CO激光器解析实用实用教案

2024/8/161第1页/共27页第一页，共28页2024/8/162第2页/共27页第二页，共28页2024/8/163可能的跃迁：￿根据波函数对称性的要求，在电子基态上的振动和转动波函数应具有相同的对称性：对称振动的波函数是对称的，弯曲振动和反对称振动的波函数是反对称的J为偶数的转动态的波函数是对称的，J为奇数的转动态的波函数是反对称的因此，在0001能级上，J为偶数的转动能级是空的，在1000能级上，J为奇数的转动能级是空的对CO2分子讲，在每一个振动能级上，不是所有(suǒyǒu)J值的转动能级都存在在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支是非禁戒的P(20)指的是从上能级J=19到下能级J=20的跃迁；R(20)指的是从上能级J=21到下能级J=20的跃迁第3页/共27页第三页，共28页2024/8/164激发过程￿￿￿激光跃迁可发生在00011000(≈10．6m)和00010200(≈9．6m)两个过程中但输出激光主要发生在00011000过程中￿￿￿泵浦主要通过(tōngguò)下面两个过程：电子碰撞激发，这个过程表示为：与这类过程相对应的电子碰撞截面非常(fēicháng)大。

当电子能量为0.3eV时，峰值截面为510-10cm2受到电子碰撞后被激发到高振动激发态的CO2分子中的很大一部分将通过振动模与振动模之间的能量交换（V-V迟豫），从激发态沿着能量阶梯跃落下来，很容易被长寿命的0001能级收集 第4页/共27页第四页，共28页2024/8/165•N2分子(fēnzǐ)的共振能量转移：• 电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大这些被激发的很大一部分分子(fēnzǐ)将被=1的能级所收集N2的=1能级与CO2的0001能级仅相差18cm-1(≈2.510-3eV)，因此，N2与CO2的基态分子(fēnzǐ)发生碰撞时，N2将激发能量转移给CO2分子(fēnzǐ)，使之激发到0001能级；这个过程可表示为：• N2(=1)+CO2(0001)N2(=0)+CO2(0001)-2.510-3eV • 因此，通过N2分子(fēnzǐ)的近共振能量转移来泵浦0001能级是很有效的过程• N2是CO2激光器中的能量转移气体当E/N=2．610-16Vcm2时，输入电功率的大部分被用于激发0001能级所以说CO2激光器的效率是相当高的。

第5页/共27页第五页，共28页2024/8/166激光上下能级的寿命和下能级的排空CO2各能级的自然寿命都很长0001能级的s=210-3秒，1000能级的s=1.1秒这是因为，00010000是允许的光学跃迁，而10000000是禁戒(jìn jiè)的这种情况对产生激光振荡十分不利在CO2激光器中有多种气体成分存在，使不同能级的衰变主要取决于碰撞 CO2分子的0110能级能否被尽快排空实际情况是，0110能级使分子到基能级的衰变变慢，它的作用表现为一种瓶颈现象 He的存在将对0110能级的寿命产生很大影响He与0110能级上的CO2分子碰撞的结果使0110能级的寿命达到=2×10-5秒 He的存在不仅有助于抽空CO2分子的激光下能级，满足实现激光连续振荡的条件而且有助于让放电区的剩余热量传走 第6页/共27页第六页，共28页2024/8/167转动能级竞争不同的振动能级之间的热平衡速率较小，约为103103秒-1-1；而在同一振动态上的不同转动能级之间的热平衡速率很大，约为107107秒-1)-1)于是，处在同一振动态的所有转动能级上的全部粒子都对具有最高增益的那个转动能级的激光跃迁有贡献。

CO2CO2分子可以看作是一个““哑铃””形的刚性(ɡānɡ (ɡānɡ xìnɡ)xìnɡ)转子转动量子数为J J的转动能级上的平衡粒子数为：在CO2CO2分子的00010001能级中，J=21J=21的转动能级上的粒子数最多 第7页/共27页第七页，共28页2024/8/168CO2激光器的结构￿￿CO2激光器的种类多，应用广泛从激光器的结构来看，CO2激光器可分为￿：￿￿(1)纵向封离型激光器；(2)纵向流动激光器；(3)横向流动激光器；(4)横向激励(jīlì)高气压激光器(TEA)；(5)射频激励(jīlì)激光器；（6）波导CO2激光器；（7）气动激光器第8页/共27页第八页，共28页2024/8/169图10 (a) 纵向(zònɡ xiànɡ)封离型激光器 第9页/共27页第九页，共28页2024/8/1610•因此，通常是00011000跃迁中的P(22)支起振，在J=2l的转动能级上的粒子(lìzǐ)数被迅速消耗，于是，其它转动能级上的CO2分子将迅速跃迁到这一转动能级上来就是说，P(22)支振荡将吃掉其它转动能级上的粒子(lìzǐ)数,这就是转动竞争效应。

•CO2激光器输出光谱• •CO2的振转能级非常密集，使CO2激光器输出的波长十分丰富• 00011000跃迁的波长范围是10.06m～11.02m；其中，P支从P4～Ｐ56共有27条谱线，最强的是P18、P20、P22、和P24R支从R4～R54共有26条谱线，最强的是R18、R20、R22和R24；•00010200跃迁，在9.13m到9.95m波长范围内，有40多条谱线第10页/共27页第十页，共28页2024/8/1611图10 （b）纵向(zònɡ xiànɡ)流动激光器 第11页/共27页第十一页，共28页2024/8/1612图10 (c) 横向(hénɡ xiànɡ)流动激光器 第12页/共27页第十二页，共28页2024/8/1613图10 (d) 横向(hénɡ xiànɡ)激励高气压激光器(TEA) 第13页/共27页第十三页，共28页2024/8/1614图10 (e) 波导(bō dǎo)CO2激光器第14页/共27页第十四页，共28页2024/8/1615图10 (f) 射频(shè pín)激励激光器第15页/共27页第十五页，共28页。

2024/8/16164.4.准分子光器•￿准分子(Excimer)是束缚在电子激发态的分子，是一种处于激发态的复合分子，无稳定的基态很快自动地离解成原子或其它分子团，从它产生到消失(xiāoshī)的时间只有几十毫微秒￿•准分子分两类；一类是同核二聚物(Dimer)如￿￿￿、￿￿等，￿￿另一类是异核型准分子￿(Exciplex)，如惰性气体的氧化物和卤化物￿￿￿￿￿￿、￿￿￿￿￿等，以及金属卤化物￿￿￿￿￿￿等￿第16页/共27页第十六页，共28页第17页/共27页第十七页，共28页￿￿￿￿￿￿An￿excimer￿laser￿is￿a￿specific￿type￿of￿molecular￿gas￿laser￿that￿produces￿high￿intensity￿light￿in￿the￿ultraviolet￿(UV)￿range￿of￿the￿electromagnetic￿spectrum.￿The￿UV￿light￿source￿is￿a￿Lumonics￿PM-848k￿excimer￿laser,￿which￿can￿be￿configured￿to￿operate￿with￿either￿a￿KrF￿(krypton-fluoride)￿gas￿mixture￿at￿248￿nm￿or￿an￿ArF￿(argon-fluoride)￿gas￿mixture￿at￿193￿nm.￿The￿excimer￿laser￿beam￿will￿be￿used￿for￿microfabrication￿in￿a￿wide￿range￿of￿absorbing￿materials.￿Any￿feature￿down￿to￿a￿size￿of￿2￿mm￿can￿be￿etched￿into￿a￿surface￿in￿a￿fraction￿of￿the￿processing￿time￿of￿standard￿photolithography.￿The￿range￿of￿applications￿will￿cover￿accurate￿and￿rapid￿scribing,￿drilling￿holes￿through￿the￿substrate,￿and￿creating￿complicated￿patterns￿and￿devices￿out￿silicon￿and￿plastics￿alike.￿第18页/共27页第十八页，共28页。

2024/8/1619第19页/共27页第十九页，共28页2024/8/1620￿准分子激光器的特点准分子寿命很短，只有10-8秒，激光跃迁的下能级是排斥态或寿命非常短(只有10-13秒)的弱束缚态，这就是说激光下能级总是(zǒnɡ￿shì)空的￿与其它分子激光器属于束缚—束缚辐射跃迁的情形不同，准分子激光器属于束缚-自由辐射跃迁由于不存在明确的振动—转动跃迁，所以跃迁是宽带的这就导致准分子激光器具有很高的阈值泵浦功率当然，宽带辐射容易实现可调谐激光发射￿第20页/共27页第二十页，共28页2024/8/1621能级(néngjí)结构图11 XeF*势能(shìnéng)曲线 图11是XeF*准分子的势能曲线(qūxiàn)基态X2∑+1/2是一个弱束缚态，激发态B2∑+1/2、 C2∏3/2和D2∏1/2是强束缚态激光跃迁发生在B2∑+1/2 X2∑+1/2，共有10条谱线，强线是353.1nm准分子激光器的工作原理第21页/共27页第二十一页，共28页2024/8/1622激发方式准分子激光器的激发方式有快速放电激发，电子束激发，电子束控制放电激发和X射线预电离放电激发4种。

其中(qízhōng)快速放电激发简便，激光器的结构与N2分子相同激发方法不同，形成的过程亦稍有不同第22页/共27页第二十二页，共28页2024/8/1623图12 快速(kuài sù)放电泵浦的XeF*激光器XeF*激光器的结构(jiégòu)第23页/共27页第二十三页，共28页2024/8/1624表1 准分子激光器及其输出(shūchū)波长第24页/共27页第二十四页，共28页作业(zuòyè)•气体激光器的分类(fēn￿lèi)•He-Ne激光器的能级图•试利用能级图说明为什么准分子激光器通常为宽谱激光器第25页/共27页第二十五页，共28页谢谢谢谢(xiè (xiè xie)xie)第26页/共27页第二十六页，共28页感谢您的欣赏(xīnshǎng)！第27页/共27页第二十七页，共28页内容(nèiróng)总结2021/11/10第1页/共27页第5页/共27页第6页/共27页R支从R4～R54共有26条谱线，最强的是R18、R20、R22和R24第10页/共27页激发方法不同，形成的过程(guòchéng)亦稍有不同第26页/共27页感谢您的欣赏第二十八页，共28页。