5-2典型激光器介绍-气体激光器

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1、上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器气体激光器HeNe激光器CO2激光器Ar离子激光器工作物质HeNe；Ne决定光谱性能CO2HeN2；CO2决定光谱 性能Ar；Ar决定光谱性能物理过程四能级系统四能级系统四能级系统激光谱线0.6328m+1.15m+3.39m； 3.39m占优势10.6m +9. 6m；10.6m占优 势0.4880m+0.5145m 蓝 光和绿光泵浦源气体放电激励气体放电激励气体放电激励输出特性*谱线竞争 *输出功率特性：与放电电流关系 很大，存在最佳气体混合比和最 佳充气总压强，即存在最佳充气 条件和毛细管

2、直径*放电特性：电流有最佳值 *温度效应：转换效率高，约 有60以上的能量转换为气体 的热能，温度升高，粒子数反 转减小，谱线加宽增益系数下 降*多谱线工作：每条谱 线都有一个阈值电流， *输出功率随放电电流 的关系与其他激光器不 一样；特点*气态物质的光学均匀性一般比较好，使其在单色性和光束稳定性方面有较大优势； *谱线极为丰富；目前已达数千种，从紫外到远红外波段； *大多数能连续运转 *都有瞬时功率不高的特点：工作气体的气压较低，单位体积中粒子数较少，只有固体激光器中激活 粒子数密度的千分之一或更少，因而储存的能量少结构简单，使用方便，光束质量 好，工作可靠，容易制造连续工作脉冲工作均可；

3、输出 功率大，效率高；正好处于大 气窗口，且对人的眼睛的危害 比可见光和红外线小得多谱线丰富，主要分布在 蓝绿光区；连续脉冲工 作均可，是目前在可见 光区连续输出功率最高 的气体激光器上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器1. He-Ne激光器的结构和激发机理 图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级 是3S和2S能级，激光下能级是3P和2

4、P能级。 上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器是典 型的四能级系统， 其激光谱线主要有 三条 : 3S2P 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39 5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器2. He-Ne激光器的输出特性 (1) 谱线竞争: He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)

5、 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5-10) (2) 输出功率特性 : He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11) 是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线 图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线 在最佳充气条件下，使输出功率最大 的放电电流叫最佳放电电流 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最 佳充气总压强，即存在最佳充气条件 。 若放电毛细管的直径为d，充气压强 为p，则存在一个使输出功率最大的最 佳pd值。 在最佳放电条件下，工作物质的增益 系数和毛细管直径d成反比。 5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器上一页上一页回首页回首页下一页

6、下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器1. CO2激光器的结构和激发过程 图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图5.2.2 二氧化碳激光器 图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置 在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。 上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器1. CO2激光器的结构和激发过程 5.2.2 二氧化碳激光器 CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。 图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子

7、能级图上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器1. CO2激光器的输出特性 5.2.2 二氧化碳激光器 相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的 最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。 (1) 放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将 有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高， 将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转 数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特 别是，气体温度的升高

8、，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分 子浓度。 (2) 温度效应 上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器5.2.3 Ar+离子激光器1. Ar激光器的结构 2. Ar激光器的激发机理 Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如 图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。 图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器5.2.3 Ar+离子激光器2. Ar激光器的激发机理 Ar激光器与激光辐射有关的

9、能级结构如图(5-15)所示 图(5-15) 与产生激光有关的Ar+的能级结构上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器5.2.3 Ar+离子激光器2. Ar激光器的工作持性 Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流 (1)多谱线工作 (2)输出功率与放电电流的关系 由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其 它激光器有所不同，图(5-16)示出了其间的关系曲线。 图(5-16) Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光

10、器介绍5.2气体激光器课堂练习：1. 欲设计一对称光学谐振腔，波长为10.6m, 两反射镜间距L2m, 如选择凹面 镜曲率半径R=L, 试求（1）镜面上光斑尺寸。（2）若保持L不变，选择RL， 并使镜面上光斑尺寸为0.3cm, 问此时镜的曲率半径和腔中心光斑尺寸多大？2. 波长为的高斯光束入射到位于 处的透镜处，为了使出射高斯光束的光 腰正好落在样品的表面上（样品表面距透镜L），透镜的焦距f应该为多少？3. 二氧化碳激光器采用平凹腔，凹面镜的曲率半径为2m，腔长为1m，求出它所 产生的高斯光束的光腰大小和位置，共焦参数f以及发散角。4. 某高斯光束的束腰为1.2mm，波长为10.6 m，今用焦距为2cm的凸透镜来聚 焦，当光腰与透镜的距离分别为10m，1m，0时，出射高斯光束的光腰大小和位 置各为多少？结合书本内容分析所得的结果。5. 在工作物质中存在着频率为 、 ，平均光强为 、 的两强光，试求在均 匀增宽及非均匀增宽两种情况下： （1）频率为 的弱光的增益系数表达式 （2）频率为 的强光的增益系数表达式 上一页上一页回首页回首页下一页下一页回末页回末页 回回目录目录第五章 典型激光器介绍5.2气体激光器课堂练习：6. 如图， 求 ，并叙述聚焦原理。