二氧化碳激光器簡介課件

二氧化碳激光器整理課件二氧化碳激光器整理課件14.1C02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能級＋分子的整體轉(zhuǎn)動能級1二氧化碳分子振轉(zhuǎn)能級結(jié)構(gòu)振動能級：對稱振動V1

彎曲振動V2

（角量子數(shù)l）反對稱振動V3

轉(zhuǎn)動能級：轉(zhuǎn)動量子數(shù)J:J=l,l+1,l+2……..整理課件4.1C02激光器的工作原理整理課件22二氧化碳激光器的激發(fā)機(jī)理能級躍遷圖：上能級的激發(fā)下能級的激發(fā)弛豫過程輔助氣體N2COHeXeH2H2O轉(zhuǎn)動能級的競爭效應(yīng)整理課件2二氧化碳激光器的激發(fā)機(jī)理上能級的激發(fā)整理課件32.1激光上能級的激發(fā)

1）電子直接碰撞激發(fā)：

CO2（0000）+e′CO2（0001）+e2）串級激發(fā)：

CO2（0000）+e′CO2（000v3）+e

CO2（000v3）+CO2（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。。。）+△ECO*（v＝1）+CO2（0000）CO(v＝0)+CO2*（0001）+△E4）復(fù)合激發(fā)

CO＋OCO2（0001）+△E整理課件2.1激光上能級的激發(fā)整理課件42.2激光下能級的激發(fā)

1）電子碰撞激發(fā)直接激發(fā)

CO2（0000）+e′CO2（1000）+e

逐級激發(fā)

CO2（0000）+e′CO2（0110）+eCO2（0110）+e′CO2（1000）+e2）串級激發(fā)高能級的粒子輻射躍遷或馳豫碰撞到1000或0200能級

3）分子碰撞激發(fā)

CO2（0110）+CO2（0110）CO2（1000）+CO2（0000）－△E

4）費(fèi)米共振激發(fā)

CO2（0200）CO2（1000）－△E整理課件2.2激光下能級的激發(fā)整理課件53二氧化碳激光器馳豫過程

1）激光上能級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）激光下能級的馳豫第一步1000和0200能級的分子與基態(tài)分子碰撞，二者都會馳豫到0110振動能級

CO2（1000）+CO2（0000）2CO2(0110)+52cm-1CO2（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)。這個過程進(jìn)行的速度很快。第二步馳豫到0110能級的CO2分子與基態(tài)CO2分子及其他氣體分子碰撞馳豫到基態(tài)。

CO2（0110）+CO2（0000）2CO2(0000)+667cm-1CO2（0110）+MCO2(0000)+M+△E整理課件3二氧化碳激光器馳豫過程整理課件6

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，1000馳豫到0110的速率比從0110馳豫到0000的速率高得多，因此0110能級上的粒子將被堆積起來，而第一步過程是可逆的，這會使得1000和0200能級上的粒子數(shù)增加，造成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)下降。

整理課件此馳豫存在瓶頸效應(yīng)：整理課件74輔助氣體N2：增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率,還能增加0110能級的馳豫速率CO：增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率，還能增加0110能級的馳豫速率，但太高時會使0001能級消激發(fā)

He：1降低工作氣體的溫度，增加輸出功率

2He對激光下能級的馳豫作用比對激光能級的馳豫作用影響大得多，這有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即有利于提高輸出功率

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

整理課件4輔助氣體整理課件8Xe：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，并且延長器件壽命Ar：降低管內(nèi)電子溫度，有利于上能級激發(fā)，但導(dǎo)熱率不如He整理課件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94.2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：10－16～10－15Vcm2E/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型增益與管壁溫度無關(guān)

3）氣壓存在最佳氣壓值整理課件4.2普通CO2激光器的工作特性和輸出特性整理課件104）管徑的影響封離型增益隨管徑D增大略有下降流動型增益隨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

整理課件4）管徑的影響整理課件11b）放電管尺寸的影響放電管長度：PW=KL

功率隨放電管長度增加而增加放電管徑：譜線為非均勻增寬時，總輸出功率與放電管直徑無關(guān)譜線為均勻增寬時，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.溫度升高使下能級粒子數(shù)增多，上能級消激發(fā)增大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，輸出功率下降

整理課件b）放電管尺寸的影響整理課件12

2.隨氣壓的增高，線寬加大，輸出功率下降

3.溫度升高增加了CO2分子的分解，輸出功率下降降低溫度采用冷卻措施：擴(kuò)散冷卻對流冷卻4輸出譜線轉(zhuǎn)動能級的競爭效應(yīng)整理課件2.隨氣壓的增高，線寬加大，輸出功率下降整理課件134.3普通CO2激光器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計1結(jié)構(gòu)電極放電管儲氣管回氣管冷卻水管諧振腔鏡2小型CO2激光器的設(shè)計針對小型封離型CO2激光器整理課件4.3普通CO2激光器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計整理課件141）確定諧振腔的主要尺寸放電管長度：l＝PW/W0

總長度L=l＋2△l△l為總長的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＝αm＋αmn整理課件1）確定諧振腔的主要尺寸整理課件15

由經(jīng)驗表達(dá)式算出G0和Is

再由計算最佳耦合時輸出鏡的透過率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)定性放電激勵技術(shù)多樣化提高工作氣體壓力以提高激光功率設(shè)計最佳放電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)輸出又能脈沖輸出整理課件由經(jīng)驗表達(dá)式算出G0和Is整理課件162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)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整理課件2軸快流CO2激光器整理課件174.5橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA）1特點(diǎn)工作氣壓高采用橫向激勵方式電極面積大施用預(yù)電離技術(shù)2常用的TEACO2激光器結(jié)構(gòu)

1）針板TEACO2激光器

結(jié)構(gòu)比較簡單，易實現(xiàn)均勻激勵，效率不高，光束質(zhì)量不太好

2）雙放電TEACO2激光器陰陽極之間加了一個預(yù)電離電極

3）紫外光預(yù)電離TEACO2激光器

4）電子束預(yù)電離TEACO2激光器

整理課件4.5橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA）整理課件183TEACO2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）激光脈沖的瞬時特性兩個峰值：一個由電子直接碰撞激發(fā)形成一個由N2分子激發(fā)形成

3)輸出能量與激勵能量的關(guān)系呈線性關(guān)系，注入能量過大會出現(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普通激光器好整理課件3TEACO2激光器的工作特性整理課件194.6高功率CO2激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計1諧振腔的設(shè)計光橋鏡子支承座光橋托2放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1橫流電激勵：

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)計陰陽極間距離整理課件4.6高功率CO2激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計整理課件20

提高工作氣壓的好處：

1輸出功率隨氣壓增大而增大

2不純氣體比相應(yīng)減小，有利于長時間運(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：氣流上游前沿與陽極前沿對齊與導(dǎo)流板之間必須留有足夠的空隙應(yīng)置于喉道漸縮段內(nèi)壽命：與管徑大小有關(guān)，管徑小壽命長材料：無氧銅水冷鎳陰極整理課件提高工作氣壓的好處：整理課件21

陽極：條形，兩端圓弧過渡，紫銅制造輔助陽極陽極長度不匹配：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)變大陽極的絕緣處理氣流風(fēng)道極間距離的確定：

整理課件陽極：條形，兩端圓弧過渡，紫銅制造整理課件224.7CO2波導(dǎo)激光器1、結(jié)構(gòu)

放電管、貯氣管、回氣管、水冷系統(tǒng)、諧振腔、電極等放電管由波導(dǎo)管組成2、工作特點(diǎn)

放電管內(nèi)徑小、工作氣壓高、譜線加寬、輸出功率密度可提高3、耦合損耗

外部反射鏡與波導(dǎo)管的耦合針對波導(dǎo)管中傳輸?shù)腅H11模，存在三個低損耗區(qū)反射鏡與EH11模相匹配時，三種低損耗區(qū)反射鏡與EH11模不匹配時，三種實用的低損耗配置方案整理課件4.7CO2波導(dǎo)激光器整理課件23整理課件整理課件24整理課件整理課件25整理課件整理課件26二氧化碳激光器整理課件二氧化碳激光器整理課件274.1C02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能級＋分子的整體轉(zhuǎn)動能級1二氧化碳分子振轉(zhuǎn)能級結(jié)構(gòu)振動能級：對稱振動V1

彎曲振動V2

（角量子數(shù)l）反對稱振動V3

轉(zhuǎn)動能級：轉(zhuǎn)動量子數(shù)J:J=l,l+1,l+2……..整理課件4.1C02激光器的工作原理整理課件282二氧化碳激光器的激發(fā)機(jī)理能級躍遷圖：上能級的激發(fā)下能級的激發(fā)弛豫過程輔助氣體N2COHeXeH2H2O轉(zhuǎn)動能級的競爭效應(yīng)整理課件2二氧化碳激光器的激發(fā)機(jī)理上能級的激發(fā)整理課件292.1激光上能級的激發(fā)

1）電子直接碰撞激發(fā)：

CO2（0000）+e′CO2（0001）+e2）串級激發(fā)：

CO2（0000）+e′CO2（000v3）+e

CO2（000v3）+CO2（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。。。）+△ECO*（v＝1）+CO2（0000）CO(v＝0)+CO2*（0001）+△E4）復(fù)合激發(fā)

CO＋OCO2（0001）+△E整理課件2.1激光上能級的激發(fā)整理課件302.2激光下能級的激發(fā)

1）電子碰撞激發(fā)直接激發(fā)

CO2（0000）+e′CO2（1000）+e

逐級激發(fā)

CO2（0000）+e′CO2（0110）+eCO2（0110）+e′CO2（1000）+e2）串級激發(fā)高能級的粒子輻射躍遷或馳豫碰撞到1000或0200能級

3）分子碰撞激發(fā)

CO2（0110）+CO2（0110）CO2（1000）+CO2（0000）－△E

4）費(fèi)米共振激發(fā)

CO2（0200）CO2（1000）－△E整理課件2.2激光下能級的激發(fā)整理課件313二氧化碳激光器馳豫過程

1）激光上能級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）激光下能級的馳豫第一步1000和0200能級的分子與基態(tài)分子碰撞，二者都會馳豫到0110振動能級

CO2（1000）+CO2（0000）2CO2(0110)+52cm-1CO2（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)。這個過程進(jìn)行的速度很快。第二步馳豫到0110能級的CO2分子與基態(tài)CO2分子及其他氣體分子碰撞馳豫到基態(tài)。

CO2（0110）+CO2（0000）2CO2(0000)+667cm-1CO2（0110）+MCO2(0000)+M+△E整理課件3二氧化碳激光器馳豫過程整理課件32

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，1000馳豫到0110的速率比從0110馳豫到0000的速率高得多，因此0110能級上的粒子將被堆積起來，而第一步過程是可逆的，這會使得1000和0200能級上的粒子數(shù)增加，造成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)下降。

整理課件此馳豫存在瓶頸效應(yīng)：整理課件334輔助氣體N2：增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率,還能增加0110能級的馳豫速率CO：增大CO2分子0001能級的激發(fā)速率，還能增加0110能級的馳豫速率，但太高時會使0001能級消激發(fā)

He：1降低工作氣體的溫度，增加輸出功率

2He對激光下能級的馳豫作用比對激光能級的馳豫作用影響大得多，這有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即有利于提高輸出功率

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

整理課件4輔助氣體整理課件34Xe：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，并且延長器件壽命Ar：降低管內(nèi)電子溫度，有利于上能級激發(fā)，但導(dǎo)熱率不如He整理課件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354.2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：10－16～10－15Vcm2E/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型增益與管壁溫度無關(guān)

3）氣壓存在最佳氣壓值整理課件4.2普通CO2激光器的工作特性和輸出特性整理課件364）管徑的影響封離型增益隨管徑D增大略有下降流動型增益隨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

整理課件4）管徑的影響整理課件37b）放電管尺寸的影響放電管長度：PW=KL

功率隨放電管長度增加而增加放電管徑：譜線為非均勻增寬時，總輸出功率與放電管直徑無關(guān)譜線為均勻增寬時，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.溫度升高使下能級粒子數(shù)增多，上能級消激發(fā)增大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少，輸出功率下降

整理課件b）放電管尺寸的影響整理課件38

2.隨氣壓的增高，線寬加大，輸出功率下降

3.溫度升高增加了CO2分子的分解，輸出功率下降降低溫度采用冷卻措施：擴(kuò)散冷卻對流冷卻4輸出譜線轉(zhuǎn)動能級的競爭效應(yīng)整理課件2.隨氣壓的增高，線寬加大，輸出功率下降整理課件394.3普通CO2激光器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計1結(jié)構(gòu)電極放電管儲氣管回氣管冷卻水管諧振腔鏡2小型CO2激光器的設(shè)計針對小型封離型CO2激光器整理課件4.3普通CO2激光器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計整理課件401）確定諧振腔的主要尺寸放電管長度：l＝PW/W0

總長度L=l＋2△l△l為總長的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＝αm＋αmn整理課件1）確定諧振腔的主要尺寸整理課件41

由經(jīng)驗表達(dá)式算出G0和Is

再由計算最佳耦合時輸出鏡的透過率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)定性放電激勵技術(shù)多樣化提高工作氣體壓力以提高激光功率設(shè)計最佳放電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)輸出又能脈沖輸出整理課件由經(jīng)驗表達(dá)式算出G0和Is整理課件422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)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整理課件2軸快流CO2激光器整理課件434.5橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA）1特點(diǎn)工作氣壓高采用橫向激勵方式電極面積大施用預(yù)電離技術(shù)2常用的TEACO2激光器結(jié)構(gòu)

1）針板TEACO2激光器

結(jié)構(gòu)比較簡單，易實現(xiàn)均勻激勵，效率不高，光束質(zhì)量不太好

2）雙放電TEACO2激光器陰陽極之間加了一個預(yù)電離電極

3）紫外光預(yù)電離TEACO2激光器

4）電子束預(yù)電離TEACO2激光器

整理課件4.5橫向激勵高氣壓CO2激光器（TEA）整理課件443TEACO2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）激光脈沖的瞬時特性兩個峰值：一個由電子直接碰撞激發(fā)形成一個由N2分子激發(fā)形成

3)輸出能量與激勵能量的關(guān)系呈線性關(guān)系，注入能量過大會出現(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