第一篇 气体激光器

第一篇气体激光器第一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四第一章概述

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,I35千瓦可作激光武器原子蒸气Cs,Cd,Cu,Mn,Sn,Cd,Cne.g.把Cu加热，1000～1500摄氏度510.6nm(绿光)578.2nm(黄光)

LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四2.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LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四3.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)LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四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LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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第五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四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LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四

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）。LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四2、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。LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四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++△EA++B->A+B+*+△E3.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+△EA*(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。LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四第二章He－Ne气体激光器§2－1He－Ne激光器的结构及工作原理一、He－Ne激光器的结构LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

放电管毛细管

贮气室

电极阴极

激光管阳极He-Ne激光器的组成谐振腔:一般采用稳定腔电源第十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四二、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LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@Ne原子三条最强的跃迁谱线：632.8nm3S22P43.39μm3S23P41.15μm2S22P4典型的四能级系统第十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四三、He－Ne激光器的激发过程LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@共振能量转移激发

He(11S0)+eHe*(21S0)+e′He(11S0)+eHe*(23S1)+e′He*(21S0)+Ne(1S0)Ne*(3S2)+He(11S0)+△EHe*(23S1)+Ne(1S0)Ne*(2S2)+He(11S0)+△E其中e----碰撞前快速电子

e′----碰撞后慢速电子第十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四电子直接碰撞激发LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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。第十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四四、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？LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四五、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.LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四设: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n1He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:LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-1第十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四式中:kn1n4为HeNe共振转移的激发速率,k为转移速率常数kn0n3为NeHe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:

LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-2第十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四同理,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LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-4第二十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四将（2.1-4）代入（2.1-2）式，得LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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为自发辐射几率第二十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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第二十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四根据（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：LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@2.1-10式中，2.1-11K1,K2与K3都是和放电电流无关的常数第二十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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.

第二十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四n3,n2与i关系曲线如图2-3所示：LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2-3粒子数密度与放电电流的关系第二十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2-4增益与放电电流关系第二十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四由上述分析可知,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LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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，第二十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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第二十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@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主要通过与He亚稳态共振转移而获得,因此作为工作气体的Ne气所占比例要适当,也存在一最佳值..一般第二十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2-6增益与He-Ne气压比的关系第三十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

最佳充气总气压Popt与最佳He,Ne气压比叫做最佳充气条件。

当器件取最佳气压比与最佳总气压时，最佳总气压Popt与放电管径d的乘积为一常数，其取值范围：

结论：为得到最大反转粒子数,即获得最大增益，He-Ne激光器应工作在最佳放电电流条件下，即采用最佳放电电流、最佳充气总气压和最佳He、Ne气压比。第三十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四§2-2He-Ne激光器的输出功率及稳定性LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@He-Ne激光器的输出特性主要指:输出功率,频率特性,束散角,偏振特性等.

其中频率特性将在稳频技术一章中介绍.（一）输出功率及其影响因素

1.输出功率公式(1)单纵模激光器输出功率公式第三十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

对于连续运转的激光器,当腔内实现稳态振荡后(频率为的光强),有光在腔内往返一次所获得的饱和增益等于腔内的光学总损耗.即:

(2.1-1)式中:--饱和增益系数

--放电管长度

--除透过率外光在腔内往返一次的光学总损耗的百分数

--输出镜的透过率第三十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@则器件的输出功率P表示为:

(2.2-2)

式中:--光束的有效横截面积.其值一般小于放电管横截面积

(其值等于放电管横截面积放电管利用系数)

有:-腔内振荡光束的模体积

-放电管体积第三十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@对于平凹腔结构的横模,令,则有:于是有:(2.2-3)

(2.2-4)由(2.2-2)式可知:再求出腔内稳态光强,即可求出输出功率P.因不仅与工作物质的物理参数有关,同时与激光器的结构参数有关,为此引入一个激发参量第三十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@式中:--最大小信号增益由上式可见,当器件结构确定以后,的值均可确定,则激发参量可知.(2.2-1)式及综合加宽大信号增益系数,中心频率处最大小信号增益系数表达式代入上式并设激光器工作在中心频率处(),则有:(2.2-5)第三十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

(2.2-6)

式中:--饱和光强,其值可由实验测出.上式给出了与之间的关系.第三十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2.2-1单模运转的与的关系曲线第三十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

对于结构确定的激光器可知,我们可算出其值.值已知后,我们可利用图解法从上图关系曲线中查出.

令,代入(2.1-14)式,则有:

(2.2-7)

上式表明,.即增大输出镜透过率T可提高输出功率P,但T的增大会导致下降而引起P的下降.固存在一最佳透过率Topt.第三十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@多纵模运转多纵模运转可分为两种情况:

纵模间隔烧孔宽度,则纵模振荡数多,烧孔严重,增益曲线阈值以上部分均被烧掉,增益饱和类似于均匀加宽.在计算P时可将其等效地看作一系列间隔为的纵模振荡.

见图2.2-2第四十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2.2-2严重烧孔时的等效纵模第四十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@重点讨论第二种情况.

设等效纵模的平均效率为,其在腔内光强为,则腔内总光强为:

(2.2-8)式中:--振荡线宽固有第四十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@则有:

(2.2-9)将(2.2-9)式代入(2.2-8)式,有:

(2.2-10)将上式变形为:第四十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@同单纵模情况引入激发参量.且稳态工作后处的大信号增益系数为:

(2.2-12)

(2.2-11)第四十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@将(2.2-12),(2.2-13)代入,可得:

(2.2-14)

(2.2-13)第四十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@由(2.2-11)和(2.2-14)式可计算出不同值下的,由此作出与的关系曲线.如图2.1-9所示.图2.2-3多纵模运转的与的关系第四十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@这些曲线近似于直线,其方程为:

(2.2-15)式中:--为直线斜率则,基横模多纵模He-Ne激光器的输出功率P为:

(2.2-16)式中:

叫做有效饱和参量,其值为:.与气压无关.第四十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@,,将代入(2.2-16)式,得:

(2.2-17)

2.影响输出功率的主要因素放电条件的影响:要选择最佳放电条件.

因,而对应有最佳放电条件,所以要提高输出功率,应选择最佳放电条件.第四十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2.2-4输出功率与放电电流的关系第四十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@图2.2-5输出功率与充气总压强的关系(a)(b)(c)第五十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(2)毛细管尺寸的影响:2方面<长度l,内径d>

增加毛细管长度,可提高输出功率(见2.2-17式).但

l过长,谐振腔容易变形,又影响输出功率.

毛细管内径d过小,有利于提高Gm.但d太小时,Gm反而下降.主要原因是:当长度l一定时,d小则总粒子数减少,且谐振腔易失调.

因此,He-Ne激光器工作于最佳放电条件下时,注意其内径d与最佳充气压Popt的乘积为一常数:第五十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@表2.2-1最佳充气条件图2.2-6最佳气压比与毛细管直径的关系第五十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四

LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3)选择最佳透过率单纵模运转情况(前面已讲过),当时,输出功率公式自己推导.多纵模运转:令则有:

(2.2-18)

将(2.2-18)代入(2.2-16)式得:(2.2-19)第五十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

将,和代入上式,得:

(2.2-20)注意上式使用条件:,且器件参数d,l

满足当T在Topt附近有小变化时,输出功率不会有明显变化,因此,对Topt的精度不必作太高的要求.第五十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@实际运用中,一般通过实验的方法确定最佳透过率.(4)减小腔内损耗因He-Ne器件增益较低,输出镜透过率也比较低,因此其腔内损耗太小对输出功率影响较大.降低腔内损耗的措施:合理设计谐振腔:选用稳定腔,如平凹腔,双凹腔等,平凹腔使用多.设计l,R等参数;合理选择毛细管直径d:减少衍射损耗;选高质量的光学元件;第五十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@精调谐振腔.(5)谱线竞争—抑制3.39um谱线振荡

抑制原因:3.39谱线与632.8nm谱线共用一个激光上能级3S2,且增益都比较高.3.39um谱线的振荡,将大量消耗激光上能级的粒子,导致632.8nm谱线的增益与输出功率下降,甚至振荡被抑制.因此,设法抑制3.39um谱线振荡是提高632.8nm输出功率的重要手段.抑制方法增大3.39um谱线的损耗降低3.39um谱线的增益第五十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@腔内放置色散棱镜图2.2-7棱镜色散法利用棱镜的色散效应,调整腔镜,使632.8nm可在腔内形成振荡,而3.39um的光逸出腔外.第五十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@腔内放置甲烷吸收盒甲烷对632.8nm透明而对3.39um强吸收.图2.2-18用甲烷吸收盒抑制3.39um振荡第五十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@外加非均匀磁场图2.2-9非均匀磁场法

利用塞曼效应,磁场引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比.第五十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@非均匀磁场的作用相当于把谱线展宽.谱线非均匀磁场强度(高斯)未加磁场时谱线宽度(MHz)施加非均匀磁场后谱线展宽(MHz)632.8nm30015009003.39um300300900第六十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

因增益系数反比于线宽,故施加非均匀磁场后,3.39um谱线的增益系数急剧下降,而632.8nm的增益系数下降很少,从而提高了632.8nm谱线的竞争能力,3.39um被抑制.(6)使用同位素He-3:

He-Ne器件中所充氦气通常为He-4.实验表明,使用He-3比用He-4输出功率可提高25%左右.但He-3的价格高得多,一般情况下很少使用.第六十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（二）激光束的发散角(简称束散角)

He-Ne激光束的束散角可认为仅取决于其谐振腔的几何尺寸(因工作物质光学均匀性好,故可忽略光在腔内传播过程中所产生的畸变).

束散角的定义:

(2.2-21)对于TEM00,其远场束散角(半角)为:

远场:

(2.2-22)第六十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

式中:--束腰半径对于平凹腔:

(2.2-23)

式中:R--凹面镜曲率半径

L--腔长

将(2.2-23)代入(2.2-22)式,得:(2.2-24)令,代入上式得:第六十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(2.2-25)图2.2-10与的关系第六十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

为得到较小束散角,设计时应选用大R或大L,但R,L过大,不仅谐振腔调整困难,而且在工作过程中易失调,同时造成输出功率的漂移.因此,设计R与L参数时要统筹考虑.（三）激光的偏振特性1.外腔式与半外腔式:外腔式与半外腔式He-Ne激光器输出线偏振光第六十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@1964年Patel研制成第一台CO2激光器背景第三章CO2激光器第六十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@纵向封离型高气压型（TEACO2

）流动型（轴快流、慢流）气动型波导型分类第六十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@运转方式：连续或脉冲;输出功率或能量相当大,

能量转换效率效率高;(3)波长范围：9-18μm

其中10.6μm位于大气传输的窗口；

(4)人眼使用安全：400-700nm损伤优点第六十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

放电激励纵向低气压激光器横向高气压激光器射频激励化学激励气动激励机制第六十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@§3-1CO2激光器的工作原理（一）CO2分子的的能级结构CO2分子的结构：线性对称排列的三原子分子三个原子排列成一条直线（分子轴）中间是碳原子两端是氧原子第七十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第七十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（二）CO2分子的振转跃迁CO2分子二条最强的跃迁谱线

10.6μm000110009.6μm

00010200第七十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@

虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-7~10-8s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争效应.由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其他谱线振荡.第七十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（三）CO2激光器激光上能级的激发过程1.电子直接碰撞激发式中:CO2*(0001)--CO2分子的激发态2.串级跃迁激发

第七十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@3.共振转移激发在CO2中掺有N2(氮)和CO,它们被电子碰撞激发到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移给CO2基态,使CO2跃迁到0001能级.N2分子:CO分子:第七十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@4.复合过程

放电过程中,有部分CO2分子会分解成CO和O,同时也存在CO和O的复合过程,在复合时,把原来分解时所需要的能重新释放出来,使CO2分子激发到0001能级.这个过程比前三个过程起的作用小得多.

被激发到激光上能级(0001)的CO2分子,除了受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使其衰减.我们把后者引起的衰减称为消激发.

引起消激发的主要原因:碰撞和扩散.第七十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（四）CO2激光器激光下能级的弛豫

由于CO2分子激光下能级1000和0200的辐射寿命很长,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数.为尽快抽空下能级,必须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程分为两步进行:第一步:1000和0200能级的驰豫第七十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@第二步:

实验发现,CO2激光下能级的“抽空”主要是靠气体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞.所以放电管直径的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光器更是如此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那样一定要用很细的毛细管.0110能级的驰豫第七十八页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@思考题:二氧化碳激光器中充入He气和N2气的作用分别是什么？二氧化碳激光器的“瓶颈效应”指什么？怎么克服？第七十九页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@§3-2纵向放电激励的CO2激光器（一）器件结构

尽管结构形式各异,但一般都是由工作气体,放电管,谐振腔和电源所组成.图2.2-3纵向放电封离型激光器的典型结构第八十页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@谐振腔内两行波的传播第八十一页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@（二）输出功率及其影响因素1.输出功率设:---驻波场中两列相反方向传播的行波的光强.---归一化光强

---谐振腔的两反射镜

---反射率

(3.2-1)第八十二页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3.2-2)(3.2-3)有:得:(3.2-4)(3.2-5)由激光原理知，第八十三页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@所以则(3.2-7)将(3.2-1)式代入(3.2-7)式得由(3.2-4)和(3.2-7)式可得(3.2-9)(3.2-8)第八十四页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@将上式积分得(3.2-10)同理得(3.2-11)

将(3.2-10)和(3.2-11)两式相加,并将(3.2-1),(3.2-7)和(3.2-8)式代入和式中,可得(3.2-12)第八十五页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3.2.2-13)

于是激光输出功率可表示为

除透射损耗外,腔内其他单程损耗为a,

又可写为:第八十六页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserDeviceandTechnologyEmail:xiaoyunliu0420@163.com;TelQQ:21265964;Msn:icedox@(3.2-14)2.影响输出功率的几个重要因素

放电管的长度和内径长度:

内径:影响不大第八十七页，共一百一十页，编辑于2023年，星期四LaserD