第三章二氧化碳激光器
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被激发到激光上能级(0001)的CO2分子,除了 受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使 其衰减.我们把后者引起的衰减称为消激发.
引起消激发的主要原因:碰撞和扩散.
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Laser Device and Technology （四） CO2激光器激光下能级的弛豫
10.6μm 0001 1000 9.6 μm 0001 0200
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虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激 光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各转 动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-7~ 10-8s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上 的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上 来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞 争效应.由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱 线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其 他谱线振荡.
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第二步: 0110能级的驰豫
CO2(0110)CO2(0000)2CO2(0000)667cm1 CO2(0110)MCO2(0000)E
实验发现,CO2激光下能级的“抽空”主要是靠气 体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞.所以放电管直径 的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光器更是如 此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那样一定要用很细 的毛细管.
由于CO2分子激光下能级1000和0200的辐射寿命很长 ,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发 辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数.为尽 快抽空下能级,必须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能 级的弛豫过程分为两步进行:
第一步: 1000和0200能级的驰豫
C2(O 100 0 )C2(O 000 0 ) 2 C2(O 01 0 1 )5c2 m 1 C2(O 000 2 )C2(O 000 0 ) 2 C2(O 01 0 1 )5c0 m 1
C2 (0 O 0 0 0 ) e C2 * (O 000 3 ) e ' C2 (0 O 00 3 ) C2 (0 O 0 0 0 ) C2 * (O 000 3 1 ) C2 * (O 00 1 ) 0
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Laser Device and Technology 3. 共振转移激发
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纵向封离型 高气压型（ TEACO2 ） 流动型（轴快流、慢流）
气动型 波导型
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(1) 运转方式：连续或脉冲; (2) 输出功率或能量相当大,Biblioteka Baidu
能量转换效率效率高; (3)波长范围：9-11 μm
其中10.6μm位于大气传输的窗口； (1) (4)人眼使用安全：400-700nm损伤
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放电激励 纵向低气压激光器 横向高气压激光器
射频激励 化学激励 气动
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§3-1 CO2激光器的工作原理 （一） CO2分子的的能级结构 CO2分子的结构：
线性对称排列的三原子分子 三个原子排列成一条直线（分子轴） 中间是碳原子 两端是氧原子
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§3-2 纵向放电激励的CO2激光器
（一） 器件结构 尽管结构形式各异,但一般都是由工作气体,放电管, 谐振腔和电源所组成.
CO分子: C*(O 1 )C2(O 000 0 )
C(O 0)C2* O (00 1 0 )
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4. 复合过程 放电过程中,有部分CO2分子会分解成CO和O,
同时也存在CO和O的复合过程,在复合时,把原来 分解时所需要的能重新释放出来,使CO2分子激发 到0001能级.这个过程比前三个过程起的作用小 得多.
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Laser Device and Technology （三） CO2激光器激光上能级的激发过程
1. 电子直接碰撞激发 C 2 (0 O 0 0 ) 0 e C 2 * (0 O 0 1 ) 0 e '
式中: CO2*(0001) --CO2分子的激发态 2. 串级跃迁激发
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Laser Device and Technology （二） CO2分子的振转跃迁
CO 2分子二条最强的跃迁谱线
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思考题: 二氧化碳激光器中充入He气和N2气的作用分 别是什么？ 二氧化碳激光器的“瓶颈效应”指什么？怎 么克服？
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在CO2中掺有N2(氮)和CO,它们被电子碰撞激发 到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移 给CO2基态,使CO2跃迁到0001能级.
N2分子: N 2 *(3 1 ,2 ,3 ) C2(O 00 0 0 )
N 2 ( 0 ) C 2 * (0 O 03 0 1 ,2 ,3 ) E
引起消激发的主要原因:碰撞和扩散.
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Laser Device and Technology （四） CO2激光器激光下能级的弛豫
10.6μm 0001 1000 9.6 μm 0001 0200
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虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激 光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各转 动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-7~ 10-8s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上 的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上 来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞 争效应.由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱 线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其 他谱线振荡.
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第二步: 0110能级的驰豫
CO2(0110)CO2(0000)2CO2(0000)667cm1 CO2(0110)MCO2(0000)E
实验发现,CO2激光下能级的“抽空”主要是靠气 体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞.所以放电管直径 的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光器更是如 此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那样一定要用很细 的毛细管.
由于CO2分子激光下能级1000和0200的辐射寿命很长 ,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发 辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数.为尽 快抽空下能级,必须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能 级的弛豫过程分为两步进行:
第一步: 1000和0200能级的驰豫
C2(O 100 0 )C2(O 000 0 ) 2 C2(O 01 0 1 )5c2 m 1 C2(O 000 2 )C2(O 000 0 ) 2 C2(O 01 0 1 )5c0 m 1
C2 (0 O 0 0 0 ) e C2 * (O 000 3 ) e ' C2 (0 O 00 3 ) C2 (0 O 0 0 0 ) C2 * (O 000 3 1 ) C2 * (O 00 1 ) 0
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Laser Device and Technology 3. 共振转移激发
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纵向封离型 高气压型（ TEACO2 ） 流动型（轴快流、慢流）
气动型 波导型
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(1) 运转方式：连续或脉冲; (2) 输出功率或能量相当大,Biblioteka Baidu
能量转换效率效率高; (3)波长范围：9-11 μm
其中10.6μm位于大气传输的窗口； (1) (4)人眼使用安全：400-700nm损伤
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射频激励 化学激励 气动
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§3-1 CO2激光器的工作原理 （一） CO2分子的的能级结构 CO2分子的结构：
线性对称排列的三原子分子 三个原子排列成一条直线（分子轴） 中间是碳原子 两端是氧原子
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§3-2 纵向放电激励的CO2激光器
（一） 器件结构 尽管结构形式各异,但一般都是由工作气体,放电管, 谐振腔和电源所组成.
CO分子: C*(O 1 )C2(O 000 0 )
C(O 0)C2* O (00 1 0 )
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4. 复合过程 放电过程中,有部分CO2分子会分解成CO和O,
同时也存在CO和O的复合过程,在复合时,把原来 分解时所需要的能重新释放出来,使CO2分子激发 到0001能级.这个过程比前三个过程起的作用小 得多.
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1. 电子直接碰撞激发 C 2 (0 O 0 0 ) 0 e C 2 * (0 O 0 1 ) 0 e '
式中: CO2*(0001) --CO2分子的激发态 2. 串级跃迁激发
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CO 2分子二条最强的跃迁谱线
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思考题: 二氧化碳激光器中充入He气和N2气的作用分 别是什么？ 二氧化碳激光器的“瓶颈效应”指什么？怎 么克服？
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在CO2中掺有N2(氮)和CO,它们被电子碰撞激发 到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移 给CO2基态,使CO2跃迁到0001能级.
N2分子: N 2 *(3 1 ,2 ,3 ) C2(O 00 0 0 )
N 2 ( 0 ) C 2 * (0 O 03 0 1 ,2 ,3 ) E