常用气体激光器讲解

二氧化碳激光器属分子气体激光器一、工作原理CO2分子有三种不同的运动形式：1.对称振动(b)2.形变振动(c)3.非对称振动(d)1、CO2分子运动方向相反1.CO2气体是工作物质，辅助气体有N2、He、Xe和H2等；2.N2在气体中起能量转移作用。N2分子受电子碰撞的概率很大，放电中使大量N2处于亚稳态。通过近共振碰撞把内能转移给CO2分子，实现粒子数反分布；3.He对CO2分子有冷却作用，也可加速下能级粒子数抽空；4.Xe的电离电位低，激光器内的气体易电离，使CO2分子能量转换效率提高10％～15％。同时在维持放电电流相同的情况下，加入Xe后可使放电电压下降20％～30％。5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空，H2O蒸汽有利于CO2分子的还原，可延长寿命。2、工作物质N2分子受到电子碰撞后被激发并和CO2分子发生碰撞，N2分子把获得的能量传递给CO2分子，使大量的CO2分子被激发到001能级时，能级001和能级100之间形成粒子数的反分布。3、CO2分子激发机理He原子质量小，运动速度快，频繁地碰撞CO2分子，高效地抽运010能级上的CO2分子，大大提高了粒子数反转程度。100能级和020能级的分子迅速跃迁到亚稳态010能级上。因此必须把跃迁到010能级上的CO2分子立即抽空，否则不利于粒子数的反转。二、基本结构纵向电激励水冷内腔式封离型CO2激光器的典型结构所谓封离型是指工作气体被密封在放电管内(由放电管、水冷管和储气管三层结构组成)。它的优点是结构简单、紧凑。但它的单位放电长度可输出的功率比其他结构的（如流动型和气动型）CO2激光器要低。折叠式CO2激光器（水冷套未画出）横向循环流动CO2激光器纵向流动CO2激光器三、输出特性1、能量转换效率高：20～25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)；2、常用的CO2激光器输出波长为10.6，属于中红外区，对人眼损害小；m3、连续输出功率可达万瓦级，常用电激励；4、温度效应转换效率最高也不会超过40％，这就是说有60％以上的能量转换为气体的热能，气体温度的升高，将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。使激光器的输出功率下降，因此，冷却问题是CO2激光器正常运转的重要技术问题。原子或分子因某种原因失去电子或获得电子的过程称为电离。若原子失去电子，称为正离子，反之则称为负离子。利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为离子激光器。氖、氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输出功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连续或脉冲输出。氩离子激光器一、工作原理激发过程一般分两步：气体放电后，放电管中的高速电子与中性氩离子碰撞，从氩离子中打出一个电子，使之电离，形成处在基态上的氩离子；该基态Ar+再与高速电子碰撞，被激发到高能态，当激光上下能级间产生粒子数反转时，即可产生氩离子激光。因此，氩离子激光器的激活粒子是Ar+。采取两次电子碰撞将氩原子激发到3p44P态要比直接碰撞、一次将氩原子激发到3p44P态的电子能量要小，后者只能在低气压放电中才有如此大的能量（35.5eV）。由于3p44P和3p44S能级上有许多不同的电子态，所以氩离子激光输出由丰富的谱线。最强的谱线波长是488.0nm、514.5nm。二、基本结构氩离子激光器包括：放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。氩离子激光器分段石墨放电管国产的氩离子激光管三、输出特点1、是一种惰性气体离子激光器，在离子激光器中输出效率最高；2、其输出波长较多，主要有514.5nm和488.0nm两个蓝绿色的谱线，是可见光区域中最强的激光器。；3、一般连续输出几瓦到十几瓦，甚至上百瓦。4、输出波长易被血红蛋白吸收，所以氩离子激光器对生物止血效果最好。在临床上主要用于外科手术，用它作“光刀”，尤其是上、下消化道出血时，氩离子激光器可以利用光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。表氩离子激光的可见光光谱线激光跃迁能级波长(nm)或率（W）4P2S01/2——4S2P1/2457.90.354P2D03/2——4S2P3/2472.70.304P2P03/2——4S2P1/2476.50.754P2D05/2——4S2P3/2488.01.504P2D03/2——4S2P1/2496.50.704P4D05/2——4S2P3/2514.52.004P4D03/2——4S2P3/2528.70.34准分子激光器一、工作物质“准分子”：不是稳定分子。它是混合气体受到外来能量激发所引起的一系列物理和化学的反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十毫秒。这类激光器的工作物质是受激的气体原子(如Ar、Kr、Xe，用Rg表示)和卤元素(例如F、Cl，用X表示)结合而成的准分子，如氟化氩(ArF)、氯化氪(KrCl)、氟化氙(XeF)等;二、工作原理通常情况下，基态的稀有气体原子化学性质稳定，因此呈两种气体混合状态（Rg+X）。但当它们受到激发时，如电子束的轰击或高压激励等，稀有气体原子就可能从基态跃迁到激发态，甚至被电离，这时很容易和另一个原子形成一个寿命极短的分子（RgX），这种处于激发态的分子称受激二聚物，简称准分子。RgX基态分子寿命极短，为10-13s量级，它沿着自己的势能曲线想核间距增大的方向移动，直至最终离解成独立的原子Rg+X。激发态RgX*能级寿命为10-8s量级，比基态稳定，因此很容易形成粒子数反转。三、基本结构准分子激光器的结构1．功率特性：准分子基态的电子迅速排空造成激光下能级总是空的，这样有利于离子数反转的形成，即使在超短脉冲下运转，从而可以获得较高的输出功率（10瓦量级）。2.输出波长:从真空紫外到可见光区域。3．脉冲特性：由于基态寿命短，即使是超短脉冲情况下，基态也可被认为是空的，因此准分子激光对产生巨脉冲特别有利。4.能够精确聚焦和控制，其切削精度非常高，每个光脉冲切削深度为0.2微米，能够在人的头发丝上刻出各种花样来。近视眼由于眼球的前后径太长，眼角膜前表面太凸，外界光线不能准确会聚在眼底所致。准分子激光矫正近视是用电脑精确控制的准分子激光，根据近视度数和有无散光在瞳孔区的角膜基质层进行刻蚀，使眼角膜前表面稍稍变平。从而使外界光线能够准确地在眼底视网膜上会聚成像，达到矫正近视的目的。准分子激光治疗近视眼的原理什么是LASIK手术?LASIK手术即准分子激光原位角膜磨镶术（LaserinSituKeratomileusis）：医生用角膜刀掀开一个角膜瓣，在瓣下角膜基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切削。患者术前检查的数据卡输入计算机，由计算机控制切削的范围和深度，削出一个光滑的曲面，相当于在角膜上切削出一个眼镜片，使视力变得清晰。它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术，在角膜表面切削一直径8毫米，厚0.16毫米的带蒂板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。制做角膜瓣准分子激光切削角膜瓣复位LASIK手术示意图角膜微切器切割角膜角膜瓣形成并翻转角膜中间基质切削区准备准分子激光切削角膜基质角膜瓣复位准分子激光角膜原位磨镶术完成智慧型大小光斑技术:根据不同的个人数据，系统自动调整光斑大小：光斑直径可在0.65-6.5mm范围内变化。可使复杂的角膜切削变得极为轻松。三维主动眼球跟踪技术:除对眼球在XY轴运动进行追踪外，还可以追踪眼球在Z轴的立体位移，可随眼球运动自动将激光调整到切削点，极大的加强了手术的安全性和精确性。高精度200Hz飞点扫描、193nm氟化氩（ArF)准分子激光和最优光传输系统的完美结合形成光斑直径0.8mm优化高斯光束染料激光器固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至红外波段，还出现了X射线波激光器。但是，一般激光器输出的波长都是固定单一的，至多也只是有几个波长，这在应用上有一定的局限性。为此人们研究了可调谐激光。染料激光器是液体激光器的一种，以染料为工作物质，如若丹明6G等，溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的能量转换效率很高，可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点是其输出波长在一定范围内连续可调，所以称为可调谐激光器。医学上常用的可调谐染料激光器有：N2激光泵浦可调谐染料激光器和Nd：YAG激光泵浦可调谐染料激光器等。工作原理染料分子能级图S0是基态，S1、S2是激发态。S0、S1、S2本身是由许多密集的振动转动能级组成的。在原子光谱里，不同电子态之间的跃迁产生一条锐的谱线；在分子光谱里，不同电子态（例如S1与S0）之间的跃迁将产生由一簇密集的谱线组成的谱带。染料分子的这种能级结构是染料激光器的输出波长在一定范围内可调的根本原因。一、染料分子能级染料分子能级图吸收了外来光子后，分子就从基态能级跃迁到S1态的较高的振动转动能上（图中A→b）。由于频繁的热交换，大多数被激发的分子无辐射地衰变到S1态的最低的振动转动能级上（图中b→B）。这样，在B与基态S0的较高的振动转动能级（图中a）之间就实现了粒子数反转。当反转达到阈值时，就可以产生激光。可见染料激光形成过程，经历了两次无辐射跃迁。二、染料分子的光辐射过程三、染料分子的三重态“陷阱”能级图中的T1和T2是三重态。由于三重态T1较单态S1低，所以处在S1中的分子很容易无辐射地跃迁到T1上，又因为T1与S0之间不产生辐射跃迁，而且T1的寿命较长，约为10-4～10-3s，所以T1态对于激发分子来说，相当于一个“陷阱”。当T1态上积累了足够的分子后，T1→T2的吸收将很快使激光器的增益下降，以致激光淬灭。通常采用的方法是在染料中加入三重态淬灭剂，缩短Tl的寿命。直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔及波长选择装置组成输出特性•1．输出激光波长可调谐某些染料激光波长的可调宽度达上百纳米，所以称为可调谐激光器。•2．由于染料分子能级的准连续宽带结构，其荧光谱范围也是准连续宽带，这既使得染料激光器在大范围内可调谐，目前由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒（10-15秒）量。•3．染料激光器的输出功率大，达数百毫瓦，可与固体激光器比拟，并且价格便宜。•4．染料分子是一种四能级级系统，由于S0的较高振动能级在室温时粒子数几乎为0，所以很容易实现粒子数反转，使得染料分子激光器的阈值很低。一、光栅调谐图示为一种光栅—反射镜调谐腔。光束与谐振腔轴成一个小角度θ（θ≈3°）。谐振腔由反射光栅G与一个镀有介质膜的反射镜M组成。光栅G具有扩束和色散作用，转动光栅就可以改变输出激光的频率。腔内插入一个法布里—珀罗标准具，摆动标准具可以进一步选择输出激光的频率。不插入标准具时，输出激光的线宽为0.05nm，插入标准具后，可获得线宽约为0.001nm的单模激光。输出特性二、棱镜调谐图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。由于棱镜的色散作用，一束来自M3、M2的不同波长的光，将有不同的折射方向。当旋转平面反射镜M1使其与某一波长的光垂直时，该波长光便能返回谐振腔，形成振荡。因此，旋转M1便可实现调谐作用。TunableLasersDyeLasers很多有机染料可以被用作激光介质。其中最常见的是若丹明6G（Rhodamine6G），溶于甲醇或者乙二醇。跃迁上下能级由于和溶剂的相互作用而分裂为连续的能带。分子被激发到上能带后迅速无辐射弛豫到上能带的最低能级，并由此向基态各能级跃迁，产生荧光辐射。辐射荧光曲线不随激发光源的改变而改变。如果将充有染料溶液的小室放置于激光腔内，并提供足够的泵浦能量，则可以放出激光。如果使用宽带激光反射镜，受激辐射在荧光发射曲线顶点的周围几十个Å附近发生。可以把反射镜用光栅代替。激发辐射带宽降低到0.5Å。通过转动光栅，可以让激光在整个荧光发射带范围内调节。泵浦可以用闪光灯来实现，得到的激光脉宽1ms，峰值功率大概几kW，重复频率1Hz。也可以用固定波长激光器，例如氮分子激光器，准分子激光器，铜蒸气激光器或倍频后的Nd