激光器件-第一章氣體放電的基本原理

1、第一篇第一篇 氣體激光器氣體激光器n氣體激光器：以單一氣體、混合氣體或蒸氣作為激光工作物質(zhì)的激光器?？煞譃樵蛹す馄?、分子激光器和離子激光器三大類。n優(yōu)點： 1.工作物質(zhì)均勻一致。保證了激光束光束質(zhì)量，大部分氣體激光器產(chǎn)生接近高斯分布的光束模式。激光束的相干性和單色性優(yōu)于固體、半導(dǎo)體激光器。 2.譜線范圍寬。有數(shù)百種氣體和蒸氣可以產(chǎn)生激光，已經(jīng)觀測到的激光譜線近萬余條。譜線范圍從亞毫米波到真空紫外波段，甚至x射線、射線波段。n發(fā)展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化2022-1-2激光器件原理與設(shè)計1第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理1.1.1 氣體放電的基本過程氣體放電的基

2、本過程n在外加電場作用下，氣體中產(chǎn)生電流形成電離在外加電場作用下，氣體中產(chǎn)生電流形成電離氣體稱之為氣體稱之為氣體放電現(xiàn)象氣體放電現(xiàn)象。n常用的氣體激光器屬于弱電離氣體放電，氣體常用的氣體激光器屬于弱電離氣體放電，氣體電離度很少有超過電離度很少有超過0.1的。的。n氣體放電過程中會產(chǎn)生多種粒子，它們之間的氣體放電過程中會產(chǎn)生多種粒子，它們之間的相互作用過程是一個復(fù)雜的電、光、化學(xué)作用相互作用過程是一個復(fù)雜的電、光、化學(xué)作用的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計2第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理 一、氣體放電粒子種類及其碰撞的基本規(guī)律一、氣體放電粒子種類及其碰撞的基本

3、規(guī)律 1、氣體放電粒子種類、氣體放電粒子種類 （1）中性氣體粒子中性氣體粒子：沒有電離前已存在粒子，激光工作物：沒有電離前已存在粒子，激光工作物質(zhì)及其輔助氣體。質(zhì)及其輔助氣體。 （2）帶電粒子帶電粒子：電子、負離子、正離子；其中電子對放電：電子、負離子、正離子；其中電子對放電起主導(dǎo)作用。起主導(dǎo)作用。 （3）受激粒子和光子受激粒子和光子：帶電粒子在電場力的作用下，產(chǎn)生：帶電粒子在電場力的作用下，產(chǎn)生運動和碰撞，使其能級發(fā)生變化，由基態(tài)躍遷到激發(fā)運動和碰撞，使其能級發(fā)生變化，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，成為激發(fā)態(tài)粒子，激發(fā)態(tài)粒子從上能級向下能級態(tài)，成為激發(fā)態(tài)粒子，激發(fā)態(tài)粒子從上能級向下能級躍遷時，會輻射光

4、子。躍遷時，會輻射光子。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計3第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理2、粒子碰撞的基本規(guī)律：、粒子碰撞的基本規(guī)律： 碰撞碰撞是指兩個或兩個以上粒子相互作用引起動量、是指兩個或兩個以上粒子相互作用引起動量、動能或者內(nèi)能變化的過程。動能或者內(nèi)能變化的過程。 （1）彈性碰撞和非彈性碰撞）彈性碰撞和非彈性碰撞 彈性碰撞彈性碰撞：碰撞的粒子間只交換動能和動量，不交：碰撞的粒子間只交換動能和動量，不交換內(nèi)能，粒子間遵守動能和動量守恒定律。換內(nèi)能，粒子間遵守動能和動量守恒定律。 彈性碰撞在確定氣體放電的傳遞系數(shù)中起主要作用，彈性碰撞在確定氣體放電的傳遞系數(shù)中起主要

5、作用，如熱傳導(dǎo)、電傳導(dǎo)、擴散、漂移等系數(shù)。如熱傳導(dǎo)、電傳導(dǎo)、擴散、漂移等系數(shù)。非彈性碰撞非彈性碰撞：碰撞的粒子間既交換動能也交換內(nèi)能，：碰撞的粒子間既交換動能也交換內(nèi)能，粒子間遵守能量和動量守恒定律。粒子間遵守能量和動量守恒定律。 非彈性碰撞在確定氣體放電的電參量和光參量中起非彈性碰撞在確定氣體放電的電參量和光參量中起主要作用，如電子溫度或能量、電子密度、受激能主要作用，如電子溫度或能量、電子密度、受激能級的粒子數(shù)分布等。級的粒子數(shù)分布等。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計4第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理 （2 2）碰撞能量轉(zhuǎn)移）碰撞能量轉(zhuǎn)移 A. A. 彈性碰撞彈性碰撞

6、 特點：碰撞前后動能和動量不變特點：碰撞前后動能和動量不變 結(jié)果：平均能量損失率為結(jié)果：平均能量損失率為若若m m1 1mm2 2 很小很小 如電子與氣體原子發(fā)生彈性碰撞如電子與氣體原子發(fā)生彈性碰撞, ,電子的平均能量損失電子的平均能量損失率很小，但碰撞頻繁，單位時間傳遞總能量不可忽視。率很小，但碰撞頻繁，單位時間傳遞總能量不可忽視。若若m m1 1 m m2 2 1/21/2如離子與氣體原子或分子發(fā)生彈性碰撞，粒子間大量如離子與氣體原子或分子發(fā)生彈性碰撞，粒子間大量交換能量交換能量122122m mmm 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計5第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理B

7、.B.非彈性碰撞非彈性碰撞 特點：碰撞前后能量和動量不變，特點：碰撞前后能量和動量不變，粒子的一部分動能粒子的一部分動能轉(zhuǎn)換為粒子的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為粒子的內(nèi)能W W。結(jié)果：轉(zhuǎn)換最大內(nèi)能為結(jié)果：轉(zhuǎn)換最大內(nèi)能為 W Wmaxmax= =若若m m1 1 m m2 2 W Wmaxmax=E=E1 1/2/2兩個質(zhì)量相近粒子，離子最多將動能一半轉(zhuǎn)換為粒子兩個質(zhì)量相近粒子，離子最多將動能一半轉(zhuǎn)換為粒子的內(nèi)能。的內(nèi)能。若若m m1 1m m2 2 W Wmaxmax=E=E1 12112mEmm2022-1-2激光器件原理與設(shè)計6第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理結(jié)論：質(zhì)量小的粒子與質(zhì)量大的粒

8、子在非彈性碰結(jié)論：質(zhì)量小的粒子與質(zhì)量大的粒子在非彈性碰撞時，如電子與原子碰撞，電子的動能可以絕大撞時，如電子與原子碰撞，電子的動能可以絕大部分轉(zhuǎn)換為原子的內(nèi)能，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，部分轉(zhuǎn)換為原子的內(nèi)能，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，這是這是氣體激光器利用放電激勵的主要機理。氣體激光器利用放電激勵的主要機理。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計7第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理(3)碰撞截面、平均自由程和速率系數(shù)碰撞截面、平均自由程和速率系數(shù) A. 碰撞截面碰撞截面: 碰撞截面碰撞截面 =a2 單位：單位：cm2. 代表大量電子與原子碰撞概率的統(tǒng)計平均值。代表大量電子與原子碰撞概率的統(tǒng)

9、計平均值。既有既有粒子半徑的概念粒子半徑的概念，又有相互，又有相互碰撞概率碰撞概率的概念。的概念。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計8第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理n總碰撞截面:單位氣體體積中所有碰撞截面之和。它與氣體的壓強和溫度有關(guān)。n表示為: Q=Qm+Qe+Qi Q=Qm+Qe+Qi+nQmQm: :彈性碰撞截面nQeQe: :激發(fā)碰撞截面nQiQi: :電離碰撞截面 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計9第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理B. B. 平均自由程：指每兩次碰撞之間所走路程的平均值。平均自由程：指每兩次碰撞之間所走路程的平均值。 =1/

10、Q=1/ Q 式中式中Q=NQ=N（總總碰撞截面，表示單位體積中所有碰撞碰撞截面，表示單位體積中所有碰撞截面之和，單位截面之和，單位cmcm1 1）C. C. 速率系數(shù)：單位時間內(nèi)單位體積發(fā)生的碰撞次數(shù)，用速率系數(shù)：單位時間內(nèi)單位體積發(fā)生的碰撞次數(shù)，用R R 表示表示 ，單位為，單位為cmcm3 3ss-1-1。f():f():速度分布函數(shù)。速度分布函數(shù)。(): (): 碰撞截面是相對速度的函碰撞截面是相對速度的函數(shù)數(shù)0( ) ( )Rfd 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計10第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理二、激發(fā)與電離：氣體放電中重要的基本物理過程。二、激發(fā)與電離：氣體

11、放電中重要的基本物理過程。 當(dāng)中性氣體粒子當(dāng)中性氣體粒子( (如原子如原子) )與其他粒子與其他粒子( (如電子、正離如電子、正離子、光子等子、光子等) )發(fā)生碰撞時，原子中的價電子吸收外來發(fā)生碰撞時，原子中的價電子吸收外來粒子的能量，從原來的能級躍遷到較高的能級上去，粒子的能量，從原來的能級躍遷到較高的能級上去，我們說這個原子被我們說這個原子被激發(fā)激發(fā)，稱其為受激原子。，稱其為受激原子。 如果原子中一個或幾個電子因碰撞吸收能量而脫離如果原子中一個或幾個電子因碰撞吸收能量而脫離了原子變成自由電子，使原子成為帶正電荷離子，這了原子變成自由電子，使原子成為帶正電荷離子，這種過程你為種過程你為電離電

12、離。 激發(fā)是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件。激發(fā)是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件。 電離是維持放電平衡的必要條件。電離是維持放電平衡的必要條件。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計11第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理n(1) 諧振能級和亞穩(wěn)能級諧振能級和亞穩(wěn)能級n受激原子自發(fā)躍遷回基態(tài)的過程稱為諧振躍遷過程，受激原子自發(fā)躍遷回基態(tài)的過程稱為諧振躍遷過程， 相應(yīng)的激發(fā)能級稱為諧振能級。原子的激發(fā)能以光子相應(yīng)的激發(fā)能級稱為諧振能級。原子的激發(fā)能以光子形式輻射出來。受激原子壽命很短，約為形式輻射出來。受激原子壽命很短，約為10-8s 。 n 不能通過輻射光子而自發(fā)躍遷回基態(tài)或較低能級的不能通過輻

13、射光子而自發(fā)躍遷回基態(tài)或較低能級的能級稱亞穩(wěn)能級。亞穩(wěn)原子壽命能級稱亞穩(wěn)能級。亞穩(wěn)原子壽命10-2s10-4s。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計12第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理 2. 2. 電子碰撞引起的激發(fā)和電離電子碰撞引起的激發(fā)和電離 （1 1）電子與原子碰撞引起的激發(fā)和電離）電子與原子碰撞引起的激發(fā)和電離 原子激發(fā)原子激發(fā) +Ae+A+Ae+A 原子電離原子電離 +Ae+A+Ae+A+ +e+e表示快速電子，表示快速電子，A A表示基態(tài)原子，表示基態(tài)原子，AA表示表示受激原子，受激原子，A A+ +表示一次電離的正離子。表示一次電離的正離子。eee2022-1-

14、2激光器件原理與設(shè)計13第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理n當(dāng)電子能量很低時，電子與氣體原子碰撞不能使原子激發(fā)，只發(fā)生彈性碰撞；而當(dāng)電子能量大于激發(fā)能時，電子才可能使原子激發(fā)。圖1.1.6給出了氦的激發(fā)截面與電子能量關(guān)系曲線。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計14第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理n結(jié)論：結(jié)論：na.電子能量大于激發(fā)能或電離能才能產(chǎn)生激電子能量大于激發(fā)能或電離能才能產(chǎn)生激 發(fā)和電離。發(fā)和電離。nb.激發(fā)截面（電離截面）與電子能量的關(guān)系并激發(fā)截面（電離截面）與電子能量的關(guān)系并非線性，有一最大值。非線性，有一最大值。2022-1-2激光器件原理與設(shè)

15、計15第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理（2 2）電子與分子碰撞引起的激發(fā)和電離）電子與分子碰撞引起的激發(fā)和電離 激發(fā)激發(fā) +ABe+(AB)+ABe+(AB) 電離電離 +ABe+(AB)+ABe+(AB)+ +e+e 分子分解分子分解 +CO+CO2 2e+CO+Oe+CO+O 結(jié)論：結(jié)論：a.a.此類碰撞會使分子的振動能級和轉(zhuǎn)動能此類碰撞會使分子的振動能級和轉(zhuǎn)動能 級激發(fā)，這是級激發(fā)，這是COCO2 2和和COCO激發(fā)的主要機理。激發(fā)的主要機理。 b.b.振動能級和轉(zhuǎn)動能級的激發(fā)所需的能量振動能級和轉(zhuǎn)動能級的激發(fā)所需的能量 很小。很小。eee2022-1-2激光器件原理與

16、設(shè)計16第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理（3）電子與受激原子碰撞產(chǎn)生逐次激發(fā)和逐次電離）電子與受激原子碰撞產(chǎn)生逐次激發(fā)和逐次電離 逐次激發(fā)逐次激發(fā) +Ae+(A) 逐次電離逐次電離 +Ae+A+e 結(jié)論：結(jié)論：a. 逐次激發(fā)和逐次電離使要求的電子平均能量逐次激發(fā)和逐次電離使要求的電子平均能量 降低。降低。 b. 亞穩(wěn)態(tài)原子和諧振輻射擴散使受激原子壽命亞穩(wěn)態(tài)原子和諧振輻射擴散使受激原子壽命 增加，使逐次激發(fā)和逐次電離的概率增加。增加，使逐次激發(fā)和逐次電離的概率增加。 ee2022-1-2激光器件原理與設(shè)計17第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理（4 4）電子與正離

17、子碰撞引起的激發(fā)和電離）電子與正離子碰撞引起的激發(fā)和電離 激發(fā)激發(fā) +A+A+ +e+(Ae+(A+ +) 電離電離 +A+A+ +e+Ae+A+e+e 結(jié)論：此過程要求電子有很高的能量。結(jié)論：此過程要求電子有很高的能量。ee2022-1-2激光器件原理與設(shè)計18第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理3. 3. 激發(fā)原子引起的激發(fā)和電離激發(fā)原子引起的激發(fā)和電離 （1 1）共振轉(zhuǎn)移）共振轉(zhuǎn)移 : :亞穩(wěn)原子亞穩(wěn)原子A A* *與基態(tài)原子與基態(tài)原子B B碰撞，使基碰撞，使基態(tài)原子變成受激原子態(tài)原子變成受激原子B B, ,亞穩(wěn)原子變成基態(tài)原子亞穩(wěn)原子變成基態(tài)原子A A。A A* *+BA

18、+B+BA+BEE結(jié)論：概率由結(jié)論：概率由EE大小決定。大小決定。He-NeHe-Ne、COCO2 2激光器都有共振轉(zhuǎn)移。激光器都有共振轉(zhuǎn)移。HeHe* *+NeNe+NeNe，+ He+ He0.048eV0.048eV2022-1-2激光器件原理與設(shè)計19第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理 （2 2）潘寧電離）潘寧電離 A A* *+BA+B+BA+B+ +e+E+e+E A A* *+BA+B+BA+B+ +e+E+e+E條件：亞穩(wěn)態(tài)原子的激發(fā)能大于和它相碰原子的電條件：亞穩(wěn)態(tài)原子的激發(fā)能大于和它相碰原子的電 離能。離能。4.4.光激發(fā)和光電離光激發(fā)和光電離 氣體粒子由于

19、吸收了光子能量氣體粒子由于吸收了光子能量h h，產(chǎn)生激發(fā)和電，產(chǎn)生激發(fā)和電 離。離。 h+AA heu0 h+AA heu0 （激發(fā)能）（激發(fā)能） h+AAh+AA+ +e heui+e heui （電離能）（電離能） 使氣體電離的光一般是紫外光或更短波長的光。使氣體電離的光一般是紫外光或更短波長的光。 光電離可用于氣體激光器預(yù)電離。光電離可用于氣體激光器預(yù)電離。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計20第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理5. 其它形式的激發(fā)和電離其它形式的激發(fā)和電離 （1）熱激發(fā)和熱電離）熱激發(fā)和熱電離 高溫條件下，氣體粒子相互碰撞形成地激發(fā)高溫條件下，氣體粒子相

20、互碰撞形成地激發(fā)和電離。一般情況下，在高氣壓和超高氣壓和電離。一般情況下，在高氣壓和超高氣壓氣體中，形成弧光放電，熱激發(fā)和熱電離才氣體中，形成弧光放電，熱激發(fā)和熱電離才起主導(dǎo)作用。起主導(dǎo)作用。（2）放射性射線引起的激發(fā)、電離與剩余電離）放射性射線引起的激發(fā)、電離與剩余電離 放射性射線放射性射線(、)都是高能粒子，能使都是高能粒子，能使氣體電離。氣體電離。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計21三、復(fù)合、吸附與轉(zhuǎn)荷三、復(fù)合、吸附與轉(zhuǎn)荷 1. 1. 復(fù)合：正負粒子中和形成中性粒子的過程。有空間復(fù)合復(fù)合：正負粒子中和形成中性粒子的過程。有空間復(fù)合和管壁復(fù)合。和管壁復(fù)合。當(dāng)電荷密度較大、氣壓比較高時，帶

21、電粒當(dāng)電荷密度較大、氣壓比較高時，帶電粒子以空間復(fù)合為主；而當(dāng)電荷密度較小，氣壓較低，放子以空間復(fù)合為主；而當(dāng)電荷密度較小，氣壓較低，放電管半徑較小，電極間距離較長時，則以管壁復(fù)合為主。電管半徑較小，電極間距離較長時，則以管壁復(fù)合為主。 （1 1）空間復(fù)合）空間復(fù)合 電子復(fù)合：電子與正離子在空間復(fù)合。電子復(fù)合：電子與正離子在空間復(fù)合。 +A+A+ +A+h A+h 輻射復(fù)合輻射復(fù)合(AB)(AB)+ + A+B+ A+B（或（或A+B+A+B+動能）動能） 離解復(fù)合離解復(fù)合第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理ee2022-1-2激光器件原理與設(shè)計22第一章第一章 氣體放電的基本原

22、理氣體放電的基本原理離子復(fù)合：正、負離子在空間復(fù)合。離子復(fù)合：正、負離子在空間復(fù)合。 A+BA+B+E 使原子與分子動能增加使原子與分子動能增加 A+B+E 使其中一個激發(fā)使其中一個激發(fā) A+B+E 使其中一個激發(fā)使其中一個激發(fā) A+B+ h 放出光子放出光子由于正、負離子的相對運動速度比較小，因此離子復(fù)合由于正、負離子的相對運動速度比較小，因此離子復(fù)合概率比電子復(fù)合概率大得多。概率比電子復(fù)合概率大得多。（2）管壁復(fù)合）管壁復(fù)合 帶電粒子在放電管中運動，電子速度快，先到達管壁，帶電粒子在放電管中運動，電子速度快，先到達管壁，且數(shù)量多，形成電場，吸引正離子，形成復(fù)合，稱為管且數(shù)量多，形成電場，吸

23、引正離子，形成復(fù)合，稱為管壁復(fù)合。壁復(fù)合。由于復(fù)合放出的能量可直接傳遞給管壁，致使管壁發(fā)熱由于復(fù)合放出的能量可直接傳遞給管壁，致使管壁發(fā)熱 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計23第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理2. 吸附吸附電子與中性粒子碰撞，中性粒子吸附電子，使電子與中性粒子碰撞，中性粒子吸附電子，使粒子形成負離子。粒子形成負離子。吸附概率與原子、分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要是外層吸附概率與原子、分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要是外層電子數(shù)量。電子數(shù)量。惰性氣體具有封閉外殼層，很難吸附電子；但惰性氣體具有封閉外殼層，很難吸附電子；但有些氣體，外層缺電子，就容易吸附電子，形有些氣體，外層缺電子，就容

24、易吸附電子，形成負離子。成負離子。吸附電子總結(jié)果，使氣體導(dǎo)電條件變差。在吸附電子總結(jié)果，使氣體導(dǎo)電條件變差。在CO2激光器中，這是帶電粒子減少的主要過程。激光器中，這是帶電粒子減少的主要過程。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計24第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理 3. 轉(zhuǎn)荷：正、負離子與氣體粒子碰撞，會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)荷：正、負離子與氣體粒子碰撞，會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移, 產(chǎn)生高速中性粒子和激發(fā)態(tài)離子。產(chǎn)生高速中性粒子和激發(fā)態(tài)離子。 （1）對稱諧振轉(zhuǎn)荷：同一種類的兩個粒子間發(fā)生的電）對稱諧振轉(zhuǎn)荷：同一種類的兩個粒子間發(fā)生的電 荷轉(zhuǎn)移。荷轉(zhuǎn)移。 He+HeHe +He+ （2）非對稱諧振

25、轉(zhuǎn)荷：不同種類的兩個粒子間發(fā)生的）非對稱諧振轉(zhuǎn)荷：不同種類的兩個粒子間發(fā)生的 電荷轉(zhuǎn)移。電荷轉(zhuǎn)移。 Ne+HeNe +He+ 如氮離子激光器（如氮離子激光器（427.8nm）就是靠轉(zhuǎn)荷過程產(chǎn)）就是靠轉(zhuǎn)荷過程產(chǎn)生。生。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計25第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理四、帶電粒子在電離氣體中的運動四、帶電粒子在電離氣體中的運動 1. 電子漂移運動：大量碰撞引起雜亂無章熱運動和電子漂移運動：大量碰撞引起雜亂無章熱運動和電場作用定向漂移運動的疊加。電場作用定向漂移運動的疊加。 （1）電子的亂向熱動能遠大于定向的漂移能。）電子的亂向熱動能遠大于定向的漂移能。 （

26、2）電子的特征能量）電子的特征能量k（或電子溫度）是電場強度（或電子溫度）是電場強度與氣體粒子密度比值（與氣體粒子密度比值（E/N）的單一函數(shù)。）的單一函數(shù)。 E：電場強度，：電場強度，N：氣體粒子密度：氣體粒子密度 k=f（E/N） 說明一旦外加電場和氣體密度確定后，電離氣說明一旦外加電場和氣體密度確定后，電離氣體中的電子平均能量、電子溫度就確定了。體中的電子平均能量、電子溫度就確定了。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計262. 2. 漂移率漂移率 沿電場方向運動的帶電粒子的漂移速度沿電場方向運動的帶電粒子的漂移速度V Vd d與與電場強度電場強度E E比值，稱為帶電粒子的漂移率。比值，稱

27、為帶電粒子的漂移率。 Ke=VKe=Vd d/E/E V Vd d ：帶電粒子的漂移速度：帶電粒子的漂移速度 3. 3. 擴散運動擴散運動 帶電粒子在電離氣體中的密度分布是不均勻帶電粒子在電離氣體中的密度分布是不均勻的，因密度差造成的帶電粒子的定向運動。的，因密度差造成的帶電粒子的定向運動。 第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理2022-1-2激光器件原理與設(shè)計27第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理電子擴散系數(shù)電子擴散系數(shù) 離子擴散系數(shù)離子擴散系數(shù) ， 分別表示電子和離子的熱運動平均速度；分別表示電子和離子的熱運動平均速度； ， 分別表示電子和離子的平均自由程；分

28、別表示電子和離子的平均自由程；電子擴散速度電子擴散速度 離子擴散速度離子擴散速度 13eeeD 13iiiD eieieeeefeenD dnnndx iiiifiinD dnnndx 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計28第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理4愛因斯坦公式愛因斯坦公式 漂移率與擴散系數(shù)關(guān)系漂移率與擴散系數(shù)關(guān)系2022-1-2激光器件原理與設(shè)計29第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理5雙極性擴散運動：放電空間同時存在兩種異性帶電粒子的擴散雙極性擴散運動：放電空間同時存在兩種異性帶電粒子的擴散和相互影響的運動。和相互影響的運動。結(jié)果：產(chǎn)生內(nèi)在電場使電子

29、的擴散速度減小，離子的擴散速度加快，結(jié)果：產(chǎn)生內(nèi)在電場使電子的擴散速度減小，離子的擴散速度加快，使電子和離子擴散速度相同。使電子和離子擴散速度相同。第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理1.1.2 1.1.2 氣體擊穿與各種放電形式氣體擊穿與各種放電形式氣體在一般狀態(tài)下是絕緣體，但在一定條件下，可以形成電流，氣體在一般狀態(tài)下是絕緣體，但在一定條件下，可以形成電流，形成了導(dǎo)體，我們稱之為氣體擊穿。形成了導(dǎo)體，我們稱之為氣體擊穿。放電形式：放電形式：（1 1）維持放電方式：）維持放電方式： 自持放電：離開外界電離源，仍能維持放電。自持放電：離開外界電離源，仍能維持放電。 非自持放電：離

30、開外界電離源，不能維持放電。非自持放電：離開外界電離源，不能維持放電。 （2 2）放電參量：是否隨時間變化。）放電參量：是否隨時間變化。 穩(wěn)態(tài)放電：輝光放電、弧光放電、電暈放電。穩(wěn)態(tài)放電：輝光放電、弧光放電、電暈放電。 非穩(wěn)態(tài)放電：高頻放電、脈沖放電、火花放電。非穩(wěn)態(tài)放電：高頻放電、脈沖放電、火花放電。 2022-1-2激光器件原理與設(shè)計31第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理一、氣體擊穿及伏安特性一、氣體擊穿及伏安特性 1. 1. 氣體放電伏安特性氣體放電伏安特性nI I：非自持放電區(qū)：非自持放電區(qū)A-CA-C （C C點擊穿電壓）點擊穿電壓）nIIII：自持暗放電區(qū)：自持暗放

31、電區(qū)C-DC-DnIIIIII：過渡區(qū)域：過渡區(qū)域D-ED-EnIVIV：正常輝光放電區(qū)域：正常輝光放電區(qū)域E-FE-FnV V：異常輝光放電區(qū)域：異常輝光放電區(qū)域F-GF-GnVIVI：過渡區(qū)：過渡區(qū)G-HG-HnVIIVII：弧光放電區(qū)：弧光放電區(qū)H-KH-K2022-1-2激光器件原理與設(shè)計32第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理I I：非自持放電區(qū) A-C，電流很小10-2010-11A。C點電壓稱著火電壓或擊穿電壓。IIII：自持暗放電區(qū) C-D，放電穩(wěn)定，電流仍很小10-1010-7A。去掉電離源，仍能維持放電。IIIIII：過渡區(qū)域 D-E，放電將不穩(wěn)定，電流迅速增

32、大，管壓降突然下降，到E點放電才穩(wěn)定。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計33第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理IVIV：正常輝光放電區(qū)域E-F，電流增大，管壓降基本不變，管內(nèi)出現(xiàn)輝光，陰級表面輝光斑隨電流增大而增大。V V：異常輝光放電區(qū)域F-G，放電電流過了F點，電流增大，管壓降又隨之增加，輝光布滿陰級表面，電流在10-410-1A。VIVI：過渡區(qū)G-H，提高電源電壓，電流迅速增大，管壓降突然下降，出現(xiàn)負的伏安特性。VIIVII：弧光放電區(qū) H-K，出現(xiàn)明亮的弧光，電流在10-1A以上。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計34第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理

33、2. 2. 擊穿電壓及影響因素擊穿電壓及影響因素 擊穿電壓擊穿電壓U US S是氣體激光器重要參量之一。是氣體激光器重要參量之一。（1 1）帕邢定律：擊穿電壓）帕邢定律：擊穿電壓U US S是氣壓是氣壓p p和電極間距和電極間距d d乘積乘積 pdpd的函數(shù)，且擊穿電壓的函數(shù)，且擊穿電壓U US S有最小值。有最小值。 以以（pdpd）minmin為界，曲線可分為左、右部分：為界，曲線可分為左、右部分：2022-1-2激光器件原理與設(shè)計35左部：左部：pdpd增大，增大，U US S下降?？偱鲎泊螖?shù)下降?？偱鲎泊螖?shù)N N起主導(dǎo)作用，利于起主導(dǎo)作用，利于放電。放電。 右部：右部：pdpd增大，增

34、大，U US S上升。電子從每個上升。電子從每個自由程獲得能量減自由程獲得能量減少起主導(dǎo)作用，不少起主導(dǎo)作用，不利于放電。利于放電。第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理2022-1-2激光器件原理與設(shè)計36A. 氣體種類和成分氣體種類和成分氣體中摻入少氣體中摻入少量雜質(zhì)氣體，量雜質(zhì)氣體，若滿足潘寧電若滿足潘寧電離條件，電離離條件，電離率上升，如率上升，如HeNe、 HeGd ，US下降。下降。第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理（2 2）影響擊穿電壓的其它因素）影響擊穿電壓的其它因素2022-1-2激光器件原理與設(shè)計37第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本

35、原理摻入少量負電性氣體，惰性氣體加入鹵族元素，摻入少量負電性氣體，惰性氣體加入鹵族元素，它易吸附電子形成負離子，電子密度下降，它易吸附電子形成負離子，電子密度下降，US升高。升高。摻入少量分子性氣體，摻入少量分子性氣體，US升高。例如升高。例如CO2中中N2増多，使電子能量降低，放電空間電離系數(shù)下増多，使電子能量降低，放電空間電離系數(shù)下降，放電困難，降，放電困難，US升高。升高。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計38第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理nB. 電極材料與表面狀況電極材料與表面狀況 陰極材料與表面狀況的變化直接影響到正離子轟擊下陰極材料與表面狀況的變化直接影響到正離

36、子轟擊下的陰極二次電子發(fā)射系數(shù)的大小。從而影響到擊穿電的陰極二次電子發(fā)射系數(shù)的大小。從而影響到擊穿電壓的大小。一般要求對明極進行工藝處理使其發(fā)射壓的大小。一般要求對明極進行工藝處理使其發(fā)射電子穩(wěn)定，以保持擊穿電壓的穩(wěn)定。電子穩(wěn)定，以保持擊穿電壓的穩(wěn)定。 不同材料有不同濺射率，隨原子序號的變化而變化。不同材料有不同濺射率，隨原子序號的變化而變化。 主要金屬的濺射率排序為：主要金屬的濺射率排序為： Ag Au Cu Pt Ni Fe Al Mo W Ta Ag、Au、Cu容易產(chǎn)生濺射，容易產(chǎn)生濺射，Al、Mo、W濺射率較小濺射率較小2022-1-2激光器件原理與設(shè)計39第一章第一章 氣體放電的基本

37、原理氣體放電的基本原理C. 電場分布的影響電場分布的影響n電極結(jié)構(gòu)和極性決定了放電管擊穿前電極間的電場分布，它對擊穿電壓有顯著影響。n例如，圓柱形電極系統(tǒng)，其極間電場分布是非均勻的?？刹捎镁鶆驁鲭姌O：Rogowski電極 、Chang電極 、Ernst電極等。n若電極的極性接法不同。對陰極表面的電場強弱有很大影響，所以擊穿電壓會發(fā)生明顯的不同。2022-1-2激光器件原理與設(shè)計40 D. 預(yù)電離的影響：采用預(yù)電離的方法可降低預(yù)電離的影響：采用預(yù)電離的方法可降低US。 放電管電極間在未加擊穿電壓之前，由于外界電離源的放電管電極間在未加擊穿電壓之前，由于外界電離源的作用，使放電空間形成初始帶電粒子

38、，即預(yù)電離。常用作用，使放電空間形成初始帶電粒子，即預(yù)電離。常用增強預(yù)電離的方法來降低擊穿電壓。增強預(yù)電離的方法來降低擊穿電壓。例如，用強紫外光照射陰極使其產(chǎn)生光電子發(fā)射，或照射氣體例如，用強紫外光照射陰極使其產(chǎn)生光電子發(fā)射，或照射氣體使氣體原子光電離。也可在高氣壓放電管內(nèi)加輔助電極，使氣體原子光電離。也可在高氣壓放電管內(nèi)加輔助電極，首先在輔助電極間產(chǎn)生預(yù)放電，這不僅能降低擊穿電壓，首先在輔助電極間產(chǎn)生預(yù)放電，這不僅能降低擊穿電壓，也可改善主放電的穩(wěn)定性。也可改善主放電的穩(wěn)定性。二、輝光放電：分為正常輝光放電和異常輝光放電。對應(yīng)于伏二、輝光放電：分為正常輝光放電和異常輝光放電。對應(yīng)于伏安特性曲線安特性曲線EF和和FG段。段。第一章第一章 氣體放電的基本原理氣體放電的基本原理2022-1-2激光器件原理與設(shè)計411.輝光放電的外貌和輝光放電的外貌和組成區(qū)域：組成區(qū)域：陰級陰級區(qū)區(qū) ，過渡區(qū)過渡區(qū) ，正柱區(qū)正柱區(qū) ，