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第一篇 气体激光器 第一章 概述 第二章 He－Ne气体激光器 第三章 二氧化碳激光器 第四章 氩离子激光器,,,,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,第一章 概述 气体激光器的分类 原子气体激光器 惰性气体 He, Ne, Ar, Kr, Xe 典型激光器： He－Ne激光器 波长632.8nm 脉冲2000j 脉宽300Ps 原子气体 Cl, Br, N, S, C, O, I 35千瓦 可作激光武器 原子蒸气 Cs, Cd, Cu, Mn, Sn, Cd, Cn e.g. 把Cu加热，1000～1500摄氏度 510.6nm(绿光) 578.2nm(黄光),,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2. 分子气体激光器 气体分子激光器 CO(5.88um, 5.51um) N2(337.1um) CO2(10.6um) HF(2.6-3.5um) 准分子激光器 惰性气体准分子：Ar2＊(126.1nm) Xe2 ＊ (173.6nm) Kr2 ＊ (145.7nm) 惰性气体卤化物准分子：XeF ＊ (351nm，353nm) ArF ＊ (193nm) XeCl ＊ (308nm) 惰性气体氧化物准分子：ArO ＊ (557.6nm) 金属蒸气卤化物准分子：HgCl ＊ (558.4nm) 金属蒸气准分子： Hg2＊ Mg2＊ c) 汞化物分子激光器,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,3. 离子气体激光器 a) 惰性气体：Ar＋(514.5nm绿光) (487.9nm蓝光) Kr＋ (476.2nm蓝光) (520.8nm绿光) b) 金属蒸气离子：He－Cd (441.6nm蓝光， 325.0nm紫外),,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,气体激光器的优点及今后的发展方向 发射光谱宽 红外 紫外（有近万种谱线） 光束质量好 工作物质均匀， 很窄，相干长度几公里。

大功率的连续输出 万瓦级 （二氧化碳激光器） 量子效率高（30％） 固体激光器（2－3％） 半导体激光器（70－80％） 工作物质比较丰富，结果简单，廉价,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,,,,,,研究方向：1）开拓新波段 2）大功率大能量 3）小型化研究 提高器件寿命，国外几万小时，国内只有几千小时 研究新类型气体激光器,气体激光器的激励方式 电激励 热激励 化学能激励 光激励 核能激励,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律 1、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子 指气体没有电离时已经存在的粒子（惰性气体粒子、金属 蒸汽粒子、一般分子等） （2）带电粒子 中性气体粒子一旦被电离所产生的电子和正离子（这些带 电粒子对放电特性产生影响，其中电子的左右起主导地 位） （3）受激粒子和光子 放电中产生的受激中性粒子（A*和AB*）以及可能出现的受激离子（A+*）按照量子效应，会发射光子，也能吸收光子实现光激发、光电离和受激辐射，这在激光器中起重要作用）激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2、粒子碰撞基本规律 弹性碰撞：相互发生碰撞的粒子间只交换动能，不交换内能。

（在确定气体放电的各种传统系数中起主要作用， 如热传导、电传导、扩散、漂移等系数） 非弹性碰撞：相互发生碰撞的粒子间既交换动能也交换内能 （在确定气体放电的各种电产量和光产量中起主要作用，如电子温度或者能量、电子密度、各种受激能级的粒子束分布等） 激发与电离： 当中性气体粒子与其他粒子发生碰撞时，原子中的价电子容易吸收外来粒子的能级，从其原来的能级跃迁到较高的能级上去，我们称这个原子被激发，即受激原子 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的离子，这种过程成为电离 气体激光器中，电离是维持放电平衡的必要条件， 激发是实现粒子束反转的必要条件激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,气体放电粒子碰撞与激发 谐振能级：指一个原子吸收光子与放出光子的能量相同 亚稳能级：凡是不能通过辐射光子而自发跃迁到基态或者任何一个较低能级 的这种能级 第一类非弹性碰撞：电子与粒子碰撞 e*+A-e+A* 粒子激发 e*+A-2e+A+ 粒子电离 e*+A-2e+A+* 离子激发态 第二类非弹性碰撞 1.共振转移：A*(E2)+B(E1)-A(E1)+B*(E2)+△E 原子激发能量的共振转移 △E=EA(E2)-EB(E1) △E越小，共振转移截面愈大，碰撞越易 2. A++B-A+B++ △E A++B-A+B+*+ △E 3. 潘宁电离 （亚稳原子的激发能大于和它碰撞原子的电离能） A*(E2)+B-A(E1)+B++e+△E A*(E2)+B-A(E1)+B*(E2)+e+△E 在基本其中中掺入少量杂质气体，而基本气体的亚稳激发电位高于杂质气体的电离电位时，会产生大量的潘宁电离，结果使气体的有效电离电位明显降低，所以潘宁电离在气体激光中有实用价值。

激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,第二章 He－Ne气体激光器 §2－1 He－Ne激光器的结构及工作原理 一、He－Ne激光器的结构,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,二、He、Ne原子的能级图 He－Ne激光器的工作物质 是Ne原子 He是辅助气体，用以提高 Ne原子的泵浦速率,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,Ne原子三条最强的跃迁谱线： 632.8nm 3S22P4 3.39μm 3S23P4 1.15μm 2S22P4 典型的四能级系统,,三、He－Ne激光器的激发过程,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,共振能量转移激发 He(11S0) + e  He* (21S0) + e′ He(11S0) + e  He* (23S1) + e′ He *(21S0) + Ne(1S0)  Ne* (3S2) + He(11S0) +△E He *(23S1) + Ne(1S0)  Ne* (2S2) + He(11S0) +△E 其中 e---- 碰撞前快速电子 e′----碰撞后慢速电子,电子直接碰撞激发,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,Ne * (2S2) + e′ Ne(1S0) + e  Ne * (3S2) + e′,,串级跃迁 Ｎe原子与电子碰撞被激发到更高的能态，而后再跃迁至２S和３S能态。

四、 Ne 原子激光下能级的弛豫 根据跃迁选择定则,位于激光下能级3P4, 2P4及1S能级的粒子向基态的跃迁是禁戒的.即位于上述能级的粒子不能通过辐射过程而返回基态,只能通过扩散至管壁与管壁碰撞交换能量返回基态.我们称其为“管壁效应”. He-Ne激光器放电毛细管管径d与小信增益Gm之间存在经验公式: Gm=3×10-4/ d (cm-1 ) 思考：上式说明什么问题？,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,,五、 He-Ne激光器的最佳放电条件 放电条件: 放电电流(i); 充气总气压(p); He,Ne气压比(PHe: Pne) 由激光原理可知,器件的增益G正比于激光上、下能级的反转粒子数密度差Δn (G ∝Δn). 以632.8nm谱线跃迁为例,通过建立与求解速率方程分析Δn与放电条件之关系.,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,设: Ne原子 激光上能级(3S2)的粒子数密度为n3 激光下能级(2P4)的粒子数密度为n2 基态(1S0)能级上的粒子数密度为n1 He原子 亚稳态能级(21S0)上的粒子数密度为n4 基态(11S0)能级上的粒子数密度为n0 气体放电激励时,电子密度为ne 则n3的速率方程为:,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2.1-1,式中: kn1n4为HeNe共振转移的激发速率,k为转移速率 常数 kn0n3 为NeHe共振转移的激发速率 为n3到其它能级的驰豫速率, 为其驰豫时间 稳态后, 由(1.1-1)式得:,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2.1-2,同理, He亚稳态能级(21S0)上粒子数密度n4的速率方程为: (2.1-3) 式中: n0n4S04-电子碰撞激发速率.S04为激发速率常数 n4neS4 -电子碰撞消激发速率.S4为消激发速率常数 n4A′-因共振能量转移或逃逸出激活区而使n4衰减 的速率.A′为衰减几率 稳态后， 有（2.1-3）式得,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2.1-4,将（2.1-4）代入（2.1-2）式，得,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2.1-5,下面推导n2.n2也是靠电子碰撞激发的。

n2的速率方程为：,2.1-6,式中：n1neS02-电子碰撞激发速率.S02为激发速率常数 n2neS2-电子碰撞消激发速率.S2为消激发速率常数 n2A—自发辐射衰减速率.A为自发辐射几率,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,稳态后， 由（2.1-6）得,2.1-7,因自发辐射几率A很大，与A相比neS2可忽略 故有：,2.1-8,根据（2.1-5）和（2.1-8）式，我们可以定性的讨论增益和放电条件之间的关系 1 .增益与放电电流i的关系 在P和PHe: Pne一定的条件下， 即： (2.1-9) 式中：K′—比例系数而n0,n1, ,A等均与i无关 将(2.1-9)代入(2.1-5)，(2.1-8)式，得：,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2.1-10 式中， 2.1-11,K1,K2与K3都是和放电电流无关的常数,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,由(2.1-11)式知： 由(2.1-10)式可知： n3与i的关系为： 当i较小时,k2i可忽略. .n3与i成线性变化. 当i较大时,k2i随之增大. .n3与i关系不大. i继续增大时,n3饱和.,n3,n2与i关系曲线如图2-3所示：,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,图2-3 粒子数密度与放电电流的关系,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,图2-4 增益与放电电流关系,由上述分析可知, He-Ne激光器存在着最佳放电电流iopt, 当i= iopt时， 最大。

放电长度为1米左右的He-Ne激光器，放电电流在几毫安-几百毫安范围,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,2. 增益与充气总气压P的关系,因n3 n2,故 ,主要分析n3： 在He，Ne气压比一定的条件下，,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,,总气压 但若总气压 虽 ,但电子与原子碰撞次数也增多 电子动能下降,图2-5增益与充气总气压的关系,,激光原理与器件,武汉软件工程职业学院激光教研室,由上可见，器件存在一最佳总气压Popt当P=Popt时， 最大He-Ne激光器的总气压一般在几帕-几百帕之间3.增益与He，Ne气压比的关系 在总气压P一定的条件下，,,, 由式(2.1-6)知,n1比n0对n3的影响大 但当 因Ne的电离电位低,易电离而导致电子 能量 .同时,由于Ne原子激发上能级 粒子数。