二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤

气体激光器
氦:在CO2 +N2 混合气体中,加入适量的He(He的含量可以是 CO2 的4～5倍)可以大幅度提高输出功率。其原因是:He原子 质量轻,导热率高(其导热率比CO2和N2高约一个数量级),可有 效降低工作气体温度,提高输出功率。另外He对CO2分子激光 下能级100 0、020 0和011 0的弛豫作用远大于其对激光上能级 000 1能级的弛豫作用,有利于实现粒子数反转。在高气压CO2 激光器中,He的主要作用是改善气体放电的均匀性。
概述
光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈 。在CO2激光器中的光学谐振器由全反射镜 和部分反射镜组成，光学谐振腔通常的作用 ：控制光束的传播方向、选择被放大的受激 辐射光频率以提高单色性、增加激活介质的 工作长度、谐振腔的参数影响输出激光束的 质量。
能级
1、粒子数反转（激光产生的基本条件）
气体激光器
水蒸气和氢:
在CO2 +N2 +He混合气体中再加入少量的水蒸气或H2 ,能提 高器件的输出功率和使用寿命。原因是H2O 分子对CO2 分 子激光下能级100 0以及011 0能级的弛豫速率很大,且H2O分 子振动能级寿命很短,可以很快返回基态。H2 的作用与H2O 相同,因CO2 分子在放电时会离解出O,H 2 与O合成H2O 。因 H2 在常态下是气体,其充入量比水蒸气更易于控制,故常用 H2 代替水蒸气。混合气体中,H2O和H2的含量一般在13.3～ 40Pa之间,不能过高,因为它们除对激光下能级10 0 0和011 0 有很强的抽空作用外,对激光上能级00 0 1能级也有显著的消 激发作用。由于H2O和H2能对CO与O的复合起催化作用,故 能延长CO2 激光器的使用寿命。
含N2 组分为CO2 +N2 +He+Xe+H2 ,
含CO组分为CO2 +CO+He+Xe,
含N2 组分的输出功率要高于含CO组分。
上述各种气体成分在CO2激光器中的主要作用:
氮:N2 是CO2 激光器中最主要的辅助气体,其作用主要是提高 CO2 分子0001能级的激发速率,同时加快011 0能级的弛豫速 率。加入适量的N2 后,能明显提高输出功率。但其含量不能 太高,因总气压一定时,N2含量高,则CO2含量就相应降低,且放 电时CO2 离解出的O会与N2 发生化学反应,生成N2 O和 NO, 它们对CO2 分子的000 1能级有消激发作用。
氙:在CO2 +N2 +He混合气体中,加入少量的Xe,可使输出功率 进一步提高约30%～40%,能量转换效率提高10%～15%。原 因是:Xe的电离电位低,加入后可增加放电气体中的电离度,使 E/N值降低(充有Xe的放电管管压降可以下降20%),从而提高激 光器的效率。混合气体中Xe的含量有一最佳值,一般其分压强 在107～160Pa之间。Xe的含量不可过高,过高虽使电子密度增 加,但电子碰撞机会也随之增加,导致电子温度下降。
输出特性
气体激光器 气体和金属蒸气作为工作物质。 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将
气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁 发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有 CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光 器的典型代表是CO2 激光器。
光谱能被吸收后，会导致原子由低能级向高 能级跃迁，部分跃迁到高能级的原子又会跃 迁到低能级并释放出相同频率单色光谱。
激光的特点
激光与普通意义上的光源相比较激光主要有 四个特点：方向性好、亮度极高、单色性好 、相干性好。
激光具有输出光束质量高、连续输出功率大 (CO2 激光器)等输出特性,其器件结构简单,造 价低廉。
激光原理与技术
主讲人：孔令浩
光
概述
一、 激光器的基本结构
激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构 成。
激光器的基本结构
工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用 源泉之所在。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作 物质类型不同,采用的泵浦方式不同。
E2
粒子数反转
E1
在通常情况下，处于低能级E1的原子数 大于处于高能级E2的原子数，这种情况
得不到激光。为了得到激光，就必须使
高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的 原子数目，因为E2上的原子多，发生受
激辐射，发出光。
能级
所有的光都是原子、分子能级变化所造成的 。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成 为特定波长的光。
wenku.baidu.com激励方式
气体激光器一般采用气体放电激励，射频激励电能利用率高， 放电稳定，可实现大面积均匀放电，因而可按增益面积比例 提高器件的输出功率，使大功率器件的体积大为缩小，板条 式激光器的放电面积每平方厘米功率输出1.5W到2W；射频 能量可以通过介质材料进行放电。如陶瓷介质，射频电极在 波导外，射频能量可以透过陶瓷介质直接馈入到激光器工作 气体中去，因此激光谐振腔内减少电极溅射与污染，有助于 延长激光器的寿命。
其二是输出波长分布在9～18μm波段,已观察到的激光谱线二百 多条。 其中,9～11μm红外波段中最重要的输出波长10.6μm处于大气 传输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应 用,且该波长对人眼安全。 CO2 激光器于1964年问世。
气体激光器
D气体成分
实验发现,当CO2 激光器中充有适量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、 H时2,O输等出气功体率时则,输显出著功下率降显。著为提提高高。输而出当功充率有,CAOr2、激N2光O器等都气充体有 不同组分的辅助气体,主要分为含N2 组分与含CO组分两种。
波长范围：
气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外—远红外波段。
气体激光器
三、Co2激光器 CO2 激光器是一种混合气体激光器, CO2 为工作物质, 是提N高2激、光He器、的C输O、出X功e、率H和2 效O、率H。2 与O2 等为辅助气体,其作用 CO2激光器的输出特性有两个显著的特点:
其一是输出功率或能量相当大,能量转换效率高。 续输C出O功2 激率光最器高连的续器输件出;脉功冲率输可出达能数量十可万达瓦数,是万所焦有,脉激宽光可器压中缩连 到纳秒量级,脉冲功率密度可达太瓦量级。