CO2激光器详解共28页PPT资料

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激光上下能级的寿命和下能级的排空
CO2各能级的自然寿命都很长。0001能级的s=210-3秒，1000能级的 s=1.1秒。这是因为，00010000是允许的光学跃迁，而10000000是 禁戒的。这种情况对产生激光振荡十分不利。
在CO2激光器中有多种气体成分存在，使不同能级的衰变主要取决于 碰撞。
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图10 (f) 射频激励激光器
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4.准分子光器
准分子(Excimer)是束缚在电子激发态的分子，是一种处
CO2激光器
分子气体激光器利用分子的振动一转动能级之间 的跃迁。第一类分子激光器是振动一转动激光器。 它利用同一电子态(基态)的不同振动态的转动能 级之间的跃迁，振荡波长在中红外或远红外波段 (5-300 m)。第二类分子激光器是电子—振动激 光器。
CO2激光器是振动—转动分子激光器的代表。它 的工作气体是CO2,N2和He的混合物。原子里的 电子保留在基态，激光跃迁发生在CO2的不同振 动态的两个转动能级之间。CO2激光器效率高,输 出能量大,功率高。
CO2激光器输出光谱
CO2的振转能级非常密集，使CO2激光器输出的波长十分丰富。
00011000跃迁的波长范围是10.06m～11.02m；其中，P 支从P4～Ｐ56共有27条谱线，最强的是P18、P20、P22、和 P24。R支从R4～R54共有26条谱线，最强的是R18、R20、R22 和R24；
00010200跃迁，在9.13m到9.95m波长范围内，有40多条 谱线。
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图10 （b）纵向流动激光器
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图10 (c) 横向流动激光器
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图10 (d) 横向激励高气压激光器(TEA)
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图10 (e) 波导CO2激光器
N2(=1)+CO2(0001)N2(=0)+CO2(0001)-2.5103eV
因此，通过N2分子的近共振能量转移来泵浦0001能级是很 有效的过程。
N2是CO2激光器中的能量转移气体。当E/N=2．610-16Vcm2 时，输入电功率的大部分被用于激发0001能级。所以说CO2 激光器的效率是相当高的。
对CO2分子讲，在每一个振动能级上，不是所有J值的转动 能级都存在。在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支 是非禁戒的。P(20)指的是从上能级J=19到下能级J=20的 跃迁；R(20)指的是从上能级J=21到下能级J=20的跃迁。
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激发过程
激光跃迁可发生在00011000(≈10．6m)和 00010200(≈9．6m)两个过程中。但输出激光主要发生 在00011000过程中。 泵浦主要通过下面两个过程： 电子碰撞激发，这个过程表示为：
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N2分子的共振能量转移： 电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大。这些被激发的 很大一部分分子将被=1的能级所收集。N2的=1能级与 CO2的0001能级仅相差18cm-1(≈2.510-3eV)，因此，N2与 CO2的基态分子发生碰撞时，N2将激发能量转移给CO2分子， 使之激发到0001能级；这个过程可表示为：
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可能的跃迁：
根据波函数对称性的要求，在电子基态上的振动和转动波 函数应具有相同的对称性：对称振动的波函数是对称的， 弯曲振动和反对称振动的波函数是反对称的。J为偶数的 转动态的波函数是对称的，J为奇数的转动态的波函数是 反对称的。因此，在0001能级上，J为偶数的转动能级是 空的，在1000能级上，J为奇数的转动能级是空的。
CO2分子的0110能级能否被尽快排空。实际情况是，0110能级使分子到
基能级的衰变变慢，它的作用表现为一种瓶颈现象。
He的存在将对0110能级的寿命产生很大影响。He与0110能级上的CO2分
子碰撞的结果使0110能级的寿命达到=2×10-5秒。
He的存在不仅有助于抽空CO2分子的激光下能级，满足实现激光连续
CO2分子可以看作是一个“哑铃”形的刚性转子。转动量 子数为J的转动能级上的平衡粒子数为：
N J (2J 1 )e B(J J 1 )/kB T
在CO2分子的0001能级中，J=21的转动能级上的粒子数最多。
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CO2激光器的结构
CO2激光器的种类多，应用广泛。从激光器的结构来看， CO2激光器可分为 ： (1)纵向封离型激光器；(2)纵向流动激光器；(3)横向流 动激光器；(4)横向激励高气压激光器(TEA)；(5)射频激 励激光器；（6）波导CO2激光器；（7）气动激光器。
振荡的条件。而且有助于让放电区的剩余热量传走 。
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转动能级竞争
不同的振动能级之间的热平衡速率较小，约为103秒-1；而 在同一振动态上的不同转动能级之间的热平衡速率很大， 约为107秒-1)。于是，处在同一振动态的所有转动能级上 的全部粒子都对具有最高增益的那个转动能级的激光跃迁 有贡献。
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图10 (a) 纵向封离型激光器
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因此，通常是00011000跃迁中的P(22)支起振，在J=2l的转 动能级上的粒子数被迅速消耗，于是，其它转动能级上的
CO2分子将迅速跃迁到这一转动能级上来。就是说，P(22)支 振荡将吃掉其它转动能级上的粒子数,这就是转动竞争效应。
e * C 2 ( 0 O 0 0 ) 0 C 2 ( 0 O 0 1 )0 e
与这类过程相对应的电子碰撞截面非常大。当电子能量为 0.3eV时，峰值截面为510-10cm2。受到电子碰撞后被激发 到高振动激发态的CO2分子中的很大一部分将通过振动模与 振动模之间的能量交换（V-V迟豫），从激发态沿着能量 阶梯跃落下来，很容易被长寿命的0001能级收集。