激光器件与技术第三章1
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CO2(0110) CO2(0000) 2 CO2(0000) 667cm1 CO2(0110) M 2 CO2(0000) E
M表示其他分子或管壁 这一步非常重要，所以要加辅助气体，如不加辅助气 体，则会在（0110）能级上形成粒子数的大量积累， 又有可能重新被激发到激光下能级，造成反转粒子数 的下降，这称为瓶颈效应。
CO2(0 00 v3) CO2(0000) CO2(000v3 1) CO2(0001)
激光器件与技术
3、共振转移激发 在CO2激光器中往往掺有许多辅助气体如N2和CO等， 这样能量转移过程也可发生。
N2(v 1,2,3) CO2(0000) N2(v 0) CO2(000v3 1,2,3)
二、CO2激光上能级粒子数的激发和消激发 CO2激光器常采用电激励，在气体放电中， CO2被激发 到激光上能级，主要激发过程如下： 1、电子直接碰撞激发
CO2(0 00 0) e CO2(0001) e
电子要有适当的能量
2、串级跃迁激发
CO2(0 00 0) e CO2(000v3) e
激光器件与技术
3）反对称振动：三个 原子沿分子轴振动，其 中碳原子的振动方向与 两个氧原子的相反。
用v3表示这一振动的振动量子数。 V3 = 0，1，2 …
2、 CO2分子的振动能级
CO2分子的总振动能量是以上三种振动方式的能量 之和，所以振动的能量状态，应由三个振动量子数
V1 、 V2 、 V3 来确定，其振动能级用 来标记。
由于子能级的存在，跃迁谱线要 有很多条，但在激光器中能同时 形成激光振荡的只有1至3条。
转动能级的竞争效应：同一振 动能级的各转动能级之间靠得 很近，能级转移很快，一旦某 一转动能级上的粒子跃迁后， 其他能级上的粒子就会立即按 波尔兹曼分配律，转移到这个 能级上来，而其他能级上的粒 子数减少。
激光器件与技术
(v1 vl2 v3)
激光器件与技术
CO2分子的能级图 CO2分子可产生的跃 迁很多，其中最强的 有两条：
0 00 1 1000
波长约为10.6m
0 00 1 0200
波长约为9.6m
所以很容易产生粒子数反转
激光器件与技术
CO2分子除了振动运动以外还有分子转动运动，在转 动的影响下，振动能级要分裂成很多子能级。
被激发到激光上能级的分子，除了受激辐射以外， 还存在其他一些因素使其衰减，我们把后者引起的衰 减称为消激发。
在CO2激光器中，引起消激发的主要原因有：碰撞、 扩散。
CO2分子之间，以及CO2分子与其他辅助气体之间发生 碰撞时会因能量转移而产生消激发。
CO2分子向放电管的管壁扩散也要产生消激发。
激光器件与技术
关于作业：
伏安特性曲线
激光器件与技术
复习： 1、影响He-Ne激光器输出功率的因素
（1）放电条件对输出功率的影响
（2）透过率和损耗对输出功率的影响 （3）谱线竞争对输出功率的影响 （4）使用氦的同位素可提高输出功率
2、输出功率的稳定性 噪声 功率漂移 3、 He-Ne激光器的偏振特性 4、影响He-Ne激光器寿命的因素有： 5、 He-Ne激光器的稳频 频率的稳定性有两种含义： 频率的稳定度
稳频的方法 被动稳频： 主动稳频：
再现性
激光器件与技术
第三章 二氧化碳激光器
CO2激光器属于分子激光器，其特点是既能连续工作又 能脉冲工作，输出功率大，效率高。
连续输出功率 脉冲能量
数十万瓦级 数万焦耳
转换效率
20%--25%
CO2激光器有多种形式：
封离型、流动型、气动型、大气压型、横向激励型、 波导型、射频激励型等。
激光器件与技术
§3-1 CO2激光器的工作原理 一、 CO2的能级图及辐射光谱 1、 CO2分子的基本振动模
CO2分子是线性对称排列 的3原子分子，三个原子 排列成一直线，中央是 碳原子，两端是氧原子。 CO2分子处于不断振动中，其基本振动形式有三类：
激光器件与技术
1）对称振动：碳原子 不动，两个氧原子在 分子轴上同时相向或 背向碳原子运动。
其中，N2(v 1) 与 CO2(0001)之间的共振转移最重要
CO(v 1) CO2(0000) CO2(v 0) CO2(0001)
这种能量转移的几率也很大
激光器件与技术
4、复合过程
在气体放电过程中，CO2会分解成CO和O，同时也存 在CO与O的复合过程，在复合时，能把原来分解时所 需要的能量重新释放出来，使CO2分子激发到上能级。
CO2(1000) CO2(0000) 2 CO2(0110) 52cm1 CO2(0200) CO2(0000) 2 CO2(0110) 50cm1
这一步速度很快 其他气体与CO2分子碰撞也能使CO2（1000）弛豫到 CO2（0110）能级。
激光器件与技术
第二步：弛豫到（0110）的CO2分子与基态CO2分子或 其他分子碰撞弛豫回到基态。
在无外界干扰时，这两种振动方式所ຫໍສະໝຸດ Baidu有的能量相同。
两种振动方式是相互垂直的，其合振动构成圆周运 动，合振动的角动量在分子轴上的投影也是量子化 的，用量子数l 表示。 l = v2, v2-2, v2-4, … 0。(v2为偶数） l = v2, v2-2, v2-4, … 1。(v2为奇数）
形变振动的能量量子数表示为： vl 2
三、CO2激光下能级粒子数的抽空弛豫过程
激光器件与技术
激光下能级（1000和0200）的粒子，不能靠自发辐射 很快返回级态，所以要尽快抽空下能级，必须靠与其 他粒子的碰撞。碰撞抽空下能级的弛豫过程分两步： 第一步：1000和0200能级的CO2分子与基态CO2分子的 碰撞，二者都会弛豫到0110能级。
对称振动的能量是量子化的，其大小与振动量子数有关：
振动量子数用v1表示。 V1=0，1，2 …
2）形变振动：三个原 子的振动方式不是沿 分子轴线，而是垂直 于分子轴线，并且碳 原子的振动方向与两 个氧原子的相反。
激光器件与技术
形变振动的能量也是量子化的，其大小与振动量 子数有关： 振动量子数用v2表示。 V2= 0，1，2 … 这类振动是二度简并的，因为它对应着两种振动方式。
M表示其他分子或管壁 这一步非常重要，所以要加辅助气体，如不加辅助气 体，则会在（0110）能级上形成粒子数的大量积累， 又有可能重新被激发到激光下能级，造成反转粒子数 的下降，这称为瓶颈效应。
CO2(0 00 v3) CO2(0000) CO2(000v3 1) CO2(0001)
激光器件与技术
3、共振转移激发 在CO2激光器中往往掺有许多辅助气体如N2和CO等， 这样能量转移过程也可发生。
N2(v 1,2,3) CO2(0000) N2(v 0) CO2(000v3 1,2,3)
二、CO2激光上能级粒子数的激发和消激发 CO2激光器常采用电激励，在气体放电中， CO2被激发 到激光上能级，主要激发过程如下： 1、电子直接碰撞激发
CO2(0 00 0) e CO2(0001) e
电子要有适当的能量
2、串级跃迁激发
CO2(0 00 0) e CO2(000v3) e
激光器件与技术
3）反对称振动：三个 原子沿分子轴振动，其 中碳原子的振动方向与 两个氧原子的相反。
用v3表示这一振动的振动量子数。 V3 = 0，1，2 …
2、 CO2分子的振动能级
CO2分子的总振动能量是以上三种振动方式的能量 之和，所以振动的能量状态，应由三个振动量子数
V1 、 V2 、 V3 来确定，其振动能级用 来标记。
由于子能级的存在，跃迁谱线要 有很多条，但在激光器中能同时 形成激光振荡的只有1至3条。
转动能级的竞争效应：同一振 动能级的各转动能级之间靠得 很近，能级转移很快，一旦某 一转动能级上的粒子跃迁后， 其他能级上的粒子就会立即按 波尔兹曼分配律，转移到这个 能级上来，而其他能级上的粒 子数减少。
激光器件与技术
(v1 vl2 v3)
激光器件与技术
CO2分子的能级图 CO2分子可产生的跃 迁很多，其中最强的 有两条：
0 00 1 1000
波长约为10.6m
0 00 1 0200
波长约为9.6m
所以很容易产生粒子数反转
激光器件与技术
CO2分子除了振动运动以外还有分子转动运动，在转 动的影响下，振动能级要分裂成很多子能级。
被激发到激光上能级的分子，除了受激辐射以外， 还存在其他一些因素使其衰减，我们把后者引起的衰 减称为消激发。
在CO2激光器中，引起消激发的主要原因有：碰撞、 扩散。
CO2分子之间，以及CO2分子与其他辅助气体之间发生 碰撞时会因能量转移而产生消激发。
CO2分子向放电管的管壁扩散也要产生消激发。
激光器件与技术
关于作业：
伏安特性曲线
激光器件与技术
复习： 1、影响He-Ne激光器输出功率的因素
（1）放电条件对输出功率的影响
（2）透过率和损耗对输出功率的影响 （3）谱线竞争对输出功率的影响 （4）使用氦的同位素可提高输出功率
2、输出功率的稳定性 噪声 功率漂移 3、 He-Ne激光器的偏振特性 4、影响He-Ne激光器寿命的因素有： 5、 He-Ne激光器的稳频 频率的稳定性有两种含义： 频率的稳定度
稳频的方法 被动稳频： 主动稳频：
再现性
激光器件与技术
第三章 二氧化碳激光器
CO2激光器属于分子激光器，其特点是既能连续工作又 能脉冲工作，输出功率大，效率高。
连续输出功率 脉冲能量
数十万瓦级 数万焦耳
转换效率
20%--25%
CO2激光器有多种形式：
封离型、流动型、气动型、大气压型、横向激励型、 波导型、射频激励型等。
激光器件与技术
§3-1 CO2激光器的工作原理 一、 CO2的能级图及辐射光谱 1、 CO2分子的基本振动模
CO2分子是线性对称排列 的3原子分子，三个原子 排列成一直线，中央是 碳原子，两端是氧原子。 CO2分子处于不断振动中，其基本振动形式有三类：
激光器件与技术
1）对称振动：碳原子 不动，两个氧原子在 分子轴上同时相向或 背向碳原子运动。
其中，N2(v 1) 与 CO2(0001)之间的共振转移最重要
CO(v 1) CO2(0000) CO2(v 0) CO2(0001)
这种能量转移的几率也很大
激光器件与技术
4、复合过程
在气体放电过程中，CO2会分解成CO和O，同时也存 在CO与O的复合过程，在复合时，能把原来分解时所 需要的能量重新释放出来，使CO2分子激发到上能级。
CO2(1000) CO2(0000) 2 CO2(0110) 52cm1 CO2(0200) CO2(0000) 2 CO2(0110) 50cm1
这一步速度很快 其他气体与CO2分子碰撞也能使CO2（1000）弛豫到 CO2（0110）能级。
激光器件与技术
第二步：弛豫到（0110）的CO2分子与基态CO2分子或 其他分子碰撞弛豫回到基态。
在无外界干扰时，这两种振动方式所ຫໍສະໝຸດ Baidu有的能量相同。
两种振动方式是相互垂直的，其合振动构成圆周运 动，合振动的角动量在分子轴上的投影也是量子化 的，用量子数l 表示。 l = v2, v2-2, v2-4, … 0。(v2为偶数） l = v2, v2-2, v2-4, … 1。(v2为奇数）
形变振动的能量量子数表示为： vl 2
三、CO2激光下能级粒子数的抽空弛豫过程
激光器件与技术
激光下能级（1000和0200）的粒子，不能靠自发辐射 很快返回级态，所以要尽快抽空下能级，必须靠与其 他粒子的碰撞。碰撞抽空下能级的弛豫过程分两步： 第一步：1000和0200能级的CO2分子与基态CO2分子的 碰撞，二者都会弛豫到0110能级。
对称振动的能量是量子化的，其大小与振动量子数有关：
振动量子数用v1表示。 V1=0，1，2 …
2）形变振动：三个原 子的振动方式不是沿 分子轴线，而是垂直 于分子轴线，并且碳 原子的振动方向与两 个氧原子的相反。
激光器件与技术
形变振动的能量也是量子化的，其大小与振动量 子数有关： 振动量子数用v2表示。 V2= 0，1，2 … 这类振动是二度简并的，因为它对应着两种振动方式。