二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤课件
二氧化碳激光器的原理
二氧化碳激光器的原理
二氧化碳激光器是一种基于CO2分子激光原理的激光器。
其
工作原理是通过在一个由带电的电极和一个具有反射镜的管道中加入合适的混合气体，产生激发CO2分子的电流放电，使
得CO2分子跃迁到较高的能级，并在这个跃迁的过程中释放
出能量。
具体来说，二氧化碳激光器的工作原理可以分为三个步骤：
1. 激发态产生：在电流放电的作用下，电子会与CO2分子碰
撞并激发CO2分子至激发态。
这些激发态分子具有较高的能量。
2. 跃迁过程：当激发态的CO2分子与其他的CO2分子碰撞时，它们会通过非辐射的碰撞跃迁到一个较低的激发态。
在跃迁过程中，CO2分子会释放出特定的光子能量。
3. 光放大：通过将一端的管道设置为输出窗口，可以将产生的光线透过窗口放大，形成激光束。
其中，管道的两端都是具有高反射能力的反射镜，它们可以将光子反射回管道中，形成来回反射的光束，最终形成激光束。
总结来说，二氧化碳激光器的工作原理是通过电流放电使
CO2分子激发，产生特定波长的光子能量，并通过反射镜的
反射将光线放大形成激光束。
它在工业、医疗和科学研究等领域有着广泛的应用。
CO2激光器详解培训课件
、Xe
* 2
H等g ，2*
另一类是异核型准分子 (Exciplex)，如惰性气体的氧化
物和卤化物 XeO、* XeF等*，以及金属卤化物 HgC等l * 。
2020/6/9
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An excimer laser is a specific type of molecular gas laser that produces high intensity light in the ultraviolet (UV) range of the electromagnetic spectrum. The UV light source is a Lumonics PM-848k excimer laser, which can be configured to operate with either a KrF (krypton-fluoride) gas mixture at 248 nm or an ArF (argon-fluoride) gas mixture at 193 nm. The excimer laser beam will be used for microfabrication in a wide range of absorbing materials. Any feature down to a size of 2 mm can be etched into a surface in a fraction of the processing time of standard photolithography. The range of applications will cover accurate and rapid scribing, drilling holes through the substrate, and creating complicated patterns and devices out silicon and plastics alike.
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
概述
光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈 。在CO2激光器中的光学谐振器由全反射镜 和部分反射镜组成，光学谐振腔通常的作用 ：控制光束的传播方向、选择被放大的受激 辐射光频率以提高单色性、增加激活介质的 工作长度、谐振腔的参数影响输出激光束的 质量。
能级
1、粒子数反转（激光产生的基本条件）
波长范围：
气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外—远红外波段。
气体激光器
三、Co2激光器 CO2 激光器是一种混合气体激光器, CO2 为工作物质, 是提N高2激、光He器、的C输O、出X功e、率H和2 效O、率H。2 与O2 等为辅助气体,其作用 CO2激光器的输出特性有两个显著的特点:
其一是输出功率或能量相当大,能量转换效率高。 续输C出O功2 激率光最器高连的续器输件出;脉功冲率输可出达能数量十可万达瓦数,是万所焦有,脉激宽光可器压中缩连 到纳秒量级,脉冲功率密度可达太瓦量级。
气体激光器
氦:在CO2 +N2 混合气体中,加入适量的He(He的含量可以是 CO2 的4～5倍)可以大幅度提高输出功率。其原因是:He原子 质量轻,导热率高(其导热率比CO2和N2高约一个数量级),可有 效降低工作气体温度,提高输出功率。另外He对CO2分子激光 下能级100 0、020 0和011 0的弛豫作用远大于其对激光上能级 000 1能级的弛豫作用,有利于实现粒子数反转。在高气压CO2 激光器中,He的主要作用是改善气体放电的均匀性。
光谱能被吸收后，会导致原子由低能级向高 能级跃迁，部分跃迁到高能级的原子又会跃 迁到低能级并释放出相同频率单色光谱。
激光的特点
激光与普通意义上的光源相比较激光主要有 四个特点：方向性好、亮度极高、单色性好 、相干性好。
二氧化碳激光器的原理
二氧化碳激光器的原理什么是二氧化碳激光器二氧化碳激光器是一种基于二氧化碳分子转换能量的激光装置，又称CO2激光器，是激光技术中最为常用的激光器之一。
二氧化碳激光器具有光束成形优良、聚束能力强等优点，是工业、医疗和科研等领域常用的激光器。
二氧化碳激光器的工作原理所谓的二氧化碳激光器，就是利用二氧化碳分子的转换能量，产生激光。
具体来说，二氧化碳激光器是一种分子激光，其激光的波长为10.6微米。
二氧化碳分子的转换能量是由某些特定的原子（如电子）被激发所产生的。
二氧化碳激光器最常用的激发方式是电子束激发。
在电子束场的作用下，二氧化碳分子中的碳离子电子发生激发跃迁，跃迁后会释放出一部分能量，这部分能量便会被聚焦到一个光学谐振腔之内，进而形成激光。
二氧化碳激光器的光路二氧化碳激光器光路主要由激光管、反射镜、非线性晶体和输出稳健器组成。
激光管内充满了稀薄的二氧化碳气体，这个气体在加热和激励的作用下，会产生激光。
光路结构中的重要部件是反射镜。
反射镜通常由高反射性光谱镀膜的金属镜片组成，它们形成一个光学谐振器，是激光产生、放大和稳定输出的基础。
非线性晶体用于进行调制和调频，输出稳健器则是用于保持激光的稳定性和连续性输出。
二氧化碳激光器的应用二氧化碳激光器由于其稳定性高、成本低等特点，被广泛应用于各种领域中。
例如，在工业上，二氧化碳激光器被用于金属制品切割、激光打标、激光焊接、雕刻等；医疗上，二氧化碳激光器则是常用的切割、烧灼、手术等治疗方式，特别是用于皮肤等薄壁组织的手术，其效果较好。
总结二氧化碳激光器是一种基于二氧化碳分子转换能量，产生激光的激光器。
其工作原理是利用电子束激发方式，将二氧化碳分子中碳离子电子进行激发跃迁，进而产生激光。
在生产制造和医疗方面，二氧化碳激光器有广泛的用途，具有光束成形优良、聚束能力强等优点。
co2 激光 工作原理
co2 激光工作原理
CO2激光器的工作原理是基于气体放电放出带有特定波长的
激光光束。
CO2激光器的主要组成部分包括一个带有金属电
极的放电管和能量供给系统。
CO2激光器内的放电管由一个CO2混合气体组成，主要包括CO2分子、N2分子和He原子。
当高压电流通过放电管时，
气体分子被电离，形成电子和正离子。
在电场的作用下，电子与气体分子发生碰撞，使气体分子激发到高能级。
当气体分子从高能级跃迁到低能级时，会释放出一定的能量，这部分能量被传递给CO2分子。
CO2分子在受到能量激发后，会发生自
发辐射跃迁，产生同轴分布的中红外光。
这种中红外光具有波长约为10.6微米，相对较长的波长。
放电产生的辐射能量随后被反射镜聚焦形成束流，并通过光学系统进行调整和合束，最终形成一个高功率、高能量的CO2
激光束。
该激光束可以在空气中传播，用于切割、打孔、焊接、刻蚀等应用。
同时，CO2激光器还可以通过调整参数，实现
连续波或脉冲工作模式，以满足不同应用的需求。
二氧化碳激光原理
二氧化碳激光原理
二氧化碳（CO2）激光是一种常见的气体激光器。
它的工作原理基于带电气体（常用的是混合的 CO2、N2、He 气体）中的
能级传递过程。
首先，一个带有高电压的电极通过电击使得气体放电，产生等离子体。
接着，电子与气体分子碰撞，使得气体分子的电子能级发生变化。
当气体分子的电子跃迁至高能级时，这些高能态的分子处于不稳定状态，会通过自发辐射等机制向低能态跃迁。
这个退激发过程会释放出弛豫辐射（relaxation radiation）的能量。
在 CO2 激光器中，这个能量释放过程通过另外两种分子进行
传递：N2 和 CO2。
首先，大约 70% 的能量由 N2 分子吸收，
并使 N2 分子电子能级跃迁至振动激发态。
随后，与 N2 分子
碰撞的 CO2 分子会吸收这些振动能量，并使 CO2 分子的振动
激发态转变为致辐射激发态。
最后，CO2 分子退激发时，会
通过辐射跃迁释放出激光光子。
CO2 激光器的激光束通常是长波红外线，波长约为10.6 微米。
由于这种波长的光可以很好地被大部分非金属材料和生物体吸收，因此 CO2 激光被广泛应用于切割、焊接、打孔等工业领域。
总结而言，CO2 激光的工作原理是通过气体分子的能级跃迁
过程，在特定的混合气体中产生光子放射，从而实现激光光束的发射。
这种激光在工业领域有着广泛的应用。
二氧化碳气体激光器的工作原理
二氧化碳气体激光器的工作原理
二氧化碳气体激光器的工作原理可以简单概括为三个步骤：能级激发、能级跃迁和光放大。
首先，通过电子激发或其他外部能量输入，将二氧化碳气体中的分子激发到高能级。
这个过程需要提供足够的能量，以克服分子内部的束缚力，使分子中的电子跃迁到高能级。
接着，激发到高能级的二氧化碳分子会在非常短的时间内经历自发辐射的过程，即能级跃迁。
在这个过程中，激发态的电子会从高能级跃迁回到低能级，释放出能量。
最后，通过在激发态和基态之间建立的光学谐振腔，将激发态返回基态的过程中释放出的能量进行放大。
这个过程发生在由两个反射镜构成的光学谐振腔内，其中一个镜子是部分透明的，使得一部分光线可以逃逸出来，形成激光输出。
二氧化碳激光器的典型能级跃迁路径是从振动激发态到振动基态。
由于二氧化碳分子的能级结构，二氧化碳激光器通常在10.6微米的波长范围内工作。
此外，交变电场可以使CO2分子发生共振吸收，吸收的能量被转化为分子内振转和振动能，从而提高CO2分子的内能，达到激发的目的。
程控装置可以根据需要调整激发电流的频率和脉冲宽度，以控制激光输出的功率和作用时间。
二氧化碳气体激光器的工作原理涉及到能级激发、能级跃迁、光放大和共振吸收等过程，通过这些过程产生高能量、高度聚焦的激光束。
二氧化碳激光发生器原理
二氧化碳激光发生器原理激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而二氧化碳激光发生器是其中一种常见的激光发生器。
它利用二氧化碳分子的能级结构和电子能级跃迁来产生激光。
下面将详细介绍二氧化碳激光发生器的原理。
1. 激光介质二氧化碳激光发生器的激光介质是由二氧化碳分子（CO2）组成的混合气体。
在激光介质中，二氧化碳分子的能级结构对激光的产生起着决定性的作用。
2. 能级结构二氧化碳分子的能级结构包括基态和激发态。
基态是指二氧化碳分子中的电子处于最低能级的状态，而激发态是指电子被激发到较高能级的状态。
3. 激发机制二氧化碳分子的激发机制主要有电子冲击和能量传递两种方式。
其中，电子冲击是通过电子束或电子束轰击二氧化碳分子，将电子能量转移到分子内部，使分子的电子跃迁到激发态。
能量传递是指通过与其他激发态分子碰撞，将能量传递给基态分子，使其激发。
4. 能级跃迁当二氧化碳分子的电子被激发到激发态后，会经历一系列的能级跃迁过程。
其中最重要的是从激发态到激发态的电子能级跃迁。
这些能级跃迁产生了激光所需的能量。
5. 激光产生当二氧化碳分子中的电子从激发态跃迁回基态时，会释放出一部分能量。
这些能量以光子的形式被释放出来，形成激光。
由于二氧化碳分子的能级结构和电子能级跃迁的特性，二氧化碳激光发生器产生的激光波长通常在10.6微米左右。
6. 激光放大在二氧化碳激光发生器中，激光波长为10.6微米的光线会通过激光谐振腔来进行放大。
激光谐振腔是由两个反射镜构成的光学腔体，其中一个镜子是部分透明的，允许激光光线出射。
当激光光线经过激光谐振腔多次反射和放大后，最终形成一束强大的激光束。
7. 激光应用二氧化碳激光发生器产生的激光具有许多广泛的应用。
在工业领域中，它被用于切割、焊接、打孔、打标等工艺。
在医疗领域中，它被用于手术刀、皮肤美容、激光治疗等。
此外，二氧化碳激光还被用于科学研究、气象观测、通信等领域。
总结：二氧化碳激光发生器利用二氧化碳分子的能级结构和电子能级跃迁来产生激光，通过激发和能级跃迁的过程释放出能量，形成激光。
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二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
• 输出特性
气体激光器 气体和金属蒸气作为工作物质。 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将气
体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁发 生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有CO2、 CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光器的典 型代表是CO2 激光器。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
概述
• 光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈。在CO2激光器中的 光学谐振器由全反射镜和部分反射镜组成，光学谐振腔通常的作 用：控制光束的传播方向、选择被放大的受激辐射光频率以提高 单色性、增加激活介质的工作长度、谐振腔的参数影响输出激光 束的质量。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
• 氙:在CO2 +N2 +He混合气体中,加入少量的Xe,可使输出功率 进一步提高约30%～40%,能量转换效率提高10%～15%。原因 是:Xe的电离电位低,加入后可增加放电气体中的电离度,使E/N值 降低(充有Xe的放电管管压降可以下降20%),从而提高激光器的 效率。混合气体中Xe的含量有一最佳值,一般其分压强在107～ 160Pa之间。Xe的含量不可过高,过高虽使电子密度增加,但电子 碰撞机会也随之增加,导致电子温度下降。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
• 激励方式 气体激光器一般采用气体放电激励，射频激励电能利用率高，放电稳定，可 实现大面积均匀放电，因而可按增益面积比例提高器件的输出功率，使大功 率器件的体积大为缩小，板条式激光器的放电面积每平方厘米功率输出 1.5W到2W；射频能量可以通过介质材料进行放电。如陶瓷介质，射频电极 在波导外，射频能量可以透过陶瓷介质直接馈入到激光器工作气体中去，因 此激光谐振腔内减少电极溅射与污染，有助于延长激光器的寿命。
能级 • 1、粒子数反转（激光产生的基本条件）
E2
粒子数反转
E1
在通常情况下，处于低能级E1的原子数 大于处于高能级E2的原子数，这种情况
得不到激光。为了得到激光，就必须使
高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的 原子数目，因为E2上的原子多，发生受
激辐射，发出光。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
• 波长范围： 气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外—远红外波段。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
气体激光器 三、Co2激光器 CO2 激光器是一种混合气体激光器, CO2 为工作物质, 是提高N2激、光H器e、的C输O出、功Xe率、和H2效O率、。H2 与O2 等为辅助气体,其作用 CO2激光器的输出特性有两个显著的特点: 其一是输出功率或能量相当大,能量转换效率高。 续输出CO功2率激最光高器的连器续件输;脉出冲功输率出可能达量数可十达万数瓦万,是焦所,脉有宽激可光压器缩中到连 纳秒量级,脉冲功率密度可达太瓦量级。 其二是输出波长分布在9～18μm波段,已观察到的激光谱线二百多 条。 其中,9～11μm红外波段中最重要的输出波长10.6μm处于大气传 输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用, 且该波长对人眼安全。二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
能级
• 所有的光都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别 的吸收和释放都表现成为特定波长的光。
• 光谱能被吸收后，会导致原子由低能级向高能级跃迁，部分跃迁 到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出相同频率单色光谱。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
激光的特点
• 激光与普通意义上的光源相比较激光主要有四个特点：方向性好、 亮度极高、单色性好、相干性好。
含N2 组分的输出功率要高于含CO组分。
上述各种气体成分在CO2激光器中的主要作用:
氮:N2 是CO2 激光器中最主要的辅助气体,其作用主要是提高CO2 分子0001能级的激发速率,同时加快011 0能级的弛豫速率。加 入适量的N2 后,能明显提高输出功率。但其含量不能太高,因 总气压一定时,N2含量高,则CO2含量就相应降低,且放电时CO2 离解出的O会与N2 发生化学反应,生成N2 O和 NO,它们对CO2 分子的000 1能级有消二氧激化碳发激光作器原用理及。光学镜片的损伤
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
Hale Waihona Puke 气体激光器• 水蒸气和氢:
在CO2 +N2 +He混合气体中再加入少量的水蒸气或H2 ,能提 高器件的输出功率和使用寿命。原因是H2O 分子对CO2 分子 激光下能级100 0以及011 0能级的弛豫速率很大,且H2O分子振 动能级寿命很短,可以很快返回基态。H2 的作用与H2O 相同, 因CO2 分子在放电时会离解出O,H 2 与O合成H2O 。因H2 在 常态下是气体,其充入量比水蒸气更易于控制,故常用H2 代替 水蒸气。混合气体中,H2O和H2的含量一般在13.3～40Pa之间, 不能过高,因为它们除对激光下能级10 0 0和011 0有很强的抽 空作用外,对激光上能级00 0 1能级也有显著的消激发作用。 由于H2O和H2能对CO与O的复合起催化作用,故能延长CO2 激光器的使用寿命。
激光原理与技术
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
光
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
概述
一、 激光器的基本结构
激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分构 成。
激光器的基本结构
工作物质是激光器的核心,是激光器产生光的受激辐射放大作用 源泉之所在。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转分布提供所需能源。工作 物质类型不同,采用的泵浦方式不同。
气体激光器 D气体成分
实验发现,当CO2 激光器中充有适量的N2 、CO、Xe、Ne、H2 、 H2O等气体时,输出功率显著提高。而当充有Ar、N2 O等气体 时,输出功率则显著下降。为提高输出功率,CO2 激光器都充有 不同组分的辅助气体,主要分为含N2 组分与含CO组分两种。 • 含N2 组分为CO2 +N2 +He+Xe+H2 , • 含CO组分为CO2 +CO+He+Xe,
气体激光器
• 氦:在CO2 +N2 混合气体中,加入适量的He(He的含量可以是 CO2 的4～5倍)可以大幅度提高输出功率。其原因是:He原子质 量轻,导热率高(其导热率比CO2和N2高约一个数量级),可有效降 低工作气体温度,提高输出功率。另外He对CO2分子激光下能级 100 0、020 0和011 0的弛豫作用远大于其对激光上能级000 1能 级的弛豫作用,有利于实现粒子数反转。在高气压CO2激光器 中,He的主要作用是改善气体放电的均匀性。