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第二讲 气体激光器 气体放电基本原理 He-Ne激光器 Ar+激光器 CO2 激光器 以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质。可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大类。 优点： 1. 工作物质均匀一致。保证了激光束光束质量，大部分气体激光器产生接近高斯分布的光束模式。激光束的相干性和单色性优于固体、半导体激光器。 2. 谱线范围宽。有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条。谱线范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至x射线、γ射线波段。 发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化 气体激光器的特点 气体激光器的泵浦 由于气体工作物质的吸收谱线宽度小，不宜采用发射连续谱的非相干光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。 在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，在某一对能级间形成了粒子数反转分布。 还可以采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦。 应用 与其它种类的激光器比较，气体激光器的突出优点是输出激光的质量好。因此，气体激光器在各个领域得到了愈来愈多的应用。 第一章 气体放电基本原理（一） 气体放电基本过程 在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离气体称之为气体放电现象。 常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体电离度很少有超过0.1％的。 气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间的相互作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。 1、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子：没有电离前已存在粒子，激光工作物质及其辅助气体。 （2）带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放电起主导作用。 （3）受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产生运动和碰撞，使其能级发生变化，由基态跃迁到激发态，成为激发态粒子，激发态粒子从上能级向下能级跃迁时，会辐射光子。 一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律 （1）弹性碰撞和非弹性碰撞 a) 弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。 弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。 b) 非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内能，粒子间遵守能量和动量守恒定律。 非弹性碰撞在确定气体放电的电参量和光参量中起主要作用，如电子温度或能量、电子密度、受激能级的粒子数分布等。 2、粒子碰撞的基本规律 B. 非弹性碰撞 特点：碰撞前后能量和动量不变，粒子的一部分动能转换为粒子的内能W。 转换最大内能 若m1?m2 Wmax=E1/2 两个质量相近粒子，离子最多将动能一半转换为粒子的内能。 若m1??m2 Wmax=E1 结论： 质量小的粒子与质量大的粒子在非弹性碰撞时，如电子与原子碰撞，电子的动能可以绝大部分转换为原子的内能，使原子发生激发或电离，这是气体激光器利用放电激励的主要机理。 (3) 碰撞截面、平均自由程和速率系数 A. 碰撞截面: s=πa2 单位：cm2. 代表大量电子与原子碰撞概率的统计平均值。既有粒子半径的概念，又有相互碰撞概率的概念。 总碰撞截面：单位气体体积中所有碰撞截面之和。它与气体的压强和温度有关。 Q=Qm+Qe+Qi+… Qm：弹性碰撞截面 Qe：激发碰撞截面 Qi：电离碰撞截面 B. 平均自由程：指每两次碰撞之间所走路程的平均值。 l=1/ Q 式中 Q=Ns（总碰撞截面，表示单位体积中所有碰撞截面之和，单位cm－1） C. 速率系数 R ：单位时间内单位体积发生的碰撞次数。单位为cm3·s-1。 f (v)：速度分布函数。 s(v)：碰撞截面，是相对速度的函数 二、激发与电离 激发：中性气体粒子(如原子)与其他粒子(如电子、正离子、光子等)发生碰撞时，原子中的价电子吸收外来粒子的能量，从原来的能级跃迁到较高的能级上去。 电离：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离子