激光器件-第一章气体放电的基本原理ppt课件.ppt

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1、第一篇气体激光器气体激光器：以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质的激光器。可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大类。优点：1.工作物质均匀一致。保证了激光束光束质量，大部分气体激光器产生接近高斯分布的光束模式。激光束的相干性和单色性优于固体、半导体激光器。2.谱线范围宽。有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条。谱线范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至x射线、γ射线波段。发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化10/8/20211激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理1.1.1气体放电的基本过程在外加电场作用下，气体中产生

2、电流形成电离气体称之为气体放电现象。常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体电离度很少有超过0.1％的。气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间的相互作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。10/8/20212激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理一、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：没有电离前已存在粒子，激光工作物质及其辅助气体。（2）带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放电起主导作用。（3）受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产生运动和碰撞，使其能级发生变化，由基态跃迁到激发态，成为激发态粒子，激

3、发态粒子从上能级向下能级跃迁时，会辐射光子。10/8/20213激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理2、粒子碰撞的基本规律：碰撞是指两个或两个以上粒子相互作用引起动量、动能或者内能变化的过程。（1）弹性碰撞和非弹性碰撞弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内能，粒子间遵守能量和动量守恒定律。非弹性碰撞在确定气体放电的电参量和光参量中起主要作用，如电子温度或能量、电子密度、受激能级的粒子数分

4、布等。10/8/20214激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理（2）碰撞能量转移A.弹性碰撞特点：碰撞前后动能和动量不变结果：平均能量损失率为若m1<

5、将动能一半转换为粒子的内能。若m1m2Wmax=E110/8/20216激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理结论：质量小的粒子与质量大的粒子在非弹性碰撞时，如电子与原子碰撞，电子的动能可以绝大部分转换为原子的内能，使原子发生激发或电离，这是气体激光器利用放电激励的主要机理。10/8/20217激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理(3)碰撞截面、平均自由程和速率系数A.碰撞截面:碰撞截面σ=πa2单位：cm2.代表大量电子与原子碰撞概率的统计平均值。既有粒子半径的概念，又有相互碰撞概率的概念。10/8/20218激光器件原理与设计第一章气体放电

6、的基本原理总碰撞截面:单位气体体积中所有碰撞截面之和。它与气体的压强和温度有关。表示为:Q=Qm+Qe+Qi+…Qm:弹性碰撞截面Qe:激发碰撞截面Qi:电离碰撞截面10/8/20219激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理B.平均自由程：指每两次碰撞之间所走路程的平均值。λ=1/Q式中Q=Nσ（总碰撞截面，表示单位体积中所有碰撞截面之和，单位cm－1）C.速率系数：单位时间内单位体积发生的碰撞次数，用R表示，单位为cm3·s-1。f(υ):速度分布函数。σ(υ):碰撞截面是相对速度的函数10/8/202110激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理二

7、、激发与电离：气体放电中重要的基本物理过程。当中性气体粒子(如原子)与其他粒子(如电子、正离子、光子等)发生碰撞时，原子中的价电子吸收外来粒子的能量，从原来的能级跃迁到较高的能级上去，我们说这个原子被激发，称其为受激原子。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离子，这种过程你为电离。激发是实现粒子数反转的必要条件。电离是维持放电平衡的必要条件。10/8/202111激光器件原理与设计第一章气体放电的基本原理(1)谐振能级和亚稳能级受激原子自发跃迁回基态的过程称为谐振跃迁过程，相应的激发能级称为谐振能级。原子的激发能

8、以光子形式辐射出来。受激原子寿命很短，约为10-8s