齐鲁工业大学激光器件原理与设计
1、气体放电是气体激光器的主要激励形式。在外加电场作用下,气体中产生电流形成电离气体称之为气体放电现象。
2、当中性气体粒子与其他粒子发生碰撞时,原子中的价电子吸收外来粒子的能量,从原来的能级跃迁到较高的能级上去,我们说这个原子被激发,称其为受激原子。如果原子中一个或几个电子因碰撞吸收能量而脱离了原子变成自由电子,使原子成为带正电荷离子,这种过程称为电离。 激发是实现粒子数反转的必要条件。电离是维持放电平衡的必要条件。
(1)电子与原子碰撞引起的激发和电离 原子激发ē+A→e+A’ 原子电离ē+A→e+A++e
(HeNe)++e→(HeNe)’→Ne’+He Ne2+e→Ne’2→Ne’+Ne
+
6
4
6
+
4
2. 激光下能级的激发和弛豫:主要是电子直接碰撞激发 Ne(2P,3P)上的粒子主要过自发辐射向Ne(1S)能级弛豫,且速率较快。
Ne+e→N(e2P,3P)+
+
e
B.Ar的激发机理:电子碰撞激发。
一步激发:直接将Ar原子激发到激发态。3p→3p4p, Ar(3p)+ē→Ar(3p4p) +e+e
二步激发:Ar原子经过两次激发而到达激光上能级。主要用于高气压、大电流的(2)电子与分子碰撞引起的激发和电离 激发ē+AB→e+(AB)’ 电离
器件,以连续方式为主。
ē+AB→e+(AB)++e
Ar(3p6)+ē→Ar+(3p5)+e+e
(3电子与受激原子碰撞产生逐次激发和逐次电离 逐次激发ē+A’→e+(A’)’逐次电
Ar+(3p5)+ē→Ar+(3p44p)+e
离 ē+A’→e+A++e
3. 级联(串级)激发: 该过程是Ar原子先被激发到3p45s、3p43d、3p44d等高
(4)电子与正离子碰撞引起的激发和电离 激发ē+A+→e+(A+)’ 电离
能态上,然后通过辐射跃迁在激光上能级3p44p上积累,实现激发。
ē+A+→e+A+++e 结论:要求电子有很高的能量。
Ar(3p6)+ē→Ar+(3p5) +e+e
(5)共振转移 :亚稳原子A*与基态原子B碰撞,使基态原子变成受激原子B,亚
Ar+(3p5)+ē→Ar+(3p45s) +e
稳原子变成基态原子A。A*+B→A+B’±ΔE结论:概率由ΔE大小决定。
Ar+(3p45s)→Ar+(3p44p)+hv
(6)潘宁电离 A*+B→A+B++e+ΔE , A*+B→A+B+’+e+ΔE条件:亚稳态原子的
C.CO2激发机理
激发能大于和它相碰原子的电离能。
激光上能级的激发
(7)光激发和光电离: 气体粒子由于吸收了光子能量h,产生激发和电离。
1、 电子直接碰撞激发 CO2(0000)+e → CO2*(0001)+ e′
h+A→A’, h≥eu0 (激发能) h+A→A++e , h≥eui (电离能)
2、 串级跃迁激发CO2(0000)+e → CO2*(000V3)+ e′ ,
3、 复合:正负粒子中和形成中性粒子的过程。
CO2(000V3)+CO2(0000)→ CO2*(000V3-1)+ CO2*(0001)
(1)空间复合
3共振转移激发
电子复合:电子与正离子在空间复合。ē+A+→A+ hυ辐射复合
4复合激发
(AB)++ ē →A’+B 离解复合
激光下能级的激发
离子复合:正、负离子在空间复合。
1)电子碰撞激发
A++B-→A+B+ΔE 使原子与分子动能增加 →A’+B+ΔE 使其中一个激发
直接激发 CO2(0000)+e′ → CO2(1000)+e
→A+B’+ΔE使其中一个激发
逐级激发 CO2(0000)+e′ → CO2(0110)+e CO2(0110)+e′ → CO2(1000)
→A+B+ hυ 放出光子
+e (2)管壁复合
带电粒子在放电管中运动,电子速度快,先到达管壁,且数量多, 2)串级激发 高能级的粒子辐射跃迁或驰豫碰撞到100或020能级
1
1
形成电场,吸引正离子,形成复合,称为管壁复合。
吸附:电子与中性粒子碰撞,中性粒子吸附电子,使粒子形成负离子。 转荷:正、负离子与气体粒子碰撞,会发生电荷转移, 产生高速中性粒子和激发态离子。
3)分子碰撞激发 CO2(010)+ CO2(010)→ CO2(100)+ CO2(000)-△E 4)费米共振激发 CO2(0200)→ CO2(1000)-△E 五、气体激光器的输出特性 A. He-Ne激光器输出功率
(1)对称谐振转荷:同一种类的两个粒子间发生的电荷转移。 He++He→He +He+ (1)单纵模基横模 (2)非对称谐振转荷:不同种类的两个粒子间发生的电荷转移。 Ne++He→Ne (2)多纵模基横模 +He+
4、I:非自持放电区 A-C,电流很小10-20—10-11A。C点电压称着火电压或击穿电压。
II:自持暗放电区 C-D,放电稳定,电流仍很小10-10—10-7A。去掉电离源,仍能维持放电。
III:过渡区域 D-E,放电将不稳定,电流迅速增大,管压降突然下降,到E点放电才稳定。
IV:正常辉光放电区域E-F,电流增大,管压降基本不变,管内出现辉光,阴级表面辉光斑随电流增大而增大。
通常为多纵模基横模光束。He-Ne输出功率随时间变化有周期性变动,也有随机的波动。
输出谱线:(1)He-Ne只出现一条谱线由于谱线竞争(2)当前的He-Ne正向多色方向发展
B.Ar+输出功率(1)Ar+是在低气压、大电流情况下工作的,当放电电流超过阈值
后,输出功率随电流增加而增大。达到最大值后若继续增大电流。功率下降。(2) 提高气压会增加参与激光翻转离子数,有利于输出功率的提高。(3)加轴向磁场提高输出功率。(4)通过增大放电管直径、增大pr乘积、采用新型阴极等提高输出功率。
V:异常辉光放电区域F-G,放电电流过了F点,电流增大,管压降又随之增加,输出谱线:(1)能够发射的谱线(2)输出351.1nm和363.8nm的紫外谱线。 辉光布满阴级表面,电流在10-4—10-1A。
VI:过渡区G-H,提高电源电压,电流迅速增大,管压降突然下降,出现负的伏安特性。
VII:弧光放电区 H-K,出现明亮的弧光,电流在10A以上。
-1
C.CO2输出功率:封离式CO2实现稳定输出要处于两种状态。CO2的输出功率随放电管的长度增加而增加,呈线性关系。CO2的输出功率与放电电流之间存在一个与放电管D有关的最佳值关系。D越粗最佳电流越大。CO2中减低气体文都提高输出功率。
输出谱线:CO2中输出谱线10.6um只有0001--1000跃迁的1~3条P支谱线。CO2工作气压不同,谱线线型也不同。
CO2能级特点:CO2分子有振动能级和转动能级。振动能级包括对称振动,弯曲振动,反对称振动。CO2总振动能量是三种振动能量之和。CO2分子除了、振动运动外还有转动运动,在转动影响下,振动能级要分裂成很多子能级。 六、固体激光器
基本结构:工作物质,泵浦源,聚光腔,光学谐振腔,冷却滤光及激光电源。 热效应:固体激光器工作时,输入泵浦灯的能量只有少部分转化为激光输出,其余能量转化为热损耗,工作物质自身温度升高,引起荧光谱线加宽、量子效率降低,导致激光器阈值升高和效率降低。激光棒一方面吸收光泵辐射发热,另一方面由于冷却不均匀会造成工作物质内部温度分布不均匀,导致热应力、应力双折
四、气体体激光器的激发机理
A. He-Ne激光器主要采用直流辉光放电激励,也有用射频和高频放电激励。其增益区在正柱区,Ne原子激发数量很少,主要是He原子的激发,通过共振转移使Ne原子在2S、3S和2P、3P能级间实现粒子数反转分布。 目的:实现激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。 1.激光上能级的激发:实现激光上能级粒子积累 (1)电子直接碰撞激发:不能实现粒子数反转分布 (2)共振能量转移激发
(3)串级激Ne(nS)+Ne→Ne(2S、3S)+Ne[(n-1)S] n>5 (4)
复合激发:Ne++Ne+He→(HeNe)++Ne
射和热透镜效应等,这些热影响称之为热效应。
热效应坏处:1、引起荧光谱线加宽、量子效率降低,导致激光器阈值升高和效率
降低2、产生热透镜效应引起光束质量变坏3、产生应力双折射,引起偏振光退偏, 线偏光工作的激光器,退偏损耗常导致器件的效率大大降低。4、热应力过大会导
致工作物质损坏。5、引起谐振腔形改变 6、限制了激光功率的进一步提高
热效应的消除及补偿:加强冷却降低棒的整体温度。光学补偿法:主要用于抵消热
致双折射或热透镜的影响,以改善光束质量。采用非圆柱形工作物质或改变泵浦
方式。
冷却装置:主要目的是对工作物质,泵浦灯和聚光腔进行冷却,以保证激光器安 全正常进行。
冷却方法: 液体冷却,气体冷却,传导冷却。
Ne++Ne+He→Ne+2+Ne,Ne++2He→(HeNe)++He