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第三章 典型激光器 任课教师：左青卉 激光器分类 激光器分类 CO2分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。 一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生: 0001→1000跃迁产生10.6um波长的激光光0001→0200跃迁产生9.6um波长的激光。 由于以上跃迁具有同一上能级,而且0001→1000跃迁的几率大得多,所以C02激光器通常只输出10.6μm激光。若要得到9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10.6um激光振荡。 二氧化碳激光器 3.2 气体激光器 CO2激光器的输出特性 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，以及气体混合比有关。 实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。 例如：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) 放电特性 二氧化碳激光器 3.2 气体激光器 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就是说，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，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。 (2) 温度效应 二氧化碳激光器 3.2 气体激光器 Ar+离子激光器 Ar＋激光器的结构 由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。 图3-13 分段石墨结构Ar+激光器示意图 3.2 气体激光器 Ar+激光器的激活粒子是Ar+， Ar+激光器的激发过程分两步进行：①通过气体放电，将氩原子Ar电离；②再通过放电激励将Ar+激发到激光上能级。 中性Ar原子在放电过程中，与快速电子碰撞后电离，形成处在基态P5上的Ar+离子。该基态Ar+离子再与高速电子碰撞，被激发到高能态。当激光上下能级间生产粒子数反转时，即可生产激光。其中激光上能级为3P44P1，激光下能级为3P44S1，最强发射谱线位于528.7nm和514.5nm。 图3-14 产生激光有关的Ar+的能级结构图 Ar＋激光器的激发机理 Ar+离子激光器 3.2 气体激光器 激光跃迁上能级(3P44P )粒子的积聚主要通过三种途径实现: (1)基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到3P44P 能级; (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。 由于Ar原子的电离能量(≈15eV)和激光跃迁上能级的激发能量(≈20eV)较高,正常运转所要求的平均电子动能(电子温度)很高。为了提高电子温度，氩离子激光器中的充气压强一般在150Pa以下。但低压强又意味着Ar原子密度小，为了提高电离和激发速率，必须增加放电管内的电子密度。 Ar+离子激光器 3.2 气体激光器 Ar＋激光器的工作持性 (1)多谱线工作 激光跃迁发生在Ar+的电子组态3P44P和3P44S之间。前者的寿命约为10-8s，后者通过自发辐射迅速消激发，其寿命约为10-9s。由于3p44P和3P44S电子组态均对应若干子能级，所以连续工作的氩离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线,对应每条谱线都有一个阈值电流 。其中以488nm和514.5nm谱线最强。在谐振腔内插入棱镜等色散元件，可以获得单谱线激光。 Ar+离子激光器 3.2 气体激光器 (2)输出功率与放电电流的关系 由于Ar+激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图5-15示出了其间的关系曲线。 图3-15 Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线 放电电流较小时输出功率与放电电流成四次方的关系，随着放电电流的增大，输出功率与放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速度变慢。 Ar+离子激光器 3.2 气体激光器 3.3 染料激光器 染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质，用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。 染料激光器 染料激光器激光工作物质 染料分子能级的特征可用“自由电子”模型说明。复杂的染料大分子中分布着电子云，电子云中的2n个电子与势阱中的自由电子相似。当分子处于基态时，2n个电子填满n个