激光器件II3wa.pptx

第四章 二氧化碳激光器; CO2激光器的输出特性有两个显著的特点: (1)输出功率或能量相当大，能量转换效率高。 CO2 激光器连续输出功率可达数百KW，是所有激光器中连续输出功率最高的器件；脉冲输出能量可达数十KJ；脉宽可压缩到ns量级；脉冲功率密度可达TW量级。 (2) 输出波长分布在9～18μm波段，已观察到的激光谱线200多条。 其中，9～11μm红外波段中最重要的输出波长10.6μm，处于大气传输的窗口，有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用，且该波长对人眼安全。 CO2 激光器于1964年问世。 ;CO2激光器的优点;CO2激光器的应用;CO2激光器的激励方式;直流激励;为了改善CO2 激光器的性能，克服直流激励存在的缺点，提出了交流高频放电CO2 激光器技术。高频放电频率通常在几十~几百kHz，其电路可采用晶体管和高频变压器组成逆变开关电源。 实验表明，采用高频放电激励提高了放电的稳定性，在没有任何匹配措施，也没有加任何镇流电阻的情况下，获得了大面积均匀稳定的辉光放电。而全晶体管化的电源减小了体积，意味着这种放电激励技术具有提高输出功率的潜力，从而为CO2 激光器的小型化研究提供了新的途径。;射频激励;Output power 1 - 6 kW;谐振腔;射频电源;射频CO2激光器原理 ;微波放电激励;小结;（一）CO2 分子的能级结构及振-转跃迁 A） CO2分子的能级结构 分子的总能量包括四部分： ①电子绕核运动的能量； ②分子中原子的振动能量； ③分子的转动能量； ④平动能量。 除平动能量外，前三种运动的能量都是量子化的。相邻电子能级、振动能级及转动能级间能量差的比例约为104：102：1。; (1)对称振动。 CO2 分子中的2个原子沿分子轴同时朝向或同时背向碳原子振动，碳原子保持不动。 (2)形变（弯曲）振动。 CO2 分子的3个原子不是沿分子轴振动,而是垂直于分子轴振动，且碳原子的振动方向与2个氧原子相反。 (3) 反对称振动。 CO2 分子的3个原子沿分子轴振动，其中,碳原子的振动方向与2个氧原子相反。 ; 在一级近似下，CO2 分子上述三种振动方式相互独立，其振动能量为三种振动方式的能量之和?? 用4个对应的量子数标记其振动能级，标记符号为(v1 v2l v3 )。VI 分别代表其对称、形变及反对称的主量子数；而 l 代表形变时，其投影是角动量守恒的且量子化的，用量子数l表示，l＝v2，v2-2，v2-4，…，1或0。;CO2 分子可能产生的跃迁谱线有很多条，其中强度最强和最具价值的是10.6μm谱线（对应于00 0 1→10 0 0能级的跃迁）和9.6μm谱线（对应于0001→ 0200能级的跃迁）。上述两条谱线的跃迁过程表明，CO2 分子的能级结构属四能级系统。表3.4给出了与CO2 分子10.6μm谱线跃迁有关的振动能级寿命。 ;B）CO2能级激发 1）直接电子碰撞 电子与基态CO2碰撞，将其激发到激光上能级。 CO2(0000)+e-CO2(0001)+e 2）级联跃迁 电子与基态CO2碰撞，将其激发到激发态000n能级，然后其与基态CO2碰撞将其激发到激光上能级。 CO2(0000)+ CO2(000n) -CO2(0001)+ CO2(000n-1) 3）共振转移 基态N2和电子碰撞跃迁到基态V=1的振动能级，该能级寿命长，属于亚稳态，其与基态CO2发生非弹性碰撞并跃迁激光上能级。; CO2分子0001能级与N2的v=1的能级接近， N2的v=2~4能级与CO2的0002-0004也接近易发生共振转移， 0002-0004的CO2与基态CO2分子碰撞，也可激励到0001 以上三种激发途径，共振转移几率最大，作用最显著。 C) CO2 分子的振—转跃迁 CO2 分子的红外光谱并不是一条单一的振动谱线，而是一条有一定宽度的谱带。这是由于CO2 分子除振动运动外，同时存在转动运动。在其影响下，CO2分子的振动能级将分裂为一系列转动子能级。根据分子光谱理论，分子振动能级之间的跃迁必然伴随着转动子能级之间的跃迁，产生带状光谱。;振-转跃迁的选择定则: 对于振动能级: Δv=0,±1 对于转动子能级:ΔJ=0,±1 对转动子能级间的跃迁，选择定则规定: ΔJ=+1，称为R支，记为R(J) ΔJ=-1，称为P支，记为P(J) ΔJ=0，称为Q支。因为CO2分子的对称性质，谱带中心没有该支谱线，即不存在Q支跃迁。;CO2 分子00 0 1→020 0的振-转跃迁中能形成一百多条荧光谱线，