二氧化碳激光器(北理工)

nullnull四 二氧化碳激光器null4.1 C02激光器的工作原理 C02分子内能包括： 电子内能＋分子中原子间的振动能级＋ 分子的整体转动能级 1 二氧化碳分子振转能级结构 振动能级： 对称振动 V1 弯曲振动 V2 （角量子数 l） 反对称振动 V3 转动能级： 转动量子数 J : J=l,l+1,l+2…….. null2 二氧化碳激光器的激发机理 能级跃迁图：上能级的激发 下能级的激发 弛豫过程 辅助气体 N2 CO He Xe H2 H2O 转动能级的竞争效应null2.1 激光上能级的激发 1）电子直接碰撞激发： CO2（0000）+e′ CO2（0001）+e 2）串级激发： CO2（0000）+e′ CO2（000v3）+e CO2（000v3）+ CO2（0000） CO2（000v3－1）+ CO2（0001） 3）共振转移激发 N2*（v＝1，2，3。。。）+ CO2（ 0000） N2(v＝0)+ CO2*（000v3＝1，2，3。。。）+△E CO*（v＝1）+ CO2（ 0000） CO(v＝0)+ CO2*（0001）+△E 4）复合激发 CO＋O CO2（0001）+△E null2.2 激光下能级的激发 1）电子碰撞激发 直接激发 CO2（0000）+e′ CO2（1000）+e 逐级激发 CO2（0000）+e′ CO2（0110）+e CO2（0110）+e′ CO2（1000）+e 2）串级激发 高能级的粒子辐射跃迁或驰豫碰撞到1000或0200能级 3）分子碰撞激发 CO2（0110）+ CO2（0110） CO2（1000）+ CO2（0000）－ △E 4）费米共振激发 CO2（0200） CO2（1000）－ △Enull3 二氧化碳激光器驰豫过程 1）激光上能级的驰豫 分 体积驰豫 和 管壁驰豫，驰豫速率与气压有关，体积驰豫还与辅助气体种类及其气压有关 2）激光下能级的驰豫 第一步 1000和0200能级的分子与基态分子碰撞，二者都会驰豫到0110振动能级 CO2（1000）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0110)+ 52cm-1 CO2（0200）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0110)-50cm-1 其他气体与CO2分子的碰撞也能使CO2（1000）驰豫到CO2 (0110)。这个过程进行的速度很快。 第二步 驰豫到0110能级的CO2分子与基态CO2分子及其他气体分子碰撞驰豫到基态。 CO2（0110）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0000)+ 667cm-1 CO2（0110）+ M CO2 (0000)+ M+△Enull 此驰豫存在瓶颈效应： 当CO2激光器中不加其他气体，只靠CO2分子之间的碰撞时，1000驰豫到0110的速率比从0110驰豫到0000的速率高得多，因此0110能级上的粒子将被堆积起来，而第一步过程是可逆的，这会使得1000和0200能级上的粒子数增加，造成反转粒子数下降。 null4 辅助气体 N2： 增大CO2分子0001能级的激发速率,还能增加0110能级的驰豫速率 CO：增大CO2分子0001能级的激发速率，还能增加0110能级的驰豫速率，但太高时会使0001能级消激发 He：1 降低工作气体的温度，增加输出功率 2 He对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出功率 3 缓冲CO2向管壁扩散，减少0001态CO2分子与管壁的碰撞消激发作用 nullXe：增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低，从而提高激光器的效率 H2： H2O：提高器件的输出功率，并且延长器件寿命 Ar：降低管内电子温度，有利于上能级激发，但导热率不如Henull4.2 普通CO2激光器的工作特性和输出特性 1 电子温度 E/N范围：10－16～ 10－15 Vcm2 E/N小，电子转换效率高，但放电管难以着火 E/N大，能量大多转换给电子的激发态，电子转换效率低 2 增益 1）放电电流的影响：存在最佳值 2）管壁温度的影响：封离型增益随管壁温度上升而下降 流动型增益与管壁温度无关 3）气压 存在最佳气压值null4） 管径的影响 封离型增益随管径D增大略有下降 流动型增益随D增大很快减小 5） 增益的径向分布 按零阶贝赛尔函数分布 3 输出功率 影响输出功率的因素： a）注入功率的影响 是量子效率 是管内允许气体温度增加的最大值 nullb）放电管尺寸的影响 放电管长度：PW=KL 功率随放电管长度增加而增加 放电管径： 谱线为非均匀增宽时，总输出功率与放电管直径无关 谱线为均匀增宽时，总输出功率随管径增大而增大 C）放电参数的影响 存在最佳放电电流 总气压也存在最佳值 D）气体温度的影响 PW=AT-3/2 温度影响的原因： 1. 温度升高使下能级粒子数增多，上能级消激发增大，反转粒子数减少，输出功率下降 null 2.随气压的增高，线宽加大，输出功率下降 3.温度升高增加了CO2分子的分解，输出功率下降 降低温度采用冷却：扩散冷却 对流冷却 4 输出谱线 转动能级的竞争效应null4.3 普通CO2激光器的结构与设计 1 结构 电极 放电管 储气管 回气管 冷却水管 谐振腔镜 2 小型CO2激光器的设计 针对小型封离型CO2激光器null 1）确定谐振腔的主要尺寸 放电管长度： l＝PW/W0 总长度 L=l＋2△l △l 为总长的5－15％ 一般采用大曲率平凹腔，凹面镜的曲率半径为 R=2 ～3L 放电管直径D： 针对基横模运行，D=3ω凹 多模输出，D≥4ω凹 2) 确定谐振腔的参数 总损耗 α＝α m＋αmnnull 由经验表达式算出G0和Is 再由 计算最佳耦合时输出镜的透过率 4.4 高功率CO2激光器 1 高功率CO2激光器特点 工作气体快速冷却 大体积放电的均匀性与稳定性 放电激励技术多样化 提高工作气体压力以提高激光功率 设计最佳放电E/N值 优良的光束质量 优良的红外光学元件 能连续输出又能脉冲输出 null2 轴快流CO2激光器 气流方向与激光束输出方向一致 结构：风机的选择：罗茨风机 涡轮风机 热交换器 湍流发生器 工作特性： 3 横流高功率CO2激光器 放电方向 气流方向 激光束输出方向互相垂直null4.5 横向激励高气压CO2激光器（TEA） 1 特点 工作气压高 采用横向激励方式 电极面积大 施用预电离技术 2 常用的TEA CO2激光器结构 1） 针板TEA CO2激光器 结构比较简单，易实现均匀激励，效率不高，光束质量不太好 2） 双放电TEA CO2激光器 阴阳极之间加了一个预电离电极 3）紫外光预电离TEA CO2激光器 4）电子束预电离TEA CO2激光器 null3 TEA CO2激光器的工作特性 1）增益开关效应 激光器的光脉冲输出是由于腔内高增益的迅速建立而形成的 2）激光脉冲的瞬时特性 两个峰值： 一个由电子直接碰撞激发形成 一个由N2分子激发形成 3)输出能量与激励能量的关系 呈线性关系，注入能量过大会出现弧光放电等不稳定现象 4）输出能量，脉冲功率与气压的关系 输出能量随气压增高而增高 脉冲宽度随气压增高而减小 5）光束质量 由于存在各种不均匀性，光束质量不如CO2普通激光器好null4.6 高功率CO2激光器的结构设计 1 谐振腔的设计 光桥 镜子支承座 光桥托 2 放电系统的结构设计 2.1 横流电激励： 1）针－板式放电结构 阴极：铼钨针 串接镇流电阻r与R 阳极：紫铜板 边缘倒圆 放电区气流风道：与振荡模体积和风机能力有关 喉道的设计 阴阳极间距离null 提高工作气压的好处： 1 输出功率随气压增大而增大 2 不纯气体比相应减小，有利于长时间运行 3 气压增加，碰撞引起谱线加宽，减小纵模平移的影响 4 气体质量流量随气压增大而增大，有利于风机的正常工作，同时气体温度不易上升 2）管－板式放电结构 阴极： 放置位置： 气流上游前沿与阳极前沿对齐 与导流板之间必须留有足够的空隙 应置于喉道渐缩段内 寿命：与管径大小有关，管径小寿命长 材料：无氧铜 水冷镍阴极null 阳极： 条形，两端圆弧过渡，紫铜制造 辅助阳极 阳极长度不匹配： 电极缩短，抑制瞬间飞弧的进一步扩展，在工作气质变劣时也能稳定放电 电极过短，特别气质变劣情况下，异常辉光放电区变大 阳极的绝缘处理 气流风道极间距离的确定： null4.7 CO2波导激光器 1、结构 放电管、贮气管、回气管、水冷系统、谐振腔、电极等 放电管由波导管组成 2、工作特点 放电管内径小、工作气压高、谱线加宽、输出功率密度可提高 3、耦合损耗 外部反射镜与波导管的耦合 针对波导管中传输的EH11模，存在三个低损耗区 反射镜与EH11模相匹配时，三种低损耗区 反射镜与EH11模不匹配时，三种实用的低损耗配置nullnullnull