二氧化碳激光管

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CO2激光器

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CO2激光器

发布日期:2019-05-22 00:00 来源:http://www.rdjhjg.com 点击:

工作原理

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CO₂分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论,CO₂有三种不同的振动方式:①二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。 [1] 
能量水平图能量水平图
图1简单的二氧化碳分子能量水平图
二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。基本的能量网状见图1。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体(通常30-50托)形成的等离子(电浆)。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说,在等离子里,分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态(00o1)其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发,这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子(一种波长10.6μm的光束)。偶然的,这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。 [2] 

激发过程

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CO2激光器中,主要的工作物质由CO₂,氮气,氦气三种气体组成。其中CO₂是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛豫过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO₂激光器中起能量传递作用,为CO₂激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。 CO₂分子激光跃迁能级图  CO₂激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO₂分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,CO₂分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。 [1] 

结构

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激光管

是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成,一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管,第2层为水冷套管,最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响,主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应,应根据管长而定。管长的粗一点,管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内,每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体,使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接,即储气管的一端有一小孔与放电管相通,另一端经过螺旋形回气管与放电管相通,这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动,放电管中的气体随时交换。 [1] 

光学谐振腔

CO2激光器的谐振腔常用平凹腔,反射镜用K8光学玻璃或光学石英,经加工成大曲率半径的凹面镜,镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜,在波长10.6μm处的反射率达98.8%,且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料,因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料,以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外,形成一束激光。 [1] 

电源及泵浦

封闭式CO2激光器的放电电流较小,采用冷电极,阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30~40mA的工作电流,阴极圆筒的面积500cm2,不致镜片污染,在阴极与镜片之间加一光栏。  泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理,直流电压为把市内的交流电压,用变压器提升,经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

分类

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(1)按输出方式分
1)连续输出;
2)脉冲输出——调制频率高达1MHz;
3)Q开关输出——电光调Q与声光调Q。
(2)按谐振腔的工作分
1)波导腔——孔径D=1~3mm;
2)自由空间腔——孔径D=4~6mm。
(3)按激励极性分
1)单相;
2)反相。
(4)按腔体结构分
1)单腔;
2)多腔;
(a)折叠腔:V型——2折;Z型——3折;X型——4折。
(b)列阵腔:短肩列阵;交错列阵。
(c)积木式:并联—2腔;三角组联—3腔。
3)大面积放电
(a)平板型,(b)同心环型。
(5)按均恒电感分布方式分
1)准电感谐振技术—用于低电容激光头;
2)平行分布电感谐振技术—用于高电容激光
头。
(6)按谐振腔材料分
1)陶瓷—金属混合型;2)全陶瓷型;3)全金属型。
(7)按冷却方式分
1)空气冷却;2)水冷却。
(8)按封装方式分
1)封离型;2)流动型。
谐振腔的材料一般为:金属—A1。陶瓷—BeO,BN、AIN、Al2O3等。

波长的因素


半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带?导带上面可以让电子自由运动?而价带下面可以让空穴自由运动?导带和价带之间隔着一条禁带?当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时?就把光的能量变成了电?而带有电能的电子从导带跳回价带?又可以把电的能量变成光?这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪?使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情?也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。


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