激光原理、技术与应用课件：5_2 气体激光器.pptVIP

5.2 气体激光器;5.2 气体激光器;5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器; He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。 He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。 ; 外腔式如图中（b）所示，优点：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便. 但体积大，安装使用不方便，易破碎。 ; 二、氦和氖原子的能级图 激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激光跃迁的是Ne气。He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。图（5-10）为He和Ne的能级图。He原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子成为激发态。 He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。; 三、He—Ne激光器的激发过程 实现粒子数反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。; 第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。 ;图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图; 四、He—Ne激光器的输出特性;②腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振荡;;(2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。;③若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。; 五、He—Ne激光器的寿命 He－Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1／e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面：; 2．放电管内元件放气 放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，如果除气不彻底，以后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时，污物和洗液也会放出大量杂质气体，这些杂质气体会改变原充气的气体成分，影响输出功率。; 4．工作气体的吸附、吸收和渗透 放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面，或吸收到金属和玻璃内部，甚至还会透过管壁渗透到大气中去。氖的电离电位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直径比氖小，它渗出管外的能力比氖强。; CO2激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um) ，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。 CO2激光器以CO2、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,则有助于激光下能级的抽空。;二、 CO2激光器的激发过程 ;图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图;图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图;三、 CO2激光器的输出特性 ;5.2.3 Ar+离子激光器;5.2.3 Ar+离子激光器;二、 Ar＋激光器的激发机理 ; 激光跃迁上能级(3P44P )粒子的积聚主要通过三种途径实现: (1)基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到3P44P 能级;; 所以氩离子激光器必须采用大电流孤光放电激发, 放电管内电流密度通常超过106A/m2。氩离子激光器的输出功率随放电电流的增长而迅速增长,但电流过高也会因多重电离的出现和高温引起的谱线加宽而导致增益和输出功率的下降。 为了提高放电电流密度,放电应集中在放电毛细管中心1~2mm范围内。为此沿放电毛细管加一轴向磁场,磁场产生的洛仑兹力可约束电子和离子向管壁扩散。但在使电子集中在放电管中心的同时也降低了轴向电场强度,从而导致电子温度和电离度降低,因此存在一个使输出功率最大的最佳磁场强度值。 高密度电流放电产生的高温等离子体使放电毛细管承受很大的热负荷。高能离子轰击管壁及电极时溅射剥落的颗粒会污染气体和窗口。因此放电毛细管材料必须满足耐高温、导热性好、抗溅射和气密性好等要求。常用的毛细管材料是石墨和氧化镀陶瓷,最近发展