二氧化碳雷射(CO2 Laser) 简介 - 郭艳光.DOC

題目：CO2 雷射 教授：郭艷光老師 學號：8522029 姓名:林木壹 Introduction CO2雷射是典型的分子雷射器件，它的應用相當廣泛。它具有許多顯著的優點，比如它的能量轉換效率高，一般可達20一25%，可見輸出功率相當高，其目前在工業應用中最高連續輸出功率已達萬瓦級，而大氣壓脈衝CO2雷射器件的脈衝輸出能置可達萬焦耳。高氣壓鎖模CO2雷射輸出的光脈衝寬度可在毫微秒數量級。 再來CO2雷射重要的應用之就是用它來對材料進行打孔、切割、焊接和熱處理。特別是對玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、壓克力、竹木 等材料的打孔、切割、雕刻加工等尤為有效。它在醫療上可用作 手術刀，已經應用於皮膚科、外科、神經外科、矯形外科、婦產 科、五官科等的臨床治療上。其中中功率連續輸出的器件也已用 於癌症的治療。此外還可用CO2雷射來研究物質的非線性光學現 象和進行雷射核聚合反應，同位素分離等的研究。 二．工作原理 l．CO2分子的結構 CO2分子是一種線性對稱排列的三原子分子。三個原子排列成一直線。中央是碳原子，兩端是氧原子。如圖1所示。它有三種基本運動形式。這就是分子的轉動，振動和電子軌道運動。由於CO2雷射的躍遷譜線主要與振動能級有關。 先來考察一下CO2分子的振動狀況。 圖一 CO2三種基本運動形式 分子振動模型 CO2一般有三種振動形式。根據量子理論，它的每一個振動能級將有三個量子數來表達。這是與雙原子分子的振動能級不同的地方。因為雙原子分子的振動形式只有一種，因此只用一個量子數u就能描述振動能級了。CO2分子振動的三個基本模式分別為: (1)反對稱振動模:三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的 運動力向與兩個氧原子的相反 (如圖一) 。 (2)對稱振動模:三個原子也是沿著對稱軸振動。但碳原子保持在平衝位置不動，而兩個氧原子同時向著碳原子或背著碳原子振動 (如圖一) 。 (3)形變振動模:三個原子的振動力向不是沿對稱軸的，而是垂直於對稱軸。並且碳原子的運動力向與兩個原子的相反。因為它又對應於兩種簡并的振動力式 : 一種是三個原子作上下振動，一種是作前後振動。在無外場時，這兩種振動力式所具有的能量相同。但其基振動頻率υ= 2×lO13Hz ， ( 如圖一所示) 。 2.CO2雷射的能級躍遷原理 : 雖然有大量的躍遷，但是，實際上同時發生振盪的 波長，只有1 一3個，這是由於轉動躍遷競爭的結果。 CO2雷射其在氣體放電中被激發的基本過程有 : (1)電子直接碰撞激發 : 具有適當能量的電子與基態CO2分 子發生非彈性碰撞，直接將CO2分子從基態激發至001能級 CO2(000) +e快速 CO2(0001) 十e慢速 電子直接激發CO2、雷射的能級躍遷原理 :分子至 (0001) 能級的截面相當大，在電子能量等於 0.3eV時， 高達 5 ×10-16 cm2 (2)串級躍遷:電子碰撞也可能把CO2分子激發到CO2雷射的能級躍遷原理能級上去，這些被激發的CO2分子，可能迅速地，逐級地串聯弛豫到 (0001) 能級中去，即 CO2 *(00v3) 十CO2 (000) CO2(0,0,v3-1)+ CO2*(0001) (3)復合過程。在CO2，混合氣體放電過程中，部份CO2、分子被離解成CO 和氧原子O，它們再復合時能形成處於 (0001)能級的CO 2分子。 (4)CO*(v =l) 的共振能量轉移。另外一個過程是CO分子被電子所激發，然後與基態CO 2分子碰撞，通過轉移能量把CO 2分子激發到 (0001) 能級。CO 2分子的電離能比較小 ( 2.8eV)，在放電過程中，形成大量CO分子，所以這一個激發過程對形成CO 2分子的粒子數反轉起十分直要作用。CO*(v =1)的能量與CO 2、(0001) 的能量只差170cm-1 ，因此能量轉移速率很大，而電子碰撞激發CO的截面也相當大，在電子能量為1.7eV時， 高達 8 ×10-6cm2 。 (5)激發態氮分子的選擇激發。如果在CO 2中適當地加入一些其它氣體原子或分子，還可以有其他的一些激發過程。例如 :加入N2就有選擇激發CO 2分子的(0001)能級的作用，因為N2的量子數為1， 能級與CO 2的 (0001)能級僅相差l8cm-1，能量轉移的速率是極快的。 上述幾個激發泵浦過程的截面都是十分大的，這也就能解釋為什麼CO 2雷射的效率那麼高的原因。 要實現雷射振盪，一個必要的條件是要求上能級壽命大於下能級壽命。就單獨CO 2分子而言，其(0001 ) 能級的壽命是 2.4×10-3秒，但其下能級(l 00 0)壽命達