气体激光器介绍和原理

1、气体激光器介绍和原理光纤激光器掺钛蓝宝石激光器LD泵浦固体激光器固体激光器的泵浦光源固体激光的输出特性1、尖峰结构2、输出功率、能量和效率3、激光光谱4、激光束的方向性气体激光器 气体激光器是以气体作为工作物质的激光器，利用气体原子、离子或分子的能级跃迁产生激光。通常包括原子、离子和分子气体激光器三类。原子气体激光器：产生激光作用的是没有电离的气体原子，其典型代表是氦氖激光器。分子激光器：产生激光作用的是没有电离的气体分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氮分子(N2)激光器和准分子激光器。离子激光器：离子激光器的典型代表是氩离子(Ar+)和氦镉(HeCd)离子激光器。气体激光器的特点：在

2、单色性和光束稳定性方面都比固体激光器、半导体激光器和液体(染料)激光器优越 ，由于气态物质的光学均匀性一般都比较好。气体激光器产生的激光谱线极为丰富，达数千种，分布在从真空紫外到远红外波段范围内。多数气体激光器都有瞬时功率不高的特点。 在气体激光器中采用气体放电或电子束激励的方法以实现泵浦 激光器的工作气体中，除能产生激光发射的气体之外，一般还含有一些辅助气体，如各种惰性气体及氮、氧等。它们在激光器中有的作为缓冲气体，有的作为能量转移气体。分子气体激光器和准分子激光器可以作为可调谐激光器。 1.氦氖激光器 氦氖(HeNe)激光器属于原子激光器类，它是于1961年首先实现激光输出的气体激光器，能

3、产生许多可见光与红外光的激光谱线，多采用连续工作方式（输出几毫瓦到几十毫瓦）。 特点：输出激光的方向性好(发散角1mrad以下)；单色性好(线宽可小于20Hz)；输出功率和波长可控制的很稳定；结构简单、寿命长、体积小、重量轻、成本低、使用方便；红光、黄光、绿光、偏振输出等。 应用： 精密计量、检测、准直、导向、全息照相、信息处理、以及医疗、光学实验 日本OPTEC测距头日本手持测距仪奥地利激光测距仪HeNe激光器的结构HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。 图1 内腔式HeNe激光器的结构放电管 通常由毛细管和贮气室构成，是产生激光的

4、地方。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激发产生粒子数反转。 贮气室与毛细管相连，并不发生气体放电，其作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He、Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。 电极 He-Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。 为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。谐振腔 He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一般采用平凹腔，平面镜为输出镜，透过率约1%2，凹面镜为全反射镜。 He-Ne激光管的结构按谐振腔与放电管的放置

5、方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。按阴极及贮气室位置的不同又可分为同轴式、旁轴式和单细管式。图2 HeNe激光器的基本结构形式HeNe激光器工作原理 He-Ne激光器是利用原子中的电子电子能级之间的跃迁。它可以在0.6328 m,3.39 m和1.15 m三个中的任何一个波长上实现激光振荡。 He-Ne激光器是典型的四能级系统，能级结构如图3所示。 图3 HeNe原子的部分能级图m振荡是由跃迁 形成的。上能级 寿命为10-7秒。下能级 寿命为1.810-8秒，比 寿命短得多，因而满足反转分布条件。m振荡是由 跃迁形成的。对激光上能级 的泵浦是通过与氖的 23S1 的近共振能量转移来实现的。

6、 的寿命为10-7秒。它的下能级与m跃迁过程所使用的相同，所以，也有赖于管壁效应抽空1S能级，从而抽空 能级上的氖原子。 339m振荡是由跃迁 形成的。其上能级与m振荡时的相同；下能级 的寿命为10-8秒，下能级与基态间的跃迁是禁戒的，通过自发幅射衰变到1S能级上，因而也是靠管壁效应抽空激光下能级。m和m两种振荡具有同一个上能级,因此它们之间存在着较强的谱线竞争。 的寿命比 的短，允许建立起相应于m振荡的大的反转分布；同时由于增益G正于 ，使得m振荡的增益大于m振荡的增益，所以m首先达到阈值，正常的振荡发生在m而不是0.6328 m 。一旦m振荡发生， 上的反转数被消耗，m的增益受到抑制，阻碍

7、了 上原子数的进一步增加，因此限制了m振荡的发生。 谱线竞争m与m振荡共同使用一个下能级，因而也将发生谱线竞争。这两条谱线间的竞争较m和m两条谱线间的竞争弱一些。2. A r+离子激光器如果激光跃迁发生在气体原子或分子的离子能级之间，这种激光器就称为离子激光器。一般分为气体离子激光器（它包括惰性气体离子激光器和分子气体离子激光器）和金属蒸气离子激光器。离子气体激光器输出的波长范围很宽，从紫外2358一直到近红外m，已观察到400多条谱线，大多数落在可见光范围。离子激光器是目前可见光区最强的相干光源。 氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光波长主要是m和m的蓝绿光。连续输出功率一般为

8、几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见区连续输出功率最高的激光器。 氩离子激光器的阈值电流密度较高，在100A/cm2以上。氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在10-410-5范围。效率低的原因是在气体放电过程中电离度不高，形成激发态的离子密度小，而且它的工作能级离基态较高，量子效率比较低。 氩离子激光器的激发机理能级结构： 氩(Ar)的原子序数为18，电子组态为1s22s22p63s23p6，最外层3p6失去一个电子形成基态氩离子Ar+(3p5)，3p5上的一个电子被激发到更高的电子层上，形成不同的电子组态，如3p43d、3p44s、3p44p、3p44d、3p45s等。荧光谱线可达

9、几百条，图4是与产生激光有关的能级与跃迁图。图4 氩离子能级和跃迁 图5氩离子主要激光谱线 3p44s3p5辐射m左右的真空紫外光。3p44p3p44s辐射可见光。 电子组态3p44p和3p44s都由很多能级组成。 3p44p中与主要激光谱线有关的能级有2S1/2、2P1/2、2P3/2、2D3/2、2D5/2、4D3/2、4D5/2。 3p44s中与主要激光谱线有关的能级有：2P1/2、2P3/2。它们之间跃迁产生九条谱线。m和m两条最强。实验测定，3p44p的平均寿命(810-9s)比3p44s的寿命(10-9s)长约一个数量级，即使上、下能级的激发速率相同，也能建立粒子数反转。第一种形式

10、是电子与Ar原子碰撞，使Ar原子电离成Ar+，Ar+再与电子碰撞而被激发到高能态。此激发形式称为“二步过程”，可表示如下：在激发过程中，单位体积单位时间内产生的激发态的离子数N与电流密度的平方成正比。Ar+的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，其激发过程包括三种形式：激发过程第二种形式是电子与氩原子碰撞后直接把氩原子电离并激发到激发态，称这种激发过程为“一步过程”，其反应式为：上面二种激发形式在氩离子激光器中都存在，至于哪种占优势则取决于工作条件与工作方式。连续工作的器件中，“二步过程”占主导地位。 第三种形式是通过电子碰撞先把Ar+激发到3p45s和3p44d等高能态上，然后通过辐射跃迁到激光上能

11、级3p44p上。称这种激发过程为串激跃迁。这一过程是激发3p44p能级组的主要过程之一。 这三种激发过程，要求电子的能量都是比较高的 ，因此要求低气压，大电流激励。由于放电电流密度大，所以氩离子激光器的结构比其他气体激光器要复杂的多。 氩离子激光器的结构 氩离子激光器的结构包括放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等部分，如图6所示。图6 氩离子激光器的基本结构 放电管 由于工作电流大，放电毛细管的管壁温度可达1000以上，所以要求放电管的材料要耐高温、散热性好。此外，还要求放电管材料的气密性好、吸气率低，机械强度高。常用的材料有石英、氧化铍陶瓷、石墨等。阴极和阳极 Ar激光器的阴极要求有较高

12、的电子发射率，能耐离子轰击，耐高温。一般采用热阴极，最常用的是钡钨阴极。阳极一般也采用耐高温、导热、导电性能好的材料。回气管 Ar激光器还必须有回气管，因为在大电流密度和低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，即放电管内的气体会被从一端抽运到另一端，造成两端气压不均匀，严重时还会造成激光猝灭现象。 在放电管外设置一回气管路，使管内气体形成闭合回路，依靠气体的扩散作用，可以减小管内气压差。为了使放电不沿回气管进行，要求回气管的长径比要大于放电管的长径比。 贮气瓶 为了防止放电管内气压的变化而影响使用寿命，放电管上常备有贮气和充气装置。磁场 为了提高氩离子激光器的输出功率及寿命，一般要加上几十到10

13、0毫特斯拉左右的轴向磁场。磁场通常由套在放电管外面的螺线管产生。谐振腔 Ar+激光器的谐振腔反射镜与He-Ne激光器一样，也是由玻璃多层介质膜构成。全反端的反射率在以上，一般小型器件输出镜的透过率为 34，大型器件为1015。 图7 分段石墨结构氩离子激光器1.石墨阳极 2. 石墨片 3. 石英环 4. 水冷套 5. 放电管 6. 阴极 7. 保热屏 8. 加热灯丝 9. 布氏窗 10. 磁场11. 储气瓶12. 电磁真空充气阀13. 镇气瓶14. 波纹管15. 气压检测器3. CO2激光器 分子气体激光器利用分子的振动一转动能级之间的跃迁。第一类分子激光器是振动一转动激光器。它利用同一电子态

14、(基态)的不同振动态的转动能级之间的跃迁，振荡波长在中红外或远红外波段(5-300 m)。第二类分子激光器是电子振动激光器。 CO2激光器是振动转动分子激光器的代表。它的工作气体是CO2,N2和He的混合物。原子里的电子保留在基态，激光跃迁发生在CO2的不同振动态的两个转动能级之间。CO2激光器效率高,输出能量大,功率高。 能级结构: CO 2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。 N2分子是同核双原子分子，分子振动与两个原子的相对运动有关。这种振动发生在频率 处，能级由间距等于 的一组能级组成。 CO2分子是线性三原子分子，分子振动的情况比N2要复

15、杂一些。CO2激光器工作原理CO2分子有9个自由度,其中振动自由度有4个,但振动方式只有三种(如图8所示)：对称振动，弯曲振动和反对称振动。 图8 CO2分子的三种基本振动方式能级表示： CO2的振动状态可以用三个独立的振动量子数表示 。用 分别表示对称振动弯曲振动和反对称振动的基频。CO2分子能级表示用 表示。相应于这种振动绕分子轴的角动量 称为振动角动量。其中l表示弯曲振动的振动量子数，它的取值为：例如，0200表示弯曲振动有两个振动量子，0110能级具有最低的振动能量。CO2的一些低振动能级如图9所示。图9 N2分子和CO2分子的电子基态的低振动能级 可能的跃迁： 根据波函数对称性的要求

16、，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。激发过程 激光跃迁可发生在00011000(106m)和00010200(96m)两

17、个过程中。但输出激光主要发生在00011000过程中。 泵浦主要通过下面两个过程：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大。当电子能量为时，峰值截面为510-10cm2。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。 N2分子的共振能量转移： 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将被=1的能级所收集。N2的=1能级与CO2的0001能级仅相差18cm-110-3eV)，因此，N2与CO2的基态分子发生碰撞时，N2

18、将激发能量转移给CO2分子，使之激发到0001能级；这个过程可表示为： N2(=1)+CO2(0001)N2(=0)+CO2(00010-3eV 因此，通过N2分子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=2610-16Vcm2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。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=210-3秒，1000能级的s秒。这是因为，00010000是允许的光学跃迁，而10000000是禁戒的。这种情况对产生激光振荡十分不利。在CO2激光器中

19、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=210-5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 。 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103秒-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107秒-1)。于是，处在同一振动态的所有转动能级上的全部粒

20、子都对具有最高增益的那个转动能级的激光跃迁有贡献。CO2分子可以看作是一个“哑铃”形的刚性转子。转动量子数为J的转动能级上的平衡粒子数为：在CO2分子的0001能级中，J=21的转动能级上的粒子数最多。 因此，通常是00011000跃迁中的P(22)支起振，在J=2l的转动能级上的粒子数被迅速消耗，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。 00011000跃迁的波长范围是mm；其中，P支从P456共有27条谱线，最强

21、的是P18、P20、P22、和P24。R支从R4R54共有26条谱线，最强的是R18、R20、R22和R24；00010200跃迁，在m到m波长范围内，有40多条谱线。CO2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)横向激励高气压激光器(TEA)；(5)射频激励激光器；（6）波导CO2激光器；（7）气动激光器。图10 (a) 纵向封离型激光器 图10 （b）纵向流动激光器 图10 (c) 横向流动激光器 图10 (d) 横向激励高气压激光器(TEA) 图10 (e) 波导C

22、O2激光器图10 (f) 射频激励激光器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。 An excimer laser is a specific type of molecular gas laser that produces high intensity light in the ultraviol

23、et (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 absorb