布儒斯特窗激光路理气体激光器概述ppt

布儒斯特窗激光路理气体激光器概述ppt

更新时间:2019-01-22 08:38点击数:文字大小:

  布儒斯特窗激光路理气体激光器概述ppt* 1。石墨电极 2。石墨片 3。石英环 4。水冷套 5。放电毛细管 6。阴极 7。保热屏 8。加热灯丝 9。布氏窗 10。磁场 11。储气瓶 12。电磁线。气压检测器 氩离子激光器的谐振腔由两个镀有多层介质膜的反射镜构成。全反端17层,反射率达99%以上,输出端镀5层,透射率12%(514。5nm),14%(488nm)。为了抬高氩离子激光器输出功率和寿命,还需加上几百到一千高斯的轴向磁场。时时由套正在放电管表面的螺管线) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 * 二、 Ar+激光器的勉励机理 Ar+激光器与激光辐射相合的能级机合如图(5-15)所示 Ar+激光器的激活粒子是Ar+, Ar+激光器的勉励进程分两步实行:①通过气体放电,将氩原子Ar电离,②再通过放电饱动将Ar+勉励到激光上能级 图(5-15)为Ar+离子与激光出现进程相合的能级图。中性Ar原子正在放电进程中,与敏捷电子碰撞后电离,酿成处正在基态3P5上的Ar+离子。该基态Ar+离子再与高速电子碰撞,被勉励到高能态。当激光上下能级间临蓐粒子数反转时,即可临蓐激光。 * 激光跃迁上能级(3P44P)粒子的积蓄要紧通过三种途径竣工! (2)基态Ar+与电子碰撞后跃迁至高于3P44P的其他能级,再通过级联辐射跃迁至3P44P能级; (3)基态Ar+和电子碰撞跃迁至低于3P44P 的亚稳态能级后再次与电子碰撞并跃迁至3P44P 能级。 (1)基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到3P44P能级; 3P44P * 因为Ar原子的电离能量(≈15eV)和激光跃迁上能级的勉励能量(≈20eV)较高,平常运行所请求的均匀电子动能(电子温度)很高。为了抬高电子温度,氩离子激光器中的充气压强寻常正在150Pa以下。但低压强意味着Ar原子密度幼,为了抬高电离和勉励速度,务必增进放电管内的电子密度。 是以氩离子激光器务必采用大电流弧光放电勉励,放电管内电流密度时时超越106A/m2。氩离子激光器的输出功率随放电电流的伸长而疾速伸长,但电流过高也会因多重电离的崭露和高温惹起的谱线加宽而导致增益和输出功率的降低。 * 为了抬高放电电流密度,放电应会合正在放电毛细管中央1~2mm范畴内。为此沿放电毛细管加一轴向磁场,磁场出现的洛仑兹力可统造电子和离子向管壁扩散。但正在使电子会合正在放电管中央的同时也低重了轴向电场强度,从而导致电子温度和电离度低重,所以存正在一个使输出功率最大的最佳磁场强度值。 图(5-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 * 高密度电放逐电出现的高温等离子体使放电毛细管承担很大的热负荷。高能离子轰击管壁及电极时溅射剥落的颗粒会污染气体和窗口。所以放电毛细管质料务必知足耐高温、导热性好、抗溅射和气密性好等请求。常用的毛细管质料是石墨和氧化铝陶瓷,近来生长了一种钨盘-陶瓷毛细管机合。 图(5-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 * 三、 Ar+激光器的作事持性 (1)多谱线作事 激光跃迁爆发正在Ar+的电子组态3P44P和3P44S之间。前者的寿命约为10-8s,后者通过自愿辐射疾速消勉励,其寿命约为10-9s。 因为3p44P和3P44S电子组态均对应若干子能级,是以连结作事的氩离子激光器可出现9条蓝绿激光谱线,对应每条谱线都有一个阈值电流 。 10-8s 10-9s 此中以488nm和514。5nm谱线最强。正在谐振腔内插入棱镜等色散元件,可能得回单谱线)输出功率与放电电流的干系 因为Ar+激光器奇特的勉励机造,其输出功率随放电电流的变更秩序与其它激光器有所差别,图(5-16)示出了两者之间的干系弧线) Ar+激光器输出功率随放电电流变更弧线 放电电流较幼时输出功率与放电电流成四次方的干系,跟着放电电流的增大,输出功率与放电电流成平方的干系。这是由于,跟着电流密度的增大,负气体温度升高,激光谱线变宽,因此其增益随电流伸长的速率变慢。 高福斌 /39 * 5。2 气体激光器 5。2。1 氦-氖(He-Ne)激光器 一、He-Ne激光器的机合 He-Ne激光器的机合花样良多,但都是由激光管和激光电源构成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔构成。 * 图(5-9) He-Ne激光器的基础机合花样 贮气室与毛细管相连,这里不首倡火体放电,它的感化是储积因慢漏气及管内元件放气或吸附气体变成He、Ne气体比例及总气压爆发的变更,拉长器件的寿命。放电管寻常是用GG17玻璃造成。输出功率和波长请求不变性好的器件可用热胀系数幼的石英玻璃筑造。 放电管是氦氖激光器的心脏,它是出现激光的地方。放电管时时由毛细管和贮气室组成。放电管中充入必定比例的氦(He)、氖(Ne)气体,当电极加上高电压后,毛细管中的气体起初放电使氖原子受激,出现粒子数反转。 * He-Ne激光管的阳极寻常用钨棒造成,阴极多用电子发射率高和溅射率幼的铝及其合金造成。为了增进电子发射面积和减幼阴极溅射,寻常都把阴极做成圆筒状,然后用钨棒引到管表。 He-Ne激光器因为增益低,谐振腔寻常用平凹腔,平面镜为输出端,透过率约1%~2%,凹面镜为全反射镜。 He-Ne激光管的机合花样是多种多样的,按谐振腔与放电管的安排式样差别可分内腔式、表腔式和半内腔式。 图(5-9) He-Ne激光器的基础机合花样 * 内腔式如图中(a)所示,将谐振腔的两反射镜调动好后,用胶固定正在放电管的两头, 其所长是行使时不必实行调动,很是容易,阴极与毛细管同轴安排,其机合紧凑、不易碎裂,装置容易。 差错是正在作事进程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离彼此平行地位,变成器件损耗增进,输出降低。激光管越长,其热不变性越差,是以内腔式激光管的长度寻常不超越一米。 并且当谐振腔反射镜损坏后,不易退换,反射镜表里观污染后也无法清扫。而且因为阴极放正在放电管内,阴极溅射物质易污染窗片,行使寿命低,同时因为阴极大方发射电子,阴极区易发烧,使同轴式激光管功率的不变性不如旁轴式。 * 表腔式如图中(b)所示, 所长:这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是离别,可增进储胸怀。同时溅射物质不易污染窗片,是以寿命比同轴式长,放电管的热变形对谐振腔影响较幼,加之谐振腔可能调动,是以永远行使中能保留不变输出。放电管的两头贴有布儒斯特窗片,还可使激光取得线偏振的激光输出。 差错:因为反射镜与放电管相离别,相对地位易改动,需求常常调动,行使禁止易; 体积大,装置行使禁止易,易决裂。 * 激光器的作事气体是He和Ne,此中出现激光跃迁的是Ne气。He是辅帮气体,用以抬高Ne原子的泵浦速度。图(5-10)为He和Ne的能级图。He原子有两个电子,没勉励时这两个原子都漫衍正在1S0壳层上,He原子处于基态。当He原子受激时,使此中一个电子从1S勉励到2S,He原子成为勉励态。 He原子有两个亚稳态能级,诀别记为23S1、21S0。 图(5-10) 与激光跃迁相合的Ne原子的局部能级图 二、氦和氖原子的能级图 1S 21S0 23S1 * 图(5-10) 与激光跃迁相合的Ne原子的局部能级图 Ne原子有10个电子, 基态1S0(电子漫衍为1S22S22P6)。 勉励态为1S、2S、3S、2P、3P等, 它们对应的表层电子组态诀别为! 2P53S、2P54S、2P55S、2P53P、2P54P。 二、氦和氖原子的能级图 2P53S 2P54S 2P55S 2P53P 2P54P 1S0 * 正在He—Ne激光器中,竣工粒子数反转的要紧勉励进程如下: 第一是共振迁移。由能级图可见,He原子的21S0、23S1态诀别与Ne原子的3S、2S态靠得很近,二者很容易实行能量迁移,而且迁移几率很高,可达95%,其迁移进程如下: s 2 s 1 Ne s 3 s 1 2 s 3 2 He p 2 p 3 电子碰撞勉励 管壁效应 自愿辐射 632。8 nm 共振迁移 三、He—Ne激光器的勉励进程 * 第二是电子直接碰撞勉励。正在气体放电进程中,基态Ne原子与拥有必定动能的电子实行非弹性碰撞,直接被勉励到2S和3S态,与共振迁移比拟,这种进程勉励的速度要幼得多。 第三是串级跃迁,Ne与电子碰撞被勉励到更高能态,然后再跃迁到2S和3S态,与前述两进程比拟,此进程孝敬最幼。 * 图(5-10) 与激光跃迁相合的Ne原子的局部能级图 lS态向基态的跃迁是被采选定章禁止的,不行自愿地回到基态,但它与管壁碰撞时,可把能量交给管壁,自身回到基态。这便是为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的来历。 从能级图可见,He-Ne激光器是规范的四能级体系。 遵循能量跃迁采选定章,Ne原子可能出现良多条谱线?m,对应跃迁能级诀别为3S2→2P4 ,3S2→3P4 和 2S2→2P4。2P和3P态,不行直接向基态跃迁,而向1S态跃迁很疾。 * 四、He—Ne激光器的输出个性 谱线比赛! He-Ne激光器三条强的激光谱线?m 哪一条谱线起振全体取决于谐振腔介质膜反射镜的波长采选。 已知! (2-15) (2-28) (1-39) 彰彰,增益系数与波长三次方成正比。 * 见图(5-10)。0。6328?m和3。39 ?m两条激光谱线S,然后者增益系数对比高(增益系数与波长三次方成正比),借使不实行贬抑,则3。39?m的辐射正在腔内振荡进程中将耗费大方的3S2态原子。贬抑3。39?m辐射的步骤要紧有! 图(5-10) 与激光跃迁相合的Ne原子的局部能级图 * 图(5-10) 与激光跃迁相合的Ne原子的局部能级图 ① 选用对3。39?m的光拥有低反射率的谐振腔反射镜,使3。39?m达不到阈值条款; 如下图所示,正在腔内加色散棱镜,将两谱线分裂,通过调动谐振腔反射镜的地位,只愿意0。6328?m的辐射起振,而使3。39?m的辐射偏离出谐振腔表; * ② 腔内安排甲烷汲取盒,由于甲烷对3。39?m的光拥有强汲取而对0。6328?m的光透后,所以可用甲烷贬抑3。39?m振荡; ③ 表加非匀称磁场也能贬抑3。39?m振荡。遵循塞曼效应,磁场可惹起谱线分离,分离的巨细与磁场强度成正比。借使激光管内磁场漫衍不匀称,则四处谱线分离水平差别并连成一片,相当于谱线高斯非匀称磁场中,两谱线 ?m 原谱线MHz,非匀称磁场对它展宽的比例不大。但3。39?m原谱线MHz掌握,非匀称磁场的加宽比它大几倍。因为增益系数反比于线宽,是以表加非匀称磁场后,3。39?m的增益系数快速降低,而0。6328μm的增益系数却降低很少。结果抬高了0。6328?m的比赛才力,3。39?m则被贬抑。表加非匀称磁场的装配如上图所示,沿放电管轴向安排很多幼磁铁,相邻的极性相通,如许就可正在放电管轴线上酿成非匀称磁场。 (2-15) (2-28) * (2) 输出功率个性! He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。 图(5-11) 输出功率与放电电流的干系弧线)透露输出功率与放电电流的干系弧线。弧线证明!正在气压比为定值时,每个总气压都存正在一个输出最大的放电电流,其巨细跟着总气压的升高而低重,这是由于气压升高,只需求较幼的放电电流就能取得相通的电子密度。 正在最佳充气条款下,使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 * 图(5-11) 输出功率与放电电流的干系弧线 ② He-Ne激光器存正在着最佳混淆比和最佳充气总压强,即存正在最佳充气条款。 测验发明,氦气与氖气的分压比为7:1时,是最佳分压比。而总压强正在100Pa~400Pa。 选用He气作辅帮气体的来历! Ne原子不行直接被电子碰撞勉励到激光上能级; He*与Ne*能级极邻近, 易爆发能量共振迁移。 * ③ 若放电毛细管的直径为d,充气压强为P,则存正在一个使输出功率最大的最佳Pd值。 图给出了正在差其它毛细管内径d 和长度l 时,输出功率与充气总气压和气压比的测验弧线。由图可见,内径d 差别,最佳充气压和气压比也差别。气压也增进。盘算可得!当取最佳充气条款时,最佳气压Popt与毛细管内径的乘积约为一常数,寻常Popt d =480~533Pa mm。 ④ 正在最佳放电条款下,作事物质的增益系数和毛细管直径d 成反比。 * 五、He-Ne激光器的寿命 He-Ne激光器行使一段岁月或存放一段岁月后,它的输出功率会渐渐低重,以至结果没有激光输出。现正在寻常原则输出功率降低到最高功率的1/e的作事岁月为器件的寿命。影响器件寿命的身分大致有以下几方面: 1.慢漏气 当放电管密封不精密时,氛围中的氮、氢等气体分子会分泌到管内,使放电条款改动并加疾氦、氖原子勉励态的消散速度,无疑,这将影响器件输出功率。崭露慢漏气时,激光器的放电色彩将由平常放电时的橙血色变为紫色(紫色是氮分子辉光放电出现的)。 容易崭露慢漏气的地方有:电极与玻璃封接处;谐振腔反射镜或布儒斯特窗与放电管粘合处以及吹造管坯时恐怕留下来的轻微漏气孔。为防卫慢漏气,要抬高封接工艺程度并鼎新现有封接办腕。 * 2.放电管内元件放气 放电管内的元件及放电管内壁都市吸附杂质气体,借使除气不彻底,从此就会缓慢开释出来。同时激光管洗刷得不洁净时,污物和洗液也会放出大方杂质气体,这些杂质气领会改动原充气的气体因素,影响输出功率。 为克造放气,要对放电管及其内部元件实行讲究明净管理和除气。别的,正在放电管内可安排吸气剂,比如钡钛、钡铝镍等,它们可汲取大方氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢等,但不汲取氦、氖。 3.阴极溅射 阴极正在正离子轰击下会出现阴极溅射,溅射出来的金属质料会汲取作事气体,导致管内作事气压低重。同时溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。 为了节减溅射,要选用不易溅射的金属做电极,并避免表观放电电流密度超越溅射阈值。为防卫溅射物汲取变成的作事气压低重,正在充气时可略高于最佳总气压。 * 4.作事气体的吸附、汲取和分泌 放电管内的作事气体可被电极和管壁吸附正在表观,或汲取到金属和玻璃内部,乃至还会透过管壁分泌到大气中去。氖的电离电位比氦低,它比氦更容易被吸附或汲取。氦原子直径比氖幼,它分泌管表的才力比氖强。 因为这些来历,管内的总气压和氦、氖气压比会缓慢变更,使之偏离最佳作事形态,变成输出功率降低。 为防卫氦气分泌,要选用渗氦低的质料做放电管。为防卫氦气分泌变成气压比低重,充气时充入的气压可高于最佳气压比。还可能采用三层套管,即正在放电管表再加一层氦气储积套管,管内充入的氦气,气压应高于放电管内的气压。 5.谐振腔反射镜的污染 溅射重积正在反射镜上或放电管内未加清扫掉的污物挥发后会重积到反射镜上,促使其反射率降低。为防卫反射镜污染,除讲究明净内部和节减溅射表,安排He-Ne激光器时,应防备反射镜到阴极的隔断要大于3cm。 目前He-Ne激光器最长的寿命可达10万幼时。 * CO2激光器的要紧特色是输出功率大,能量转换效果高,输出波长(10。6?m) ,平凡用于激光加工、医疗、大气通讯及其他军事运用。 CO2激光器以CO2、N2和He的混淆气体为作事物质。激光跃迁爆发正在CO2分子的电子基态的两个振动-动弹能级之间。N2的感化是抬高激光上能级的饱动效果,则有帮于激光下能级的抽空。 5。2。2 二氧化碳激光器 一、 CO2激光器的机合 图(5-12) 封离式CO2激光器机合示图谋 图(5-12)是一种规范的机合示图谋。组成CO2激光器谐振腔的两个反射镜安排正在可供调治的腔片架上,最方便的手腕是将反射镜直接贴正在放电管的两头。 * 二、 CO2激光器的勉励进程 CO2激光器中与出现激光相合的CO2分子能级图如图(5-13)所示。 图(5-13) 与出现激光相合的CO2分子能级图 CO2激光器中,通过以下三个进程将CO2分子勉励到0001能级 1。直接电子碰撞 电子与基态(0000)CO2分子碰撞使其勉励到激光上能级。这一进程可透露为 CO2(0000)+e → CO2(0001)+e 2。级联跃迁 电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级,基态CO2分子与高能级CO2分子碰撞后跃迁到激光上能级,此进程可透露为 CO2(0000)+CO2(000n)→CO2(0001)+ CO2(000n-1) * 图(5-13) 与出现激光相合的CO2分子能级图 3。共振迁移 因为N2分子(V=0)能级和电子碰撞后跃迁到V=1的振动能级,这是一个寿命较长的亚稳态能级,因此可积蓄较多的N2分子,基态CO2分子与亚稳态N2分子爆发非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一进程可透露为 CO2(0000)+N2(V=1)→ CO2(0001)+N2(V=0) 因为CO2分子0001能级与N2分子V=1能级至极切近,能量迁移至极疾速。别的,N2分子的V=2~4能级与CO2分子0002~0004也至极切近,彼此间也能爆发共振迁移,处于0002~0004的CO2分子与基态CO2分子碰撞可将它饱动至0001能级。 * 图(5-13) 与出现激光相合的CO2分子能级图 正在以上三种勉励途径中,共振迁移的几率最大,感化也最为明显。 CO2分子激光跃迁下能级的抽空要紧仰仗气体分子间的碰撞。 一朝竣工了(0001)与(1000)、 (0200) 之间的粒子数反转,即可通过受激辐射,出现! 0001→1000跃迁出现10。6?m波长的激光,0001→0200跃迁出现9。6?m波长的激光。 因为以上跃迁拥有统一上能级,并且0001→1000跃迁的几率大得多,是以CO2激光器时时只输出10。6?m激光。若要取得9。6?m的激光振荡,则务必正在谐振腔中安排波长采选元件贬抑10。6?m激光振荡。 * 三、 CO2激光器的输出个性 相应于CO2激光器的输出功率,其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径,管内总气压,以及气体混淆比相合。 测验指出:跟着管径增大,最佳放电电流也增大。 比如:管径为20~30mm时,最佳放电电流为30~50mA 管径为50~90mm时,最佳放电电流为120~150mA (1) 放电个性 CO2激光器的转换效果是很高的,但最高也不会超越40%,这便是说,将有60%以上的能量转换为气体的热能,使温度升高。而气体温度的升高,将惹起激光上能级的消勉励和激光下能级的热勉励,这都市使粒子的反转数节减。而且,气体温度的升高,将使谱线展宽,导致增益系数降低。特殊是,气体温度的升高,还将惹起CO2分子的领悟,低重放电管内的CO2分子浓度。 (2) 温度效应 * 5。2。3 Ar+离子激光器 一、 Ar+激光器的机合 图(5-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 氩离子(Ar+)激光器是一种惰性气体离子激光器,是目前正在可见光区域输出功率最高的一种连结作事的激光器。寻常输出功率为几瓦或几十瓦,正在可见光区域可发射多条振荡谱线nm(蓝色)的最强。 * Ar+激光器激光器由放电管、磁场调和振腔构成。此中最症结的局部是放电管。氩离子激光器放电管的主题是放电毛细管,因为氩离子激光器的作事电流密度高达数百安/平方厘米,放电毛细管的管壁温度往往正在1000℃以上。所以需采用耐高温、导热本能好、气体清扫速度低的质料造成,如采用石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。 图(5-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 1。石墨电极 2。石墨片 3。石英环 4。水冷套 5。放电毛细管 6。阴极 7。保热屏 8。加热灯丝 9。布氏窗 10。磁场 11。储气瓶 12。电磁线。气压检测器 * 高纯质密石墨是目前平凡行使的一种放电毛细管质料。因为石墨是良导体,为维护放电,石墨放电毛细管务必采用分段机合,段与段间互相绝缘。此中,放电毛细管由分段石墨片构成,石墨片由两根直径约3。5mm的氧化铝陶瓷杆串起来,并用幼石英环使其每片隔离,互相绝缘。 1。石墨电极 2。石墨片 3。石英环 4。水冷套 5。放电毛细管 6。阴极 7。保热屏 8。加热灯丝 9。布氏窗 10。磁场 11。储气瓶 12。电磁线-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 * 全数组合体置于水冷套的石英管内,两头诀别为供给电子发射的阴极和收罗电子的石墨阳极,阴极选用钡钨质料。别的,氩离子激光管内设有回气管,使放电管气压均衡,有帮于激光输出。 1。石墨电极 2。石墨片 3。石英环 4。水冷套 5。放电毛细管 6。阴极 7。保热屏 8。加热灯丝 9。布氏窗 10。磁场 11。储气瓶 12。电磁线-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 * 正在石墨管氩离子激光器中,管内的气体清扫效应惹起管内气压低重,使输出低重。为了拉长激光管的行使寿命,正在激光管上往往装备有贮气和充气装配。 1。石墨电极 2。石墨片 3。石英环 4。水冷套 5。放电毛细管 6。阴极 7。保热屏 8。加热灯丝 9。布氏窗 10。磁场 11。储气瓶 12。电磁线-14) 分段石墨机合Ar+激光器示图谋 高福斌 /39

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