激光器件-第一章气体放电的基本原理

1、第一篇第一篇 气体激光器气体激光器n气体激光器：以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质的激光器。可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大类。n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、射线波段。n发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化2022-1-2激光器件原理与设计1第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理1.1.1 气体放电的基本过程气体放电的基

2、本过程n在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离气体称之为气体称之为气体放电现象气体放电现象。n常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体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电离度很少有超过0.1的。的。n气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间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、化学作用相互作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。的系统。2022-1-2激光器件原理与设计2第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理 一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本

3、规律 1、气体放电粒子种类、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子中性气体粒子：没有电离前已存在粒子，激光工作物：没有电离前已存在粒子，激光工作物质及其辅助气体。质及其辅助气体。 （2）带电粒子带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放电：电子、负离子、正离子；其中电子对放电起主导作用。起主导作用。 （3）受激粒子和光子受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产生：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

4、子。跃迁时，会辐射光子。 2022-1-2激光器件原理与设计3第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理2、粒子碰撞的基本规律：、粒子碰撞的基本规律： 碰撞碰撞是指两个或两个以上粒子相互作用引起动量、是指两个或两个以上粒子相互作用引起动量、动能或者内能变化的过程。动能或者内能变化的过程。 （1）弹性碰撞和非弹性碰撞）弹性碰撞和非弹性碰撞 弹性碰撞弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交：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。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，弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要

5、作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。非弹性碰撞非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内能，：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。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。级的粒子数分布等。 2022-1-2激光器件原理与设计4第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理 （2 2）碰撞能量转移）碰撞能量转移 A. A. 弹性碰撞弹性碰撞

6、 特点：碰撞前后动能和动量不变特点：碰撞前后动能和动量不变 结果：平均能量损失率为结果：平均能量损失率为若若m m1 1mm2 2 很小很小 如电子与气体原子发生弹性碰撞如电子与气体原子发生弹性碰撞, ,电子的平均能量损失电子的平均能量损失率很小，但碰撞频繁，单位时间传递总能量不可忽视。率很小，但碰撞频繁，单位时间传递总能量不可忽视。若若m m1 1 m m2 2 1/21/2如离子与气体原子或分子发生弹性碰撞，粒子间大量如离子与气体原子或分子发生弹性碰撞，粒子间大量交换能量交换能量122122m mmm 2022-1-2激光器件原理与设计5第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理B

7、.B.非弹性碰撞非弹性碰撞 特点：碰撞前后能量和动量不变，特点：碰撞前后能量和动量不变，粒子的一部分动能粒子的一部分动能转换为粒子的内能转换为粒子的内能W W。结果：转换最大内能为结果：转换最大内能为 W Wmaxmax= =若若m m1 1 m m2 2 W Wmaxmax=E=E1 1/2/2两个质量相近粒子，离子最多将动能一半转换为粒子两个质量相近粒子，离子最多将动能一半转换为粒子的内能。的内能。若若m m1 1m m2 2 W Wmaxmax=E=E1 12112mEmm2022-1-2激光器件原理与设计6第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理结论：质量小的粒子与质量大的粒

8、子在非弹性碰结论：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，部分转换为原子的内能，使原子发生激发或电离，这是这是气体激光器利用放电激励的主要机理。气体激光器利用放电激励的主要机理。2022-1-2激光器件原理与设计7第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理(3)碰撞截面、平均自由程和速率系数碰撞截面、平均自由程和速率系数 A. 碰撞截面碰撞截面: 碰撞截面碰撞截面 =a2 单位：单位：cm2. 代表大量电子与原子碰撞概率的统计平均值。代表大量电子与原子碰撞概率的统

9、计平均值。既有既有粒子半径的概念粒子半径的概念，又有相互，又有相互碰撞概率碰撞概率的概念。的概念。 2022-1-2激光器件原理与设计8第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理n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。n表示为: Q=Qm+Qe+Qi Q=Qm+Qe+Qi+nQmQm: :弹性碰撞截面nQeQe: :激发碰撞截面nQiQi: :电离碰撞截面 2022-1-2激光器件原理与设计9第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理B. B. 平均自由程：指每两次碰撞之间所走路程的平均值。平均自由程：指每两次碰撞之间所走路程的平均值。 =1/

10、Q=1/ Q 式中式中Q=NQ=N（总总碰撞截面，表示单位体积中所有碰撞碰撞截面，表示单位体积中所有碰撞截面之和，单位截面之和，单位cmcm1 1）C. C. 速率系数：单位时间内单位体积发生的碰撞次数，用速率系数：单位时间内单位体积发生的碰撞次数，用R R 表示表示 ，单位为，单位为cmcm3 3ss-1-1。f():f():速度分布函数。速度分布函数。(): (): 碰撞截面是相对速度的函碰撞截面是相对速度的函数数0( ) ( )Rfd 2022-1-2激光器件原理与设计10第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理二、激发与电离：气体放电中重要的基本物理过程。二、激发与电离：气体

11、放电中重要的基本物理过程。 当中性气体粒子当中性气体粒子( (如原子如原子) )与其他粒子与其他粒子( (如电子、正离如电子、正离子、光子等子、光子等) )发生碰撞时，原子中的价电子吸收外来发生碰撞时，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，粒子的能量，从原来的能级跃迁到较高的能级上去，我们说这个原子被我们说这个原子被激发激发，称其为受激原子。，称其为受激原子。 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离子，这了原子变成自由电子，使原子成为带正电荷离子，这种过程你为种过程你为电离电

12、离。 激发是实现粒子数反转的必要条件。激发是实现粒子数反转的必要条件。 电离是维持放电平衡的必要条件。电离是维持放电平衡的必要条件。2022-1-2激光器件原理与设计11第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理n(1) 谐振能级和亚稳能级谐振能级和亚稳能级n受激原子自发跃迁回基态的过程称为谐振跃迁过程，受激原子自发跃迁回基态的过程称为谐振跃迁过程， 相应的激发能级称为谐振能级。原子的激发能以光子相应的激发能级称为谐振能级。原子的激发能以光子形式辐射出来。受激原子寿命很短，约为形式辐射出来。受激原子寿命很短，约为10-8s 。 n 不能通过辐射光子而自发跃迁回基态或较低能级的不能通过辐

13、射光子而自发跃迁回基态或较低能级的能级称亚稳能级。亚稳原子寿命能级称亚稳能级。亚稳原子寿命10-2s10-4s。 2022-1-2激光器件原理与设计12第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理 2. 2. 电子碰撞引起的激发和电离电子碰撞引起的激发和电离 （1 1）电子与原子碰撞引起的激发和电离）电子与原子碰撞引起的激发和电离 原子激发原子激发 +Ae+A+Ae+A 原子电离原子电离 +Ae+A+Ae+A+ +e+e表示快速电子，表示快速电子，A A表示基态原子，表示基态原子，AA表示表示受激原子，受激原子，A A+ +表示一次电离的正离子。表示一次电离的正离子。eee2022-1-

14、2激光器件原理与设计13第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理n当电子能量很低时，电子与气体原子碰撞不能使原子激发，只发生弹性碰撞；而当电子能量大于激发能时，电子才可能使原子激发。图1.1.6给出了氦的激发截面与电子能量关系曲线。 2022-1-2激光器件原理与设计14第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理n结论：结论：na.电子能量大于激发能或电离能才能产生激电子能量大于激发能或电离能才能产生激 发和电离。发和电离。nb.激发截面（电离截面）与电子能量的关系并激发截面（电离截面）与电子能量的关系并非线性，有一最大值。非线性，有一最大值。2022-1-2激光器件原理与设

15、计15第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理（2 2）电子与分子碰撞引起的激发和电离）电子与分子碰撞引起的激发和电离 激发激发 +ABe+(AB)+ABe+(AB) 电离电离 +ABe+(AB)+ABe+(AB)+ +e+e 分子分解分子分解 +CO+CO2 2e+CO+Oe+CO+O 结论：结论：a.a.此类碰撞会使分子的振动能级和转动能此类碰撞会使分子的振动能级和转动能 级激发，这是级激发，这是COCO2 2和和COCO激发的主要机理。激发的主要机理。 b.b.振动能级和转动能级的激发所需的能量振动能级和转动能级的激发所需的能量 很小。很小。eee2022-1-2激光器件原理与

16、设计16第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理（3）电子与受激原子碰撞产生逐次激发和逐次电离）电子与受激原子碰撞产生逐次激发和逐次电离 逐次激发逐次激发 +Ae+(A) 逐次电离逐次电离 +Ae+A+e 结论：结论：a. 逐次激发和逐次电离使要求的电子平均能量逐次激发和逐次电离使要求的电子平均能量 降低。降低。 b. 亚稳态原子和谐振辐射扩散使受激原子寿命亚稳态原子和谐振辐射扩散使受激原子寿命 增加，使逐次激发和逐次电离的概率增加。增加，使逐次激发和逐次电离的概率增加。 ee2022-1-2激光器件原理与设计17第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理（4 4）电子与正离

17、子碰撞引起的激发和电离）电子与正离子碰撞引起的激发和电离 激发激发 +A+A+ +e+(Ae+(A+ +) 电离电离 +A+A+ +e+Ae+A+e+e 结论：此过程要求电子有很高的能量。结论：此过程要求电子有很高的能量。ee2022-1-2激光器件原理与设计18第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理3. 3. 激发原子引起的激发和电离激发原子引起的激发和电离 （1 1）共振转移）共振转移 : :亚稳原子亚稳原子A A* *与基态原子与基态原子B B碰撞，使基碰撞，使基态原子变成受激原子态原子变成受激原子B B, ,亚稳原子变成基态原子亚稳原子变成基态原子A A。A A* *+BA

18、+B+BA+BEE结论：概率由结论：概率由EE大小决定。大小决定。He-NeHe-Ne、COCO2 2激光器都有共振转移。激光器都有共振转移。HeHe* *+NeNe+NeNe，+ He+ He0.048eV0.048eV2022-1-2激光器件原理与设计19第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理 （2 2）潘宁电离）潘宁电离 A A* *+BA+B+BA+B+ +e+E+e+E A A* *+BA+B+BA+B+ +e+E+e+E条件：亚稳态原子的激发能大于和它相碰原子的电条件：亚稳态原子的激发能大于和它相碰原子的电 离能。离能。4.4.光激发和光电离光激发和光电离 气体粒子由于

19、吸收了光子能量气体粒子由于吸收了光子能量h h，产生激发和电，产生激发和电 离。离。 h+AA heu0 h+AA heu0 （激发能）（激发能） h+AAh+AA+ +e heui+e heui （电离能）（电离能） 使气体电离的光一般是紫外光或更短波长的光。使气体电离的光一般是紫外光或更短波长的光。 光电离可用于气体激光器预电离。光电离可用于气体激光器预电离。2022-1-2激光器件原理与设计20第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理5. 其它形式的激发和电离其它形式的激发和电离 （1）热激发和热电离）热激发和热电离 高温条件下，气体粒子相互碰撞形成地激发高温条件下，气体粒子相

20、互碰撞形成地激发和电离。一般情况下，在高气压和超高气压和电离。一般情况下，在高气压和超高气压气体中，形成弧光放电，热激发和热电离才气体中，形成弧光放电，热激发和热电离才起主导作用。起主导作用。（2）放射性射线引起的激发、电离与剩余电离）放射性射线引起的激发、电离与剩余电离 放射性射线放射性射线(、)都是高能粒子，能使都是高能粒子，能使气体电离。气体电离。2022-1-2激光器件原理与设计21三、复合、吸附与转荷三、复合、吸附与转荷 1. 1. 复合：正负粒子中和形成中性粒子的过程。有空间复合复合：正负粒子中和形成中性粒子的过程。有空间复合和管壁复合。和管壁复合。当电荷密度较大、气压比较高时，带

21、电粒当电荷密度较大、气压比较高时，带电粒子以空间复合为主；而当电荷密度较小，气压较低，放子以空间复合为主；而当电荷密度较小，气压较低，放电管半径较小，电极间距离较长时，则以管壁复合为主。电管半径较小，电极间距离较长时，则以管壁复合为主。 （1 1）空间复合）空间复合 电子复合：电子与正离子在空间复合。电子复合：电子与正离子在空间复合。 +A+A+ +A+h A+h 辐射复合辐射复合(AB)(AB)+ + A+B+ A+B（或（或A+B+A+B+动能）动能） 离解复合离解复合第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理ee2022-1-2激光器件原理与设计22第一章第一章 气体放电的基本原

22、理气体放电的基本原理离子复合：正、负离子在空间复合。离子复合：正、负离子在空间复合。 A+BA+B+E 使原子与分子动能增加使原子与分子动能增加 A+B+E 使其中一个激发使其中一个激发 A+B+E 使其中一个激发使其中一个激发 A+B+ h 放出光子放出光子由于正、负离子的相对运动速度比较小，因此离子复合由于正、负离子的相对运动速度比较小，因此离子复合概率比电子复合概率大得多。概率比电子复合概率大得多。（2）管壁复合）管壁复合 带电粒子在放电管中运动，电子速度快，先到达管壁，带电粒子在放电管中运动，电子速度快，先到达管壁，且数量多，形成电场，吸引正离子，形成复合，称为管且数量多，形成电场，吸

23、引正离子，形成复合，称为管壁复合。壁复合。由于复合放出的能量可直接传递给管壁，致使管壁发热由于复合放出的能量可直接传递给管壁，致使管壁发热 2022-1-2激光器件原理与设计23第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理2. 吸附吸附电子与中性粒子碰撞，中性粒子吸附电子，使电子与中性粒子碰撞，中性粒子吸附电子，使粒子形成负离子。粒子形成负离子。吸附概率与原子、分子结构有关，主要是外层吸附概率与原子、分子结构有关，主要是外层电子数量。电子数量。惰性气体具有封闭外壳层，很难吸附电子；但惰性气体具有封闭外壳层，很难吸附电子；但有些气体，外层缺电子，就容易吸附电子，形有些气体，外层缺电子，就容

24、易吸附电子，形成负离子。成负离子。吸附电子总结果，使气体导电条件变差。在吸附电子总结果，使气体导电条件变差。在CO2激光器中，这是带电粒子减少的主要过程。激光器中，这是带电粒子减少的主要过程。2022-1-2激光器件原理与设计24第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理 3. 转荷：正、负离子与气体粒子碰撞，会发生电荷转移转荷：正、负离子与气体粒子碰撞，会发生电荷转移, 产生高速中性粒子和激发态离子。产生高速中性粒子和激发态离子。 （1）对称谐振转荷：同一种类的两个粒子间发生的电）对称谐振转荷：同一种类的两个粒子间发生的电 荷转移。荷转移。 He+HeHe +He+ （2）非对称谐振

25、转荷：不同种类的两个粒子间发生的）非对称谐振转荷：不同种类的两个粒子间发生的 电荷转移。电荷转移。 Ne+HeNe +He+ 如氮离子激光器（如氮离子激光器（427.8nm）就是靠转荷过程产）就是靠转荷过程产生。生。 2022-1-2激光器件原理与设计25第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理四、带电粒子在电离气体中的运动四、带电粒子在电离气体中的运动 1. 电子漂移运动：大量碰撞引起杂乱无章热运动和电子漂移运动：大量碰撞引起杂乱无章热运动和电场作用定向漂移运动的叠加。电场作用定向漂移运动的叠加。 （1）电子的乱向热动能远大于定向的漂移能。）电子的乱向热动能远大于定向的漂移能。 （

26、2）电子的特征能量）电子的特征能量k（或电子温度）是电场强度（或电子温度）是电场强度与气体粒子密度比值（与气体粒子密度比值（E/N）的单一函数。）的单一函数。 E：电场强度，：电场强度，N：气体粒子密度：气体粒子密度 k=f（E/N） 说明一旦外加电场和气体密度确定后，电离气说明一旦外加电场和气体密度确定后，电离气体中的电子平均能量、电子温度就确定了。体中的电子平均能量、电子温度就确定了。 2022-1-2激光器件原理与设计262. 2. 漂移率漂移率 沿电场方向运动的带电粒子的漂移速度沿电场方向运动的带电粒子的漂移速度V Vd d与与电场强度电场强度E E比值，称为带电粒子的漂移率。比值，称

27、为带电粒子的漂移率。 Ke=VKe=Vd d/E/E V Vd d ：带电粒子的漂移速度：带电粒子的漂移速度 3. 3. 扩散运动扩散运动 带电粒子在电离气体中的密度分布是不均匀带电粒子在电离气体中的密度分布是不均匀的，因密度差造成的带电粒子的定向运动。的，因密度差造成的带电粒子的定向运动。 第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理2022-1-2激光器件原理与设计27第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理电子扩散系数电子扩散系数 离子扩散系数离子扩散系数 ， 分别表示电子和离子的热运动平均速度；分别表示电子和离子的热运动平均速度； ， 分别表示电子和离子的平均自由程；分

28、别表示电子和离子的平均自由程；电子扩散速度电子扩散速度 离子扩散速度离子扩散速度 13eeeD 13iiiD eieieeeefeenD dnnndx iiiifiinD dnnndx 2022-1-2激光器件原理与设计28第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理4爱因斯坦公式爱因斯坦公式 漂移率与扩散系数关系漂移率与扩散系数关系2022-1-2激光器件原理与设计29第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理5双极性扩散运动：放电空间同时存在两种异性带电粒子的扩散双极性扩散运动：放电空间同时存在两种异性带电粒子的扩散和相互影响的运动。和相互影响的运动。结果：产生内在电场使电子

29、的扩散速度减小，离子的扩散速度加快，结果：产生内在电场使电子的扩散速度减小，离子的扩散速度加快，使电子和离子扩散速度相同。使电子和离子扩散速度相同。第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理1.1.2 1.1.2 气体击穿与各种放电形式气体击穿与各种放电形式气体在一般状态下是绝缘体，但在一定条件下，可以形成电流，气体在一般状态下是绝缘体，但在一定条件下，可以形成电流，形成了导体，我们称之为气体击穿。形成了导体，我们称之为气体击穿。放电形式：放电形式：（1 1）维持放电方式：）维持放电方式： 自持放电：离开外界电离源，仍能维持放电。自持放电：离开外界电离源，仍能维持放电。 非自持放电：离

30、开外界电离源，不能维持放电。非自持放电：离开外界电离源，不能维持放电。 （2 2）放电参量：是否随时间变化。）放电参量：是否随时间变化。 稳态放电：辉光放电、弧光放电、电晕放电。稳态放电：辉光放电、弧光放电、电晕放电。 非稳态放电：高频放电、脉冲放电、火花放电。非稳态放电：高频放电、脉冲放电、火花放电。 2022-1-2激光器件原理与设计31第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理一、气体击穿及伏安特性一、气体击穿及伏安特性 1. 1. 气体放电伏安特性气体放电伏安特性nI I：非自持放电区：非自持放电区A-CA-C （C C点击穿电压）点击穿电压）nIIII：自持暗放电区：自持暗放

31、电区C-DC-DnIIIIII：过渡区域：过渡区域D-ED-EnIVIV：正常辉光放电区域：正常辉光放电区域E-FE-FnV V：异常辉光放电区域：异常辉光放电区域F-GF-GnVIVI：过渡区：过渡区G-HG-HnVIIVII：弧光放电区：弧光放电区H-KH-K2022-1-2激光器件原理与设计32第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理I I：非自持放电区 A-C，电流很小10-2010-11A。C点电压称着火电压或击穿电压。IIII：自持暗放电区 C-D，放电稳定，电流仍很小10-1010-7A。去掉电离源，仍能维持放电。IIIIII：过渡区域 D-E，放电将不稳定，电流迅速增

32、大，管压降突然下降，到E点放电才稳定。2022-1-2激光器件原理与设计33第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理IVIV：正常辉光放电区域E-F，电流增大，管压降基本不变，管内出现辉光，阴级表面辉光斑随电流增大而增大。V V：异常辉光放电区域F-G，放电电流过了F点，电流增大，管压降又随之增加，辉光布满阴级表面，电流在10-410-1A。VIVI：过渡区G-H，提高电源电压，电流迅速增大，管压降突然下降，出现负的伏安特性。VIIVII：弧光放电区 H-K，出现明亮的弧光，电流在10-1A以上。2022-1-2激光器件原理与设计34第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理

33、2. 2. 击穿电压及影响因素击穿电压及影响因素 击穿电压击穿电压U US S是气体激光器重要参量之一。是气体激光器重要参量之一。（1 1）帕邢定律：击穿电压）帕邢定律：击穿电压U US S是气压是气压p p和电极间距和电极间距d d乘积乘积 pdpd的函数，且击穿电压的函数，且击穿电压U US S有最小值。有最小值。 以以（pdpd）minmin为界，曲线可分为左、右部分：为界，曲线可分为左、右部分：2022-1-2激光器件原理与设计35左部：左部：pdpd增大，增大，U US S下降。总碰撞次数下降。总碰撞次数N N起主导作用，利于起主导作用，利于放电。放电。 右部：右部：pdpd增大，增

34、大，U US S上升。电子从每个上升。电子从每个自由程获得能量减自由程获得能量减少起主导作用，不少起主导作用，不利于放电。利于放电。第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理2022-1-2激光器件原理与设计36A. 气体种类和成分气体种类和成分气体中掺入少气体中掺入少量杂质气体，量杂质气体，若满足潘宁电若满足潘宁电离条件，电离离条件，电离率上升，如率上升，如HeNe、 HeGd ，US下降。下降。第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理（2 2）影响击穿电压的其它因素）影响击穿电压的其它因素2022-1-2激光器件原理与设计37第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本

35、原理掺入少量负电性气体，惰性气体加入卤族元素，掺入少量负电性气体，惰性气体加入卤族元素，它易吸附电子形成负离子，电子密度下降，它易吸附电子形成负离子，电子密度下降，US升高。升高。掺入少量分子性气体，掺入少量分子性气体，US升高。例如升高。例如CO2中中N2増多，使电子能量降低，放电空间电离系数下増多，使电子能量降低，放电空间电离系数下降，放电困难，降，放电困难，US升高。升高。2022-1-2激光器件原理与设计38第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理nB. 电极材料与表面状况电极材料与表面状况 阴极材料与表面状况的变化直接影响到正离子轰击下阴极材料与表面状况的变化直接影响到正离

36、子轰击下的阴极二次电子发射系数的大小。从而影响到击穿电的阴极二次电子发射系数的大小。从而影响到击穿电压的大小。一般要求对明极进行工艺处理使其发射压的大小。一般要求对明极进行工艺处理使其发射电子稳定，以保持击穿电压的稳定。电子稳定，以保持击穿电压的稳定。 不同材料有不同溅射率，随原子序号的变化而变化。不同材料有不同溅射率，随原子序号的变化而变化。 主要金属的溅射率排序为：主要金属的溅射率排序为： Ag Au Cu Pt Ni Fe Al Mo W Ta Ag、Au、Cu容易产生溅射，容易产生溅射，Al、Mo、W溅射率较小溅射率较小2022-1-2激光器件原理与设计39第一章第一章 气体放电的基本

37、原理气体放电的基本原理C. 电场分布的影响电场分布的影响n电极结构和极性决定了放电管击穿前电极间的电场分布，它对击穿电压有显著影响。n例如，圆柱形电极系统，其极间电场分布是非均匀的。可采用均匀场电极：Rogowski电极 、Chang电极 、Ernst电极等。n若电极的极性接法不同。对阴极表面的电场强弱有很大影响，所以击穿电压会发生明显的不同。2022-1-2激光器件原理与设计40 D. 预电离的影响：采用预电离的方法可降低预电离的影响：采用预电离的方法可降低US。 放电管电极间在未加击穿电压之前，由于外界电离源的放电管电极间在未加击穿电压之前，由于外界电离源的作用，使放电空间形成初始带电粒子

38、，即预电离。常用作用，使放电空间形成初始带电粒子，即预电离。常用增强预电离的方法来降低击穿电压。增强预电离的方法来降低击穿电压。例如，用强紫外光照射阴极使其产生光电子发射，或照射气体例如，用强紫外光照射阴极使其产生光电子发射，或照射气体使气体原子光电离。也可在高气压放电管内加辅助电极，使气体原子光电离。也可在高气压放电管内加辅助电极，首先在辅助电极间产生预放电，这不仅能降低击穿电压，首先在辅助电极间产生预放电，这不仅能降低击穿电压，也可改善主放电的稳定性。也可改善主放电的稳定性。二、辉光放电：分为正常辉光放电和异常辉光放电。对应于伏二、辉光放电：分为正常辉光放电和异常辉光放电。对应于伏安特性曲线安特性曲线EF和和FG段。段。第一章第一章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理2022-1-2激光器件原理与设计411.辉光放电的外貌和辉光放电的外貌和组成区域：组成区域：阴级阴级区区 ，过渡区过渡区 ，正柱区正柱区 ，