第一篇 氣體激光器

第一篇?dú)怏w激光器第一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四第一章概述

氣體激光器的分類原子氣體激光器惰性氣體He,Ne,Ar,Kr,Xe典型激光器：He－Ne激光器波長632.8nm脈沖2000j脈寬300Ps原子氣體Cl,Br,N,S,C,O,I35千瓦可作激光武器原子蒸氣Cs,Cd,Cu,Mn,Sn,Cd,Cne.g.把Cu加熱，1000～1500攝氏度510.6nm(綠光)578.2nm(黃光)

LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四2.分子氣體激光器氣體分子激光器CO(5.88um,5.51um)N2(337.1um)CO2(10.6um)HF(2.6-3.5um)準(zhǔn)分子激光器惰性氣體準(zhǔn)分子：Ar2＊(126.1nm)Xe2＊(173.6nm)

Kr2＊(145.7nm)

惰性氣體鹵化物準(zhǔn)分子：XeF＊(351nm，353nm)

ArF＊(193nm)

XeCl＊(308nm)

惰性氣體氧化物準(zhǔn)分子：ArO＊(557.6nm)

金屬蒸氣鹵化物準(zhǔn)分子：HgCl＊(558.4nm)金屬蒸氣準(zhǔn)分子：Hg2＊Mg2＊

c)汞化物分子激光器LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四3.離子氣體激光器a)惰性氣體：Ar＋(514.5nm綠光)(487.9nm藍(lán)光)

Kr＋(476.2nm藍(lán)光)(520.8nm綠光)b)金屬蒸氣離子：He－Cd(441.6nm藍(lán)光，325.0nm紫外)LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四氣體激光器的優(yōu)點(diǎn)及今后的發(fā)展方向發(fā)射光譜寬紅外紫外（有近萬種譜線）光束質(zhì)量好工作物質(zhì)均勻，很窄，相干長度幾公里。大功率的連續(xù)輸出萬瓦級（二氧化碳激光器）量子效率高（30％）固體激光器（2－3％）半導(dǎo)體激光器（70－80％）工作物質(zhì)比較豐富，結(jié)果簡單，廉價(jià)LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@研究方向：1）開拓新波段

2）大功率大能量

3）小型化研究提高器件壽命，國外幾萬小時(shí)，國內(nèi)只有幾千小時(shí)。研究新類型氣體激光器第五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四氣體激光器的激勵(lì)方式電激勵(lì)熱激勵(lì)化學(xué)能激勵(lì)光激勵(lì)核能激勵(lì)LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四

一、氣體放電粒子種類及其碰撞的基本規(guī)律1、氣體放電粒子種類（1）中性氣體粒子指氣體沒有電離時(shí)已經(jīng)存在的粒子（惰性氣體粒子、金屬蒸汽粒子、一般分子等）。（2）帶電粒子中性氣體粒子一旦被電離所產(chǎn)生的電子和正離子（這些帶電粒子對放電特性產(chǎn)生影響，其中電子的左右起主導(dǎo)地位）。（3）受激粒子和光子放電中產(chǎn)生的受激中性粒子（A*和AB*）以及可能出現(xiàn)的受激離子（A+*）按照量子效應(yīng)，會(huì)發(fā)射光子，也能吸收光子實(shí)現(xiàn)光激發(fā)、光電離和受激輻射，這在激光器中起重要作用）。LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四2、粒子碰撞基本規(guī)律彈性碰撞：相互發(fā)生碰撞的粒子間只交換動(dòng)能，不交換內(nèi)能。（在確定氣體放電的各種傳統(tǒng)系數(shù)中起主要作用，如熱傳導(dǎo)、電傳導(dǎo)、擴(kuò)散、漂移等系數(shù)）。非彈性碰撞：相互發(fā)生碰撞的粒子間既交換動(dòng)能也交換內(nèi)能。（在確定氣體放電的各種電產(chǎn)量和光產(chǎn)量中起主要作用，如電子溫度或者能量、電子密度、各種受激能級的粒子束分布等）。激發(fā)與電離：當(dāng)中性氣體粒子與其他粒子發(fā)生碰撞時(shí)，原子中的價(jià)電子容易吸收外來粒子的能級，從其原來的能級躍遷到較高的能級上去，我們稱這個(gè)原子被激發(fā)，即受激原子。如果原子中一個(gè)或幾個(gè)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的離子，這種過程成為電離。氣體激光器中，電離是維持放電平衡的必要條件，

激發(fā)是實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)的必要條件。LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四氣體放電粒子碰撞與激發(fā)諧振能級：指一個(gè)原子吸收光子與放出光子的能量相同。亞穩(wěn)能級：凡是不能通過輻射光子而自發(fā)躍遷到基態(tài)或者任何一個(gè)較低能級的這種能級。第一類非彈性碰撞：電子與粒子碰撞e*+A->e+A*粒子激發(fā)e*+A->2e+A+粒子電離e*+A->2e+A+*離子激發(fā)態(tài)第二類非彈性碰撞1.共振轉(zhuǎn)移：A*(E2)+B(E1)->A(E1)+B*(E2)+△E原子激發(fā)能量的共振轉(zhuǎn)移△E=EA(E2)-EB(E1)△E越小，共振轉(zhuǎn)移截面愈大，碰撞越易2.A++B->A+B++△EA++B->A+B+*+△E3.潘寧電離（亞穩(wěn)原子的激發(fā)能大于和它碰撞原子的電離能）A*(E2)+B->A(E1)+B++e+△EA*(E2)+B->A(E1)+B*(E2)+e+△E在基本其中中摻入少量雜質(zhì)氣體，而基本氣體的亞穩(wěn)激發(fā)電位高于雜質(zhì)氣體的電離電位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的潘寧電離，結(jié)果使氣體的有效電離電位明顯降低，所以潘寧電離在氣體激光中有實(shí)用價(jià)值。LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四第二章He－Ne氣體激光器§2－1He－Ne激光器的結(jié)構(gòu)及工作原理一、He－Ne激光器的結(jié)構(gòu)LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

放電管毛細(xì)管

貯氣室

電極陰極

激光管陽極He-Ne激光器的組成諧振腔:一般采用穩(wěn)定腔電源第十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四二、He、Ne原子的能級圖He－Ne激光器的工作物質(zhì)是Ne原子He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@Ne原子三條最強(qiáng)的躍遷譜線：632.8nm3S22P43.39μm3S23P41.15μm2S22P4典型的四能級系統(tǒng)第十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四三、He－Ne激光器的激發(fā)過程LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)

He(11S0)+eHe*(21S0)+e′He(11S0)+eHe*(23S1)+e′He*(21S0)+Ne(1S0)Ne*(3S2)+He(11S0)+△EHe*(23S1)+Ne(1S0)Ne*(2S2)+He(11S0)+△E其中e----碰撞前快速電子

e′----碰撞后慢速電子第十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四電子直接碰撞激發(fā)LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@Ne*(2S2)+e′Ne(1S0)+e

Ne*(3S2)+e′串級躍遷Ｎe原子與電子碰撞被激發(fā)到更高的能態(tài)，而后再躍遷至２S和３S能態(tài)。第十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四四、Ne原子激光下能級的弛豫根據(jù)躍遷選擇定則,位于激光下能級3P4,2P4及1S能級的粒子向基態(tài)的躍遷是禁戒的.即位于上述能級的粒子不能通過輻射過程而返回基態(tài),只能通過擴(kuò)散至管壁與管壁碰撞交換能量返回基態(tài).我們稱其為“管壁效應(yīng)”.He-Ne激光器放電毛細(xì)管管徑d與小信增益Gm之間存在經(jīng)驗(yàn)公式:Gm=3×10-4/d(cm-1)思考：上式說明什么問題？LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四五、He-Ne激光器的最佳放電條件放電條件:

放電電流(i);充氣總氣壓(p);He,Ne氣壓比(PHe:Pne)由激光原理可知,器件的增益G正比于激光上、下能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度差Δn(G∝Δn).以632.8nm譜線躍遷為例,通過建立與求解速率方程分析Δn與放電條件之關(guān)系.LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四設(shè):Ne原子激光上能級(3S2)的粒子數(shù)密度為n3激光下能級(2P4)的粒子數(shù)密度為n2基態(tài)(1S0)能級上的粒子數(shù)密度為n1He原子亞穩(wěn)態(tài)能級(21S0)上的粒子數(shù)密度為n4基態(tài)(11S0)能級上的粒子數(shù)密度為n0

氣體放電激勵(lì)時(shí),電子密度為ne則n3的速率方程為:LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-1第十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四式中:kn1n4為HeNe共振轉(zhuǎn)移的激發(fā)速率,k為轉(zhuǎn)移速率常數(shù)kn0n3為NeHe共振轉(zhuǎn)移的激發(fā)速率

為n3到其它能級的馳豫速率,為其馳豫時(shí)間穩(wěn)態(tài)后,由(1.1-1)式得:

LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-2第十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四同理,He亞穩(wěn)態(tài)能級(21S0)上粒子數(shù)密度n4的速率方程為:

(2.1-3)式中:n0n4S04-電子碰撞激發(fā)速率.S04為激發(fā)速率常數(shù)n4neS4-電子碰撞消激發(fā)速率.S4為消激發(fā)速率常數(shù)n4A′-因共振能量轉(zhuǎn)移或逃逸出激活區(qū)而使n4衰減的速率.A′為衰減幾率穩(wěn)態(tài)后，有（2.1-3）式得LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-4第二十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四將（2.1-4）代入（2.1-2）式，得LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-5下面推導(dǎo)n2.n2也是靠電子碰撞激發(fā)的。n2的速率方程為：2.1-6式中：n1neS02-電子碰撞激發(fā)速率.S02為激發(fā)速率常數(shù)

n2neS2-電子碰撞消激發(fā)速率.S2為消激發(fā)速率常數(shù)

n2A—自發(fā)輻射衰減速率.A為自發(fā)輻射幾率第二十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@穩(wěn)態(tài)后，

由（2.1-6）得2.1-7因自發(fā)輻射幾率A很大，與A相比neS2可忽略故有：2.1-8第二十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)（2.1-5）和（2.1-8）式，我們可以定性的討論增益和放電條件之間的關(guān)系1.增益與放電電流i的關(guān)系在P和PHe:Pne一定的條件下，即：(2.1-9)式中：K′—比例系數(shù)。而n0,n1,,A等均與i無關(guān)。將(2.1-9)代入(2.1-5)，(2.1-8)式，得：LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-10式中，2.1-11K1,K2與K3都是和放電電流無關(guān)的常數(shù)第二十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@由(2.1-11)式知：

由(2.1-10)式可知：n3與i的關(guān)系為：

當(dāng)i較小時(shí),k2i可忽略..n3與i成線性變化.

當(dāng)i較大時(shí),k2i隨之增大..n3與i關(guān)系不大.

i繼續(xù)增大時(shí),n3飽和.

第二十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四n3,n2與i關(guān)系曲線如圖2-3所示：LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2-3粒子數(shù)密度與放電電流的關(guān)系第二十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2-4增益與放電電流關(guān)系第二十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四由上述分析可知,He-Ne激光器存在著最佳放電電流iopt,當(dāng)i=iopt時(shí)，最大。放電長度為1米左右的He-Ne激光器，放電電流在幾毫安-幾百毫安范圍LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.增益與充氣總氣壓P的關(guān)系

因n3>>n2,故,主要分析n3：

在He，Ne氣壓比一定的條件下，第二十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@總氣壓但若總氣壓雖,但電子與原子碰撞次數(shù)也增多電子動(dòng)能下降圖2-5增益與充氣總氣壓的關(guān)系第二十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@由上可見，器件存在一最佳總氣壓Popt。當(dāng)P=Popt時(shí)，

最大。He-Ne激光器的總氣壓一般在幾帕-幾百帕之間。3.增益與He，Ne氣壓比的關(guān)系在總氣壓P一定的條件下，,由式(2.1-6)知,n1比n0對n3的影響大但當(dāng)因Ne的電離電位低,易電離而導(dǎo)致電子能量.同時(shí),由于Ne原子激發(fā)上能級粒子數(shù)主要通過與He亞穩(wěn)態(tài)共振轉(zhuǎn)移而獲得,因此作為工作氣體的Ne氣所占比例要適當(dāng),也存在一最佳值..一般第二十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2-6增益與He-Ne氣壓比的關(guān)系第三十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

最佳充氣總氣壓Popt與最佳He,Ne氣壓比叫做最佳充氣條件。

當(dāng)器件取最佳氣壓比與最佳總氣壓時(shí)，最佳總氣壓Popt與放電管徑d的乘積為一常數(shù)，其取值范圍：

結(jié)論：為得到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù),即獲得最大增益，He-Ne激光器應(yīng)工作在最佳放電電流條件下，即采用最佳放電電流、最佳充氣總氣壓和最佳He、Ne氣壓比。第三十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四§2-2He-Ne激光器的輸出功率及穩(wěn)定性LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@He-Ne激光器的輸出特性主要指:輸出功率,頻率特性,束散角,偏振特性等.

其中頻率特性將在穩(wěn)頻技術(shù)一章中介紹.（一）輸出功率及其影響因素

1.輸出功率公式(1)單縱模激光器輸出功率公式第三十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器,當(dāng)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩后(頻率為的光強(qiáng)),有光在腔內(nèi)往返一次所獲得的飽和增益等于腔內(nèi)的光學(xué)總損耗.即:

(2.1-1)式中:--飽和增益系數(shù)

--放電管長度

--除透過率外光在腔內(nèi)往返一次的光學(xué)總損耗的百分?jǐn)?shù)

--輸出鏡的透過率第三十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@則器件的輸出功率P表示為:

(2.2-2)

式中:--光束的有效橫截面積.其值一般小于放電管橫截面積

(其值等于放電管橫截面積放電管利用系數(shù))

有:-腔內(nèi)振蕩光束的模體積

-放電管體積第三十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@對于平凹腔結(jié)構(gòu)的橫模,令,則有:于是有:(2.2-3)

(2.2-4)由(2.2-2)式可知:再求出腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)光強(qiáng),即可求出輸出功率P.因不僅與工作物質(zhì)的物理參數(shù)有關(guān),同時(shí)與激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),為此引入一個(gè)激發(fā)參量第三十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@式中:--最大小信號增益由上式可見,當(dāng)器件結(jié)構(gòu)確定以后,的值均可確定,則激發(fā)參量可知.(2.2-1)式及綜合加寬大信號增益系數(shù),中心頻率處最大小信號增益系數(shù)表達(dá)式代入上式并設(shè)激光器工作在中心頻率處(),則有:(2.2-5)第三十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

(2.2-6)

式中:--飽和光強(qiáng),其值可由實(shí)驗(yàn)測出.上式給出了與之間的關(guān)系.第三十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2.2-1單模運(yùn)轉(zhuǎn)的與的關(guān)系曲線第三十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

對于結(jié)構(gòu)確定的激光器可知,我們可算出其值.值已知后,我們可利用圖解法從上圖關(guān)系曲線中查出.

令,代入(2.1-14)式,則有:

(2.2-7)

上式表明,.即增大輸出鏡透過率T可提高輸出功率P,但T的增大會(huì)導(dǎo)致下降而引起P的下降.固存在一最佳透過率Topt.第三十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)可分為兩種情況:

縱模間隔燒孔寬度,則縱模振蕩數(shù)多,燒孔嚴(yán)重,增益曲線閾值以上部分均被燒掉,增益飽和類似于均勻加寬.在計(jì)算P時(shí)可將其等效地看作一系列間隔為的縱模振蕩.

見圖2.2-2第四十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2.2-2嚴(yán)重?zé)讜r(shí)的等效縱模第四十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@重點(diǎn)討論第二種情況.

設(shè)等效縱模的平均效率為,其在腔內(nèi)光強(qiáng)為,則腔內(nèi)總光強(qiáng)為:

(2.2-8)式中:--振蕩線寬固有第四十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@則有:

(2.2-9)將(2.2-9)式代入(2.2-8)式,有:

(2.2-10)將上式變形為:第四十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@同單縱模情況引入激發(fā)參量.且穩(wěn)態(tài)工作后處的大信號增益系數(shù)為:

(2.2-12)

(2.2-11)第四十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@將(2.2-12),(2.2-13)代入,可得:

(2.2-14)

(2.2-13)第四十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@由(2.2-11)和(2.2-14)式可計(jì)算出不同值下的,由此作出與的關(guān)系曲線.如圖2.1-9所示.圖2.2-3多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的與的關(guān)系第四十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@這些曲線近似于直線,其方程為:

(2.2-15)式中:--為直線斜率則,基橫模多縱模He-Ne激光器的輸出功率P為:

(2.2-16)式中:

叫做有效飽和參量,其值為:.與氣壓無關(guān).第四十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@,,將代入(2.2-16)式,得:

(2.2-17)

2.影響輸出功率的主要因素放電條件的影響:要選擇最佳放電條件.

因,而對應(yīng)有最佳放電條件,所以要提高輸出功率,應(yīng)選擇最佳放電條件.第四十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2.2-4輸出功率與放電電流的關(guān)系第四十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@圖2.2-5輸出功率與充氣總壓強(qiáng)的關(guān)系(a)(b)(c)第五十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(2)毛細(xì)管尺寸的影響:2方面<長度l,內(nèi)徑d>

增加毛細(xì)管長度,可提高輸出功率(見2.2-17式).但

l過長,諧振腔容易變形,又影響輸出功率.

毛細(xì)管內(nèi)徑d過小,有利于提高Gm.但d太小時(shí),Gm反而下降.主要原因是:當(dāng)長度l一定時(shí),d小則總粒子數(shù)減少,且諧振腔易失調(diào).

因此,He-Ne激光器工作于最佳放電條件下時(shí),注意其內(nèi)徑d與最佳充氣壓Popt的乘積為一常數(shù):第五十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@表2.2-1最佳充氣條件圖2.2-6最佳氣壓比與毛細(xì)管直徑的關(guān)系第五十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四

LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3)選擇最佳透過率單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)情況(前面已講過),當(dāng)時(shí),輸出功率公式自己推導(dǎo).多縱模運(yùn)轉(zhuǎn):令則有:

(2.2-18)

將(2.2-18)代入(2.2-16)式得:(2.2-19)第五十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

將,和代入上式,得:

(2.2-20)注意上式使用條件:,且器件參數(shù)d,l

滿足當(dāng)T在Topt附近有小變化時(shí),輸出功率不會(huì)有明顯變化,因此,對Topt的精度不必作太高的要求.第五十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@實(shí)際運(yùn)用中,一般通過實(shí)驗(yàn)的方法確定最佳透過率.(4)減小腔內(nèi)損耗因He-Ne器件增益較低,輸出鏡透過率也比較低,因此其腔內(nèi)損耗太小對輸出功率影響較大.降低腔內(nèi)損耗的措施:合理設(shè)計(jì)諧振腔:選用穩(wěn)定腔,如平凹腔,雙凹腔等,平凹腔使用多.設(shè)計(jì)l,R等參數(shù);合理選擇毛細(xì)管直徑d:減少衍射損耗;選高質(zhì)量的光學(xué)元件;第五十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@精調(diào)諧振腔.(5)譜線競爭—抑制3.39um譜線振蕩

抑制原因:3.39譜線與632.8nm譜線共用一個(gè)激光上能級3S2,且增益都比較高.3.39um譜線的振蕩,將大量消耗激光上能級的粒子,導(dǎo)致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制.因此,設(shè)法抑制3.39um譜線振蕩是提高632.8nm輸出功率的重要手段.抑制方法增大3.39um譜線的損耗降低3.39um譜線的增益第五十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@腔內(nèi)放置色散棱鏡圖2.2-7棱鏡色散法利用棱鏡的色散效應(yīng),調(diào)整腔鏡,使632.8nm可在腔內(nèi)形成振蕩,而3.39um的光逸出腔外.第五十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@腔內(nèi)放置甲烷吸收盒甲烷對632.8nm透明而對3.39um強(qiáng)吸收.圖2.2-18用甲烷吸收盒抑制3.39um振蕩第五十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@外加非均勻磁場圖2.2-9非均勻磁場法

利用塞曼效應(yīng),磁場引起譜線分裂,分裂的大小與磁場強(qiáng)度成正比.第五十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@非均勻磁場的作用相當(dāng)于把譜線展寬.譜線非均勻磁場強(qiáng)度(高斯)未加磁場時(shí)譜線寬度(MHz)施加非均勻磁場后譜線展寬(MHz)632.8nm30015009003.39um300300900第六十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

因增益系數(shù)反比于線寬,故施加非均勻磁場后,3.39um譜線的增益系數(shù)急劇下降,而632.8nm的增益系數(shù)下降很少,從而提高了632.8nm譜線的競爭能力,3.39um被抑制.(6)使用同位素He-3:

He-Ne器件中所充氦氣通常為He-4.實(shí)驗(yàn)表明,使用He-3比用He-4輸出功率可提高25%左右.但He-3的價(jià)格高得多,一般情況下很少使用.第六十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（二）激光束的發(fā)散角(簡稱束散角)

He-Ne激光束的束散角可認(rèn)為僅取決于其諧振腔的幾何尺寸(因工作物質(zhì)光學(xué)均勻性好,故可忽略光在腔內(nèi)傳播過程中所產(chǎn)生的畸變).

束散角的定義:

(2.2-21)對于TEM00,其遠(yuǎn)場束散角(半角)為:

遠(yuǎn)場:

(2.2-22)第六十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

式中:--束腰半徑對于平凹腔:

(2.2-23)

式中:R--凹面鏡曲率半徑

L--腔長

將(2.2-23)代入(2.2-22)式,得:(2.2-24)令,代入上式得:第六十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(2.2-25)圖2.2-10與的關(guān)系第六十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

為得到較小束散角,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用大R或大L,但R,L過大,不僅諧振腔調(diào)整困難,而且在工作過程中易失調(diào),同時(shí)造成輸出功率的漂移.因此,設(shè)計(jì)R與L參數(shù)時(shí)要統(tǒng)籌考慮.（三）激光的偏振特性1.外腔式與半外腔式:外腔式與半外腔式He-Ne激光器輸出線偏振光第六十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@1964年P(guān)atel研制成第一臺(tái)CO2激光器背景第三章CO2激光器第六十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@縱向封離型高氣壓型（TEACO2

）流動(dòng)型（軸快流、慢流）氣動(dòng)型波導(dǎo)型分類第六十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)或脈沖;輸出功率或能量相當(dāng)大,

能量轉(zhuǎn)換效率效率高;(3)波長范圍：9-18μm

其中10.6μm位于大氣傳輸?shù)拇翱冢?/p>

(4)人眼使用安全：400-700nm損傷優(yōu)點(diǎn)第六十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

放電激勵(lì)縱向低氣壓激光器橫向高氣壓激光器射頻激勵(lì)化學(xué)激勵(lì)氣動(dòng)激勵(lì)機(jī)制第六十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@§3-1CO2激光器的工作原理（一）CO2分子的的能級結(jié)構(gòu)CO2分子的結(jié)構(gòu)：線性對稱排列的三原子分子三個(gè)原子排列成一條直線（分子軸）中間是碳原子兩端是氧原子第七十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第七十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（二）CO2分子的振轉(zhuǎn)躍遷CO2分子二條最強(qiáng)的躍遷譜線

10.6μm000110009.6μm

00010200第七十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

雖然有多條熒光譜線,但在激光器中能同時(shí)形成激光振蕩的只有1至3條,這是因?yàn)橥徽駝?dòng)能級的各轉(zhuǎn)動(dòng)能級之間靠得很近,粒子在能級間轉(zhuǎn)移很快(10-7~10-8s),一旦某一轉(zhuǎn)動(dòng)能級上的粒子躍遷后,其他能級上的粒子就會(huì)按玻爾茲曼分布規(guī)律,轉(zhuǎn)移到這個(gè)能級上來,而其他能級上的粒子數(shù)減少,這就是轉(zhuǎn)動(dòng)能級的競爭效應(yīng).由于這種競爭效應(yīng),如果工作條件使得某條譜線的增益系數(shù)較大,則此譜線首先起振,而同時(shí)抑制其他譜線振蕩.第七十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（三）CO2激光器激光上能級的激發(fā)過程1.電子直接碰撞激發(fā)式中:CO2*(0001)--CO2分子的激發(fā)態(tài)2.串級躍遷激發(fā)

第七十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@3.共振轉(zhuǎn)移激發(fā)在CO2中摻有N2(氮)和CO,它們被電子碰撞激發(fā)到各自的激發(fā)態(tài),這些激發(fā)態(tài)的分子可把能量轉(zhuǎn)移給CO2基態(tài),使CO2躍遷到0001能級.N2分子:CO分子:第七十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@4.復(fù)合過程

放電過程中,有部分CO2分子會(huì)分解成CO和O,同時(shí)也存在CO和O的復(fù)合過程,在復(fù)合時(shí),把原來分解時(shí)所需要的能重新釋放出來,使CO2分子激發(fā)到0001能級.這個(gè)過程比前三個(gè)過程起的作用小得多.

被激發(fā)到激光上能級(0001)的CO2分子,除了受激輻射引起衰減外,還存在一些其他因素使其衰減.我們把后者引起的衰減稱為消激發(fā).

引起消激發(fā)的主要原因:碰撞和擴(kuò)散.第七十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（四）CO2激光器激光下能級的弛豫

由于CO2分子激光下能級1000和0200的輻射壽命很長,從激光上能級躍遷到這兩個(gè)能級的粒子,不能靠自發(fā)輻射很快返回到基態(tài),這必然會(huì)降低粒子反轉(zhuǎn)數(shù).為盡快抽空下能級,必須靠與其他粒子碰撞.碰撞抽空下能級的弛豫過程分為兩步進(jìn)行:第一步:1000和0200能級的馳豫第七十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第二步:

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CO2激光下能級的“抽空”主要是靠氣體分子間碰撞,而不是靠與管壁碰撞.所以放電管直徑的大小對輸出的影響不大,特別是大功率激光器更是如此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那樣一定要用很細(xì)的毛細(xì)管.0110能級的馳豫第七十八頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@思考題:二氧化碳激光器中充入He氣和N2氣的作用分別是什么？二氧化碳激光器的“瓶頸效應(yīng)”指什么？怎么克服？第七十九頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@§3-2縱向放電激勵(lì)的CO2激光器（一）器件結(jié)構(gòu)

盡管結(jié)構(gòu)形式各異,但一般都是由工作氣體,放電管,諧振腔和電源所組成.圖2.2-3縱向放電封離型激光器的典型結(jié)構(gòu)第八十頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@諧振腔內(nèi)兩行波的傳播第八十一頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（二）輸出功率及其影響因素1.輸出功率設(shè):---駐波場中兩列相反方向傳播的行波的光強(qiáng).---歸一化光強(qiáng)

---諧振腔的兩反射鏡

---反射率

(3.2-1)第八十二頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3.2-2)(3.2-3)有:得:(3.2-4)(3.2-5)由激光原理知，第八十三頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@所以則(3.2-7)將(3.2-1)式代入(3.2-7)式得由(3.2-4)和(3.2-7)式可得(3.2-9)(3.2-8)第八十四頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@將上式積分得(3.2-10)同理得(3.2-11)

將(3.2-10)和(3.2-11)兩式相加,并將(3.2-1),(3.2-7)和(3.2-8)式代入和式中,可得(3.2-12)第八十五頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3.2.2-13)

于是激光輸出功率可表示為

除透射損耗外,腔內(nèi)其他單程損耗為a,

又可寫為:第八十六頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3.2-14)2.影響輸出功率的幾個(gè)重要因素

放電管的長度和內(nèi)徑長度:

內(nèi)徑:影響不大第八十七頁，共一百一十頁，編輯于2023年，星期四LaserD