二氧化碳激光器(北理工)

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1、四二氧化碳激光器4.1 CO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OOO氧碳氧OO j振动能级：对称振动vx弯曲振动V2 （角量子数I）反对称振动V3CQ分子的振动模型转动能级：转动量子数J : J = l,l + lzl+22二氧化碳激光器的激发机理 能级跃迁图：00200OO51A00O0052330. 7cm 1振动能区转移V=1激光(10. 6pm)(1 39pm)E“= 18cm00 101*0020S1. 61pm上能级的激发下能级的激发弛豫过程辅助气体(1- 5pm N2 CO He XeH2 H20N

2、2COR * 000基态CQ激光能级跃迁图转动能级的竞争 效应2.1激光上能级的激发1) 电子直接碰撞激发：C02 (000) +V 02 (001) +e2) 串级激发：C02 (000) + 02 (00v3) +eC02 (00v3) + C02 (000)C02 (00v3-l) + C02 (00l)3) 共振转移激发N2* (v=l, 2, 3。)+ C02 ( 000) Hl2(v=0)+ C02* (00v3=1, 2, 3o o o ) + AECO* (v=l) + C02 ( 000) CO(v=0)+ C02* (00l) +AE4) 复合激发iCO + O CO2 (

3、00l) +AE2.2激光下能级的激发1) 电子碰撞激发直接激发C02 (000) +e 02 (100) +e逐级激发C02 (000) +eC02 (OFO) +eCO2 (OPO) +eCO2 (100) +e2) 串级激发高能级的粒子辐射跃迁或驰豫碰撞到10。0或02。0能级3) 分子碰撞激发CO2 (OIW) + CO2 (OIW) CO2 (100) + CO2 (000) 一 AE4) 费米共振激发CO2 (020)-CO2 (100) 一 AE3二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

4、下能级的驰豫第一步10。0和02。0能级的分子与基态分子碰撞，二者都会驰豫 至|01】0振动能级C02 (100) + C02 ( 000) 2CO2 (OHOH 52cm-1CO2 (020) + CO2 ( 000) 2CO2 (Olioj-SOcnr1其他气体与COz分子的碰撞也能使CO2 (100)驰豫到CO2 (CHS)。鮫个过程进行的速度很快。第二步驰豫到01】0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 (01】0) + CO2 ( 00。0) 2CO2 (000)+ 667cm-1CO2 (0F0) + Mk CO2 (000)+ M + AE此驰豫

5、存在瓶颈效应：当C02激光器中不加其他气体，只靠C02分子之间的碰 撞时，100驰豫IjOPO的速率比从0卫0驰豫到00。0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10。0和02。0能级上的粒 子数增加，造成反转粒子数下降。4辅助气体N2.增大CO2分子00。1.能级的激发速率，还能增加OPO能 级的驰豫速率CO：增大CO2分子00。1.能级的激发速率，还能增加0P0 -能级的驰豫速率，但太高时会使00。1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

6、有利于提高输出 功率3缓冲CO?向管壁扩散，减少00。1态CO?分子与管壁 的碰撞消激发作用Xe：增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低， 从而提咼激光器的效率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He4.2普通C02激光器的工作特性和输出特性1电子温度E/N范围：IO-15 Vcm2E/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4）管径的

7、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 Tg maxPin - X 4tt11 量是量子效率是管内允许气体温度增加的最大值b）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，总输岀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 = A3/2 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

8、降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CO?分子的分解，输岀功率下降 降低温度采用冷却措施：扩散冷却对流冷却4输出谱线转动能级的竞争效应4.3普通CO?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C02激光器的设计 I 针对小型封离型C02激光器1）确定谐振腔的主要尺寸放电管长度：l = Pw/W总长度 L=I + 2AI Zl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=3co凹多模输出，D43凹R L)2）确定谐振腔的参数总损耗a=a m+amn由经验表达式算出Go和IsG() =

9、1.4x 10-2 /Z)Is = 72/D2再由计算最佳耦合时输出镜的透过率4.4高功率CO?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2轴快流CO?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CO?激光器放电方向气流方向激光束输出方向互相垂直4.5横向激励高气压CO?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 CO?激

10、光器结构1）针板TEAC02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 C02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 C02激光器4）电子束预电离TEA C02激光器3 TEA C02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，注入能量过大会岀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

11、束质量不如CO?普通激光器好4.6高功率CO?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）针一板式放电结构阴极：铢鸨针串接镇流电阻与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 : 阴阳极间距离提高工作气压的好处:1输岀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）管一板式放电结构阴极： 置位置宀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I

12、 寿命：与管径大小有关，管径小寿命长 材料：无氧铜 水冷镰阴极阳极：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：4.7 C02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 可提咼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EH】模，存在三个低损耗区 反射镜与EHii模相匹配时，三种低损耗区 反射镜与EH】模不匹配时，三种实用的低损耗配置方案