c5.2气体激光器ppt课件.ppt

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1、§5.4半导体激光器§5.3染料激光器§5.5其他激光器第五章典型激光器介绍§5.2气体激光器§5.1固体激光器§5.2气体激光器激光谱线丰富，波长覆盖了从真空紫外到远红外范围。气态工作物质的光学均匀性比固体好，易于获得高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光单色性好。气体的激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，体积一般比较庞大。气体激光器的特点：5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1960年末最早研制成功的气体激光器。属于惰性气体原子激光器。工作物质是氦氖

2、混合气体，发射激光的是Ne原子，He为辅助气体，作用为改善气体放电特性，提高激光器输出功率。主要波段在可见光到近红外区。多采用连续工作方式（输出几毫瓦到几十毫瓦）。输出光束质量很高。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的结构和激发机理He—Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。图1内腔式He—Ne激光器的结构放电管：通常由毛细管和储气室构成，是产生激光的地方。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体，当电极加上高电压后，毛细

3、管中的气体开始放电使氖原子受激发产生粒子数反转。储气室与毛细管相连，并不发生气体放电，其作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He、Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。He-Ne激光器的结构图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式根据放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。He-Ne激光器的结构图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图He-Ne管内气体放电时，He原子与高速电子碰撞，被激发到21S0、23S

4、1上，通过共振能量转移将处于基态上的Ne原子激发到2S和3S上。He气起提高Ne原子泵浦速率的作用He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S2P0.6328m2S2P1.15m3S3P3.39mHe-Ne激光器的激发机理图(5-10)是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。2.He-Ne激光器的输出特性（1）谱线竞争:多条谱线对应同一个激光上能级，存在对共有能级上粒子数的竞争，一条谱线产生振荡后，用于其他谱线的

5、反转粒子数减少，将使其他谱线的增益和输出功率降低，甚至完全抑制。这就是谱线竞争效应。哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。0.6328m和3.39m两条谱线具有相同的上能级，存在强烈竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，3.39m谱线的增益远大于0.6328m谱线的增益系数，因此虽然反射镜对0.6328m波长的光有较高的反射率，仍需采用色散法、吸收法或外加磁场法等方法抑制3.39m辐射的产生。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输

6、出功率影响很大。图(5-11)不同充气压强下输出功率与放电电流的关系曲线每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电电流。它与气体混合比及总压强有关。He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。Ne原子比例过小，输出功率减小。He的电离电位较低，其比例过大会因电离过多而使电子离子数目增加，在较低的电场就能维持一定的放电电流，低电场导致的电子温度（平均动能）下降使激发速率降低，输出功率随之下降。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。最佳放电电流附近，输出功率的变化不

7、大。实际使用时，对最佳放电电流要求不严，有利于工作状态的调整。He-Ne激光器的输出特性(2)输出功率特性:He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11)不同充气压强下输出功率与放电电流的关系曲线若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。He-Ne激光器的最佳pd值大约为4.8~5.3×102Pa·mm。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。原因：通过受激辐射跃迁到激光下能级的Ne原子借助自发辐射转移到亚稳态1S能级，然后通过与管壁碰撞释放

8、能量的途径返回基态。如果管径d增大，原子与管壁碰撞机会减小，滞留在1S能级的Ne原子可能吸收自发辐射光子重新返回激光下能级，从而导致反转粒子数的减少。He-Ne激光器的输出特性工作物质：CO2、He、N2的混合气体激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命。输出波长：=10.6m9.6m对人眼危害小CO2激光器是输出功率最高的气体激光器，连续输出功率可达104W