激光原理及应用实验讲义-4个实验

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1、实验一CO2激光器及激光扫描实验一、实验目的1、了解co2激光器的工作原理及典型结构；2、掌握C02激光器的输出特性；3、掌握C02激光器的使用方法；4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。二、实验器材C02激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台三、实验原理1、（：02激光器工作原理C02激光器的工作气体是C02、＞42和1^的混合气体。波长9-llum间，处于大气传输窗LI（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反

2、对称振动）的转动能级间的跃迁。逬水图1CO2激光器典型结构CO2激光器巾工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃（如GGI7）制成，放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。C02激光器中与激光跃迁有关的能级是巾C02分子和？42分子的电子基态的低振动能级构成的。C02振动模型如图1所示。激光跃迁主要发生在000141000和0001^02°0两个过程，分别输出10.

3、6um和9.6um。激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达010,再次通过U发辐射到达基态000,但巾于ft发辐射的几率不大，远不如碰撞驰豫过程快，其主要的驰豫过程如图2。氧碳氧002分子模型C^O^D4*戏*CO2分子对称振动co2分子反对称振动«qoc图1co2分子振动模型C02墓态N2基态图2CO2分子能级跃迁过程其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振

4、，最后一个式子中的M代表辅助气体。如果选择恰当的气体（常见的如H2O和H2）作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。另外，为了增加气体的热导率，通过在气体屮加入He气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。气体屮一•般还需要加入叫气，利用其v=l能级与CO2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于2气的v=l态不能通过自发辐射跃迁回带到基态，故增大了共振转移的几率。泵浦过程

5、：1)电子碰撞激发e*+C02(00°0)C02(00°l)+e受到电子碰撞的(302分子被激发到髙振动激发态通过振动模间能fi交换,被能级0001收集。2)N2分子共振能璧转移电子碰撞激发N2的振动能级的总截而很人。^和CO2的基态分子发生碰撞时，沁将激发能量转移给CO2分子，使之激发到00(>1能级。N2作用类似He-Ndp的He。激光下能级袞变慢，不利于抽空，He与该能级CO2分子碰撞使其哀变加快，利于下能级抽空，He热导率高，利于把放电区剩余热量带走，避免热效应造成的下能级粒子数积累。2、激光扫描工作原理激光打是基于

6、f-theta镜的原理，将扫描振镜的转角信息转换成位移信息。没F•汐透镜焦距为总扫描角度为2沒，扫描场的覆盖长度为L。在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：将此式两边对时间微分得：dH_~dtdO_dt可见，对等角速度偏转的入射光來在焦平而上的扫描速度不是一定的。对F-沒透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为:这样:dtdt其屮，仍是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2.f.沒范围

7、AJ的等速扫描。这即是要求F-沒透镜故意产生正的畸变，当扫描角度沒增大时实际像高比儿何光学确定的理想像高小，是它的沒/汉沒倍，

8、其线畸变为：△H=/.tg沒汐=/’(tg汐一汐)其相对畸变为：OY=rg^~^xlOOo/otgd故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于/~0,故常简称为F-0透镜。四、实验内容与步骤1、co2激光器工作特性1）升启水冷系统；2）将功率计探测而置于激光器输出光路；3）将激光电源的电流旋钮逆时针旋至零位；4）开启激光电源；5）顺时针微调激光电源电流旋钮；6）仔细观察放电管屮的现象；7）在不同电流状态记录功率计功率显示，并画fliP-I曲线；8）测量完毕后，将激光

9、电源旋钮逆时针缓慢旋至零位；9）关闭激光电源；10）关闭水冷系统。2、激光扫描实验1）开启计算机；2）打开激光打标软件；3）开启水冷机；4）在工作台上放置纸板；5）开启激光电源；6）在Jj标软件中输入文字，并点击小；7）观测扫描振镜的变化情况及纸板上打出的标记。五、思考题1、CO2激光器工