第二讲第二讲 气体激光器气体激光器 气体放电基本原理气体放电基本原理 He-Ne激光器激光器 Ar+激光器激光器 CO2 激光器激光器 v以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质。可以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质。可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大类。分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大类。优点：优点： 1. 1. 工作物质均匀一致。保证了激光束光束质量，大部分工作物质均匀一致。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。相干性和单色性优于固体、半导体激光器。 2. 2. 谱线范围宽。有数百种气体和蒸气可以产生激光，已谱线范围宽。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，甚至到真空紫外波段，甚至x x射线、射线、射线波段。射线波段。v发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化气体激光器的特点气体激光器的特点气体激光器的泵浦气体激光器的泵浦 由由于于气气体体工工作作物物质质的的吸吸收收谱谱线线宽宽度度小小，不不宜宜采采用用发发射射连连续谱的非相干光源泵浦，续谱的非相干光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。通常采用气体放电泵浦方式。 在在放放电电过过程程中中，受受电电场场加加速速而而获获得得了了足足够够动动能能的的电电子子与与粒粒子子碰碰撞撞时时，将将粒粒子子激激发发到到高高能能态态，在在某某一一对对能能级级间间形形成成了了粒子数反转分布。粒子数反转分布。 还可以采用还可以采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦化学泵浦、热泵浦和核泵浦。应用应用 与与其其它它种种类类的的激激光光器器比比较较，气气体体激激光光器器的的突突出出优优点点是是输输出出激激光光的的质质量量好好。因因此此，气气体体激激光光器器在在各各个个领领域域得得到到了了愈愈来来愈多的应用。愈多的应用。第一章第一章 气体放电基本原理气体放电基本原理（一）（一） 气体放电基本过程气体放电基本过程v 在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离气体称之为气体称之为气体放电现象气体放电现象。v常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体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电离度很少有超过0.1的。的。v气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间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、化学作用相互作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。的系统。 1、气体放电粒子种类、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子中性气体粒子：没有电离前已存在粒子，激光工作：没有电离前已存在粒子，激光工作物质及其辅助气体。物质及其辅助气体。 （2）带电粒子带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放：电子、负离子、正离子；其中电子对放电起主导作用。电起主导作用。 （3）受激粒子和光子受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产：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，激发态粒子从上能级向激发态，成为激发态粒子，激发态粒子从上能级向下能级跃迁时，会辐射光子。下能级跃迁时，会辐射光子。 一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律（1）弹性碰撞和非弹性碰撞）弹性碰撞和非弹性碰撞 a) 弹性碰撞弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不：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。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。作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。 b) 非弹性碰撞非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内：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。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、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布等。受激能级的粒子数分布等。 2、粒子碰撞的基本规律、粒子碰撞的基本规律 （2）碰撞能量转移）碰撞能量转移 A. 弹性碰撞弹性碰撞 特点：碰撞前后动能和动量不变特点：碰撞前后动能和动量不变 结果：平均能量损失率为结果：平均能量损失率为若若m1 16eV1S52p53p(2P) 18eV2P102p54p(3P)20eV3P101S42P93P91S32P83P81S22P73P72p54s(2S) 19eV2S52P63P62S42P53P52S32P43P42S22P33P32p55s(3S)20eV3S52P23P23S42P13P13S33S22.He-Ne激光器的激发机理激光器的激发机理(1)电子直接碰撞激发电子直接碰撞激发 放电空间的快速电子放电空间的快速电子e*和氖原子发生非弹性碰撞，使得氖原和氖原子发生非弹性碰撞，使得氖原子直接被激发到激发态。子直接被激发到激发态。 e*+Nee + Ne* (2S, 2p54s; 3S, 2p55s)。 激发到激发到3S和和2S上的几率非常小（和激发到上的几率非常小（和激发到1S和和2P相比），相比），所以通过这种方法激发的粒子数很少，不能实现粒子数反转分所以通过这种方法激发的粒子数很少，不能实现粒子数反转分布。布。 (2)共振能量转移激发共振能量转移激发 He原子的激发原子的激发 在在一一定定放放电电条条件件下下，具具有有一一定定能能量量的的电电子子和和基基态态的的氦氦原原子子发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞时时将将氦氦原原子子激激发发到到激激发发态态23S1和和21S0，23S1(10-4秒秒)和和21S0(10-2秒秒)是是亚亚稳稳态态，寿寿命命较较长长，因因此此, 可可以以积积聚聚大大量量的的激激发发态态的的氦原子。氦原子。 He(11S0)+e*He*(21S0)+e He(11S0)+e*He*(23S1)+e 能量共振转移能量共振转移 由由于于23S1和和21S0上上的的氦氦原原子子的的能能量量与与3S、2S能能级级上上氖氖原原子子的的能能量量几几乎乎相相等等，两两者者碰碰撞撞很很容容发发生生能能量量转转移移，两两者者都都是是亚亚稳稳态态，电电子子碰碰撞撞截截面面大大，转转移移几几率率很很高高，可可达达95。当当二二者者发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞时时，将将把把能能量量传传递递给给氖氖原原子子，并并把把氖氖原原子子激激发发到到3S和和2S能能级级上上，这个过程称为能量共振转移这个过程称为能量共振转移 He*(21S0)+Ne(11S0)Ne*(3S)+He(11S0)+0.048eV He*(23S1)+Ne(11S0)Ne* (2S)+He(11S0)+0.039eV配气比例配气比例PHe: PNe= 6:1，加大共振转移几率，加大共振转移几率 (3) 串级激发串级激发 基态基态Ne与电子碰撞跃迁到更高的能级，然后再跃迁到与电子碰撞跃迁到更高的能级，然后再跃迁到2S和和3S能级，和前面两种激发相比要小得多。能级，和前面两种激发相比要小得多。 (4) 激光下能级的激发与驰豫激光下能级的激发与驰豫下能级下能级Ne(2P、3P)激发激发主要是电子碰撞激发。主要是电子碰撞激发。 Ne(11S0)+e*Ne(2P、3P)+e驰豫驰豫由辐射选择定则知道，由辐射选择定则知道，2P、3P与基态之间禁戒跃迁与基态之间禁戒跃迁，这些能级上的粒子主要通过这些能级上的粒子主要通过自发辐射自发辐射向向Ne(1S)能级驰豫，且驰能级驰豫，且驰豫速度非常快。它们的平均寿命只有豫速度非常快。它们的平均寿命只有10-8s。Ne(1S)上的粒子主上的粒子主要通过与其他粒子及要通过与其他粒子及管壁碰撞管壁碰撞而回到基态。而回到基态。 3.He-Ne激光器的激光辐射激光器的激光辐射(1)粒子数反转粒子数反转 由由于于3S寿寿命命(10-6s)比比3P和和2P的的寿寿命命(10-8s)长长，2S寿寿命命(10-6s)比比2P的的寿寿命命(10-8s)长长，因因此此，当当3S和和2S积积聚聚的的氖氖原原子子足足够够多多时时，会会在在3S和和3P、3S和和2P、2S和和2P能能级级之之间间形形成成粒粒子子数数反反转转，通通过过受受激激辐辐射射产产生生激激光光输输出出。由由于于S能能级级和和P能能级级都都是是由由多多条条能能级级组组成成，所以可产生上百条谱线。所以可产生上百条谱线。 He Ne He-Ne原子能级分布示意图原子能级分布示意图 (2)He-Ne激光器主要激光谱线激光器主要激光谱线 主要的激光谱线有三条：主要的激光谱线有三条：3S2P，输出激光波长为，输出激光波长为632.8nm，为红色激光。，为红色激光。(有十条谱线输有十条谱线输出出)2S2P，输出激光波长为，输出激光波长为1150nm，为红外激光。，为红外激光。3S3P，输出激光波长为，输出激光波长为3390nm，为红外激光。，为红外激光。 目前商用的目前商用的He-Ne激光器的主要谱线是激光器的主要谱线是632.8nm，为红色激，为红色激光。光。除此之外还有黄色除此之外还有黄色(594nm)、绿色、绿色(543nm)、橙色、橙色(606nm、612nm) 。三、氦氖激光器的工作特性三、氦氖激光器的工作特性1.工作特性工作特性（1）电子温度）电子温度u 一定一定He、Ne比例下，放电管内电子温度随比例下，放电管内电子温度随pD值增大而下降；值增大而下降；pD值不变，电子温度也不变。值不变，电子温度也不变。u 对一种气体而言，存在一个最佳电子温度，这时的电子平均能对一种气体而言，存在一个最佳电子温度，这时的电子平均能量最有利于量最有利于激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。 pD值过大，电子温度过低，不易将值过大，电子温度过低，不易将He原子激发到上能级；原子激发到上能级； pD值过小，激光物质少，模体积小，衍射损耗大，电流密度过值过小，激光物质少，模体积小，衍射损耗大，电流密度过高，激光输出减小。高，激光输出减小。u应综合考虑各方面因素，寻求最佳电子温度。应综合考虑各方面因素，寻求最佳电子温度。v对对HeNe激光器一般选取的激光器一般选取的pD值为值为 41026.6102(Pamm)。v 对于不同成分的气体相同对于不同成分的气体相同pD值对应的电子温度是不同值对应的电子温度是不同的。越易电离的气体，电子温度越低。的。越易电离的气体，电子温度越低。Ne的电离电位较的电离电位较He低，其电离截面为低，其电离截面为He的两倍。所以在纯的两倍。所以在纯Ne气体中的电子温气体中的电子温度低于度低于He以及以及He、Ne混合气中的电子温度。混合气中的电子温度。（2）增益：）增益：光在单位距离内光强增加的百分比。光在单位距离内光强增加的百分比。 a. 放电参数的影响：放电参数的影响：增益增益G正比于粒子反转数。正比于粒子反转数。 放电电流与增益关系式放电电流与增益关系式 ： K0、K1、K2、K3、K4是与激光器的谱线、结构尺寸是与激光器的谱线、结构尺寸及放电参数有关的系数。可通过实验测定。及放电参数有关的系数。可通过实验测定。 在在电电流流逐逐渐渐增增大大、电电子子密密度度增增强强的的过过程程中中，激激光光上上能能级级的的粒粒子子最最初初呈呈线线性性增增长长。随随着着电电子子碰碰撞撞消消激激发发加加剧剧，粒粒子子增增长长速速度度减减缓缓，最最后后达达到到饱饱和和状状态态。而而激激光光下下能能级级的的粒粒子子在在此此过过程程中中始始终终保保持持着着线线性性增增长长的的