CO2激光器详解PPT课件.ppt

1、2020/8/17,1,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(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。,2020/8/17,2,2020/8/17,3,2020/8/17,4,可能的跃迁： 根据波函数对称性的要求，在电子基态上的振动和转动

2、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。,2020/8/17,5,激发过程 激光跃迁可发生在00011000(106m)和00010200(96m)

3、两个过程中。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0.3eV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。,2020/8/17,6,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-1(2.510-3eV

4、)，因此，N2与CO2的基态分子发生碰撞时，N2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(0001)-2.510-3eV 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。,2020/8/17,7,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=1.1秒。这是因为，0001000

5、0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 。,2020/8/17,8,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

6、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。,2020/8/17,9,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

7、器；（7）气动激光器。,2020/8/17,10,图10 (a) 纵向封离型激光器,2020/8/17,11,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10.06m11.02m；其中，P支从P456共有27条谱线，最强的是P18、P20、P22、和P24。R支从R4R54共有26条谱线，最强

8、的是R18、R20、R22和R24； 00010200跃迁，在9.13m到9.95m波长范围内，有40多条谱线。,2020/8/17,12,图10 （b）纵向流动激光器,2020/8/17,13,图10 (c) 横向流动激光器,2020/8/17,14,图10 (d) 横向激励高气压激光器(TEA),2020/8/17,15,图10 (e) 波导CO2激光器,2020/8/17,16,图10 (f) 射频激励激光器,2020/8/17,17,4.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

9、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。,18,An excimer laser is a specific type of molecular gas laser that produces high intensity light in the ultraviolet (UV) range of the electromagnetic spectrum. The UV light source is a Lumonics PM-848k excim

10、er 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 absorbing materials. Any feature down to a size of 2 mm can be etched

11、into a surface in a fraction of the processing time of standard photolithography. The range of applications will cover accurate and rapid scribing, drilling holes through the substrate, and creating complicated patterns and devices out silicon and plastics alike.,19,2020/8/17,20,2020/8/17,21,准分子激光器的

12、特点 准分子寿命很短，只有10-8秒，激光跃迁的下能级是排斥态或寿命非常短(只有10-13秒)的弱束缚态，这就是说激光下能级总是空的。 与其它分子激光器属于束缚束缚辐射跃迁的情形不同，准分子激光器属于束缚-自由辐射跃迁。由于不存在明确的振动转动跃迁，所以跃迁是宽带的。 这就导致准分子激光器具有很高的阈值泵浦功率。当然，宽带辐射容易实现可调谐激光发射。,2020/8/17,22,能级结构,图11 XeF*势能曲线,图11是XeF*准分子的势能曲线。基态X2+1/2是一个弱束缚态， 激发态B2+1/2、 C23/2和D21/2是强束缚态。 激光跃迁发生在B2+1/2 X2+1/2，共有10条谱线，强线是353.1nm。,准分子激光器的工作原理,2020/8/17,23,激发方式 准分子激光器的激发方式有快速放电激发，电子束激发，电子束控制放电