[學(xué)習(xí)]二氧化碳激光器簡(jiǎn)介ppt

1、二氧化碳激光器,4.1 C02激光器的工作原理C02分子內(nèi)能包括： 電子內(nèi)能＋分子中原子間的振動(dòng)能級(jí)＋ 分子的整體轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)1 二氧化碳分子振轉(zhuǎn)能級(jí)結(jié)構(gòu) 振動(dòng)能級(jí)： 對(duì)稱振動(dòng) V1 彎曲振動(dòng) V2 （角量子數(shù) l） 反對(duì)稱振動(dòng) V3 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)： 轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù) J : J=l,l+1,l

2、+2……..,2 二氧化碳激光器的激發(fā)機(jī)理 能級(jí)躍遷圖：,上能級(jí)的激發(fā)下能級(jí)的激發(fā)弛豫過程輔助氣體N2 CO He Xe H2 H2O轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),2.1 激光上能級(jí)的激發(fā) 1）電子直接碰撞激發(fā)： CO2（0000）+e′ CO2（0001）+e 2）串級(jí)激發(fā)： CO2（0000）+e′ CO2（000v3）+e CO2（000v3）+ CO2（

3、0000） CO2（000v3－1）+ CO2（0001） 3）共振轉(zhuǎn)移激發(fā) 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）復(fù)合激發(fā) CO＋O CO2（0001）+△E,,,,,,

4、,2.2 激光下能級(jí)的激發(fā) 1）電子碰撞激發(fā) 直接激發(fā) CO2（0000）+e′ CO2（1000）+e 逐級(jí)激發(fā) CO2（0000）+e′ CO2（0110）+e CO2（0110）+e′ CO2（1000）+e 2）串級(jí)激發(fā) 高能級(jí)的粒子輻射躍遷或馳豫碰撞到1000或0200能級(jí) 3）分子碰撞

5、激發(fā) CO2（0110）+ CO2（0110） CO2（1000）+ CO2（0000）－ △E 4）費(fèi)米共振激發(fā) CO2（0200） CO2（1000）－ △E,,,,,,3 二氧化碳激光器馳豫過程 1）激光上能級(jí)的馳豫 分 體積馳豫 和 管壁馳豫，馳豫速率與氣壓有關(guān)，體積馳豫還與輔助氣體種類及其氣壓有關(guān) 2）激光下能級(jí)的馳豫 第一步 1000和

6、0200能級(jí)的分子與基態(tài)分子碰撞，二者都會(huì)馳豫到0110振動(dòng)能級(jí) CO2（1000）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0110)+ 52cm-1 CO2（0200）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0110)-50cm-1 其他氣體與CO2分子的碰撞也能使CO2（1000）馳豫到CO2 (0110)。這個(gè)過程進(jìn)行的速度很快。 第二步 馳豫到0110能級(jí)的CO2分子與基態(tài)C

7、O2分子及其他氣體分子碰撞馳豫到基態(tài)。 CO2（0110）+ CO2（ 0000） 2CO2 (0000)+ 667cm-1 CO2（0110）+ M CO2 (0000)+ M+△E,,,,,此馳豫存在瓶頸效應(yīng)： 當(dāng)CO2激光器中不加其他氣體，只靠CO2分子之間的碰撞時(shí)，1000馳豫到0110的速率比從0110馳豫到0000的速率高得多，因此0110能級(jí)上的粒子將被堆積起來(lái)，而第一步過程是

8、可逆的，這會(huì)使得1000和0200能級(jí)上的粒子數(shù)增加，造成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)下降。,4 輔助氣體N2： 增大CO2分子0001能級(jí)的激發(fā)速率,還能增加0110能級(jí)的馳豫速率 CO：增大CO2分子0001能級(jí)的激發(fā)速率，還能增加0110能級(jí)的馳豫速率，但太高時(shí)會(huì)使0001能級(jí)消激發(fā) He：1 降低工作氣體的溫度，增加輸出功率 2 He對(duì)激光下能級(jí)的馳豫作用比對(duì)激光能級(jí)的馳豫作用影響大得多，這有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即有利

9、于提高輸出功率 3 緩沖CO2向管壁擴(kuò)散，減少0001態(tài)CO2分子與管壁的碰撞消激發(fā)作用,Xe：增加放電氣體中的電離度，使得電子平均能量降低，從而提高激光器的效率 H2： H2O：提高器件的輸出功率，并且延長(zhǎng)器件壽命 Ar：降低管內(nèi)電子溫度，有利于上能級(jí)激發(fā)，但導(dǎo)熱率不如He,4.2 普通CO2激光器的工作特性和輸出特性 1 電子溫度 E/N范圍：10－16～ 10－15 Vcm2

10、 E/N小，電子轉(zhuǎn)換效率高，但放電管難以著火 E/N大，能量大多轉(zhuǎn)換給電子的激發(fā)態(tài)，電子轉(zhuǎn)換效率低 2 增益 1）放電電流的影響：存在最佳值 2）管壁溫度的影響：封離型增益隨管壁溫度上升而下降 流動(dòng)型增益與管壁溫度無(wú)關(guān) 3）氣壓 存在最佳氣壓值,4） 管徑的影響 封離型

11、增益隨管徑D增大略有下降 流動(dòng)型增益隨D增大很快減小5） 增益的徑向分布 按零階貝賽爾函數(shù)分布3 輸出功率 影響輸出功率的因素： a）注入功率的影響 是量子效率 是管內(nèi)允許氣體溫度增加的最大值,,,,b）放電管尺寸的影響 放電管長(zhǎng)度：PW=KL 功率隨放電管長(zhǎng)度增加而增加 放電管徑：

12、 譜線為非均勻增寬時(shí)，總輸出功率與放電管直徑無(wú)關(guān) 譜線為均勻增寬時(shí)，總輸出功率隨管徑增大而增大C）放電參數(shù)的影響 存在最佳放電電流 總氣壓也存在最佳值D）氣體溫度的影響 PW=AT-3/2 溫度影響的原因： 1. 溫度升高使下能級(jí)粒子數(shù)增多，上能級(jí)消激發(fā)增大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，輸出功率下降,2.隨氣壓的增高，線寬加大，輸出功率下降 3.溫度升

13、高增加了CO2分子的分解，輸出功率下降降低溫度采用冷卻措施：擴(kuò)散冷卻 對(duì)流冷卻4 輸出譜線 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng),4.3 普通CO2激光器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)1 結(jié)構(gòu) 電極 放電管 儲(chǔ)氣管 回氣管 冷卻水管 諧振腔鏡2 小型CO2激光器的設(shè)計(jì) 針對(duì)小型封離型CO2激光器,1）確定諧振腔的主要尺寸 放電管長(zhǎng)度： l＝PW/W0 總長(zhǎng)度 L=l＋2△l

14、 △l 為總長(zhǎng)的5－15％ 一般采用大曲率平凹腔，凹面鏡的曲率半徑為 R=2 ～3L 放電管直徑D： 針對(duì)基橫模運(yùn)行，D=3ω凹 多模輸出，D≥4ω凹 2) 確定諧振腔的參數(shù) 總損耗 α＝α m＋αmn,,由經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式算出G0和Is 再由

15、 計(jì)算最佳耦合時(shí)輸出鏡的透過率4.4 高功率CO2激光器1 高功率CO2激光器特點(diǎn) 工作氣體快速冷卻 大體積放電的均勻性與穩(wěn)定性 放電激勵(lì)技術(shù)多樣化 提高工作氣體壓力以提高激光功率 設(shè)計(jì)最佳放電E/N值 優(yōu)良的光束質(zhì)量 優(yōu)良的紅外光學(xué)元件 能連續(xù)輸出又能脈沖輸出,,2 軸快流CO2激光器 氣流方向與激光束輸出方向一致 結(jié)構(gòu)：風(fēng)機(jī)的選擇：羅茨風(fēng)機(jī) 渦輪風(fēng)機(jī)

16、 熱交換器 湍流發(fā)生器 工作特性：3 橫流高功率CO2激光器 放電方向 氣流方向 激光束輸出方向互相垂直,4.5 橫向激勵(lì)高氣壓CO2激光器（TEA）1 特點(diǎn) 工作氣壓高 采用橫向激勵(lì)方式 電極面積大 施用預(yù)電離技術(shù)2 常用的TEA CO2激光器結(jié)構(gòu) 1） 針板TEA CO2激光器 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)均勻激勵(lì)，效率不高，光束質(zhì)量不太好

17、 2） 雙放電TEA CO2激光器 陰陽(yáng)極之間加了一個(gè)預(yù)電離電極 3）紫外光預(yù)電離TEA CO2激光器 4）電子束預(yù)電離TEA CO2激光器,3 TEA CO2激光器的工作特性 1）增益開關(guān)效應(yīng) 激光器的光脈沖輸出是由于腔內(nèi)高增益的迅速建立而形成的 2）激光脈沖的瞬時(shí)特性 兩個(gè)峰值： 一個(gè)由電子直接碰撞激發(fā)形成

18、 一個(gè)由N2分子激發(fā)形成 3)輸出能量與激勵(lì)能量的關(guān)系 呈線性關(guān)系，注入能量過大會(huì)出現(xiàn)弧光放電等不穩(wěn)定現(xiàn)象 4）輸出能量，脈沖功率與氣壓的關(guān)系 輸出能量隨氣壓增高而增高 脈沖寬度隨氣壓增高而減小 5）光束質(zhì)量 由于存在各種不均勻性，光束質(zhì)量不如CO2普通激光器好,4.6 高功率CO2激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 諧振腔的設(shè)計(jì) 光橋 鏡子支承座

19、 光橋托2 放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 橫流電激勵(lì)： 1）針－板式放電結(jié)構(gòu) 陰極：錸鎢針 串接鎮(zhèn)流電阻r與R 陽(yáng)極：紫銅板 邊緣倒圓 放電區(qū)氣流風(fēng)道：與振蕩模體積和風(fēng)機(jī)能力有關(guān) 喉道的設(shè)計(jì) 陰陽(yáng)極間距離,提高工作氣壓的好處： 1 輸出功率隨氣壓增大而增大

20、2 不純氣體比相應(yīng)減小，有利于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行 3 氣壓增加，碰撞引起譜線加寬，減小縱模平移的影響 4 氣體質(zhì)量流量隨氣壓增大而增大，有利于風(fēng)機(jī)的正常工作，同時(shí)氣體溫度不易上升 2）管－板式放電結(jié)構(gòu) 陰極： 放置位置： 氣流上游前沿與陽(yáng)極前沿對(duì)齊 與導(dǎo)流板之間必須留有足夠的空隙

21、 應(yīng)置于喉道漸縮段內(nèi) 壽命：與管徑大小有關(guān)，管徑小壽命長(zhǎng) 材料：無(wú)氧銅 水冷鎳陰極,陽(yáng)極： 條形，兩端圓弧過渡，紫銅制造 輔助陽(yáng)極 陽(yáng)極長(zhǎng)度不匹配： 電極縮短，抑制瞬間飛弧的進(jìn)一步擴(kuò)展，在工作氣質(zhì)變劣時(shí)也能穩(wěn)定放電 電極過短，特別氣質(zhì)變劣情況下，異常輝光放電區(qū)變大 陽(yáng)極的絕緣處理 氣流風(fēng)道極間距離的確定：,