冷却问题是CO2激光器正常运 转的重要技术问题。
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二氧化碳激光器
属分子气体激光器
一、工作原理
1、CO2分子运动
CO2分子有三种不同的运动形式：
1.对称振动(b) 2.形变振动(c)
3.非对称振动பைடு நூலகம்d)
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方向相反
2、工作物质
1.CO2气体是工作物质，辅助气体有N2、He、Xe和H2等；
2.N2在气体中起能量转移作用。N2分子受电子碰撞的概率 很大，放电中使大量N2处于亚稳态。通过近共振碰撞把内能 转移给CO2分子，实现粒子数反分布 ；