气体激光器
气体激光器
气体激光器具有输出光束质量高、转换效率高、结构简单、造价 低廉等优点。被广泛应用于工农业、国防、医励方式
电激励 光激励
气体放电 气体激光器最主要的激励方式 电子束激励
热激励
化学能激励
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气体放电激励
高压电场下，气体粒子发生电离而导电，在导电过程中，高 速电子与气体粒子（原子、分子、离子）碰撞，使后者激发到高 能级，形成粒子数反转。气体放电分为直流或交流连续放电、射 频放电和脉冲放电等。
作方式，输出功率在100mW以下，多用于检测和干涉计量。
离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射较强
的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件， 多用于扫描，医学及全息学等方面。
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分子激光器：
以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光 刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。
准分子激光器：
特点—发光都在紫外波段。 用途—用于微细加工，光刻及医学。 原理—不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量 的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁 产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。
6
化学能激励
利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能量来激励工作物质 ，建立粒子数反转而实现受激辐射。采用化学能激励的激光器称为化学 激光器，其最大特点是将化学能直接转换成激光，原则上不需外加电源 或光源最为激励原。
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气体激光器 —— 原子激光器，离子激光器，分子激光器，准分子
气体激光器原理
气体激光器原理
气体激光器是一种常见的激光器类型，它是利用气体放电产生激光的装置。
它的原理是利用气体在电场作用下发生电离放电，产生被激发态分子的能级上升，从而产生激光。
气体激光器的工作原理可以分为四个步骤：激发，扩散，反射和输出。
第一步：激发
在气体激光器中，气体通常被加热或电离来激发其原子或分子的能级。
这种能级激发可以通过不同的方法实现，例如电子束加热、电子激发或光激发等。
第二步：扩散
激发后的气体分子会在激发能级上升并达到临界能级时发射出激光。
这些激光被扩散在气体中，产生激光能量密度与气体浓度的关系。
第三步：反射
激发后的激光被反射回激发器中，再次激发气体分子。
这个过程通常用反射镜实现。
第四步：输出
激光通过输出镜从激光器中输出。
气体激光器的工作过程中，气体的种类、压力、温度、激发方式、激发电极的形状和位置等参数都对激光器的性能和输出功率有重要影响。
同时，气体激光器的输出波长也与气体的种类和激励方式有关。
气体激光器的应用非常广泛，例如在医疗、工业、研究和军事等领域。
其中，CO2激光器是工业生产中应用最广泛的气体激光器之一，可用于切割、焊接、打标和激光切割等领域。
此外，氦氖激光器、氖激光器和氩激光器等也有许多应用。
气体激光器是一种成熟而重要的激光器类型，其原理简单易懂，应用广泛，未来也必将在各个领域中继续发挥重要作用。
常用气体激光器讲解课件
01
气体激光器简介
定义与工作原理
定义
气体激光器是一种利用气体作为工作物质的激光器，通过激发气体中的原子或分子，使其跃迁至激发态，再通过 受激辐射产生光子，从而实现激光输出。
新型激光器件结构
02
通过优化激光器件结构，降低激光器的阈值，提高能量转化效
率，进一步减小激光器的体积和重量。
高效光束质量控制技术
03
发展新型光束质量控制技术，提高气体激光器的光束质量和聚
焦性能，满足高端应用领域的需求。
应用领域的拓展
医疗领域
随着激光技术的不断发展，气体激光器在医疗领域的应用将更加 广泛，如激光美容、激光治疗等。
通过改进光学系统和冷却系统等手段，减小气体 激光器的体积和重量，提高其集成度。
提高效率和稳定性
通过优化气体激光器的结构设计、选用高性能的 气体介质和提高制造工艺水平等手段，提高其光 电转换效率和稳定性。
拓宽波长范围
通过采用新型的气体介质和光学技术，拓宽气体 激光器的波长范围，以满足更多应用领域的需要 。
量子计算
利用单个光子进行量子信息的 传输和处理。
激光雷达
利用激光测量距离和速度，常 用于环境监测和无人驾驶技术 。
教学演示
用于演示光学、量子力学和化 学等领域的基本原理和现象。
06
气体激光器的未来发展前 景
技术创新与突破
新型气体激光材料
01
随着材料科学的进步，将会有更多高效的气体激光材料被发现
和应用，提高激光器的输出功率和稳定性。
应用
co2激光器光谱
co2激光器光谱CO2激光器（二氧化碳激光器）是一种使用二氧化碳分子产生激光的气体激光器。
它具有广泛的应用领域，包括医疗、工业、科研等。
CO2激光器的工作原理是通过电子激发二氧化碳分子，使其跃迁到激发态并发射光子，从而产生激光。
CO2激光器的光谱特性是其特有的光子发射光谱。
该光谱主要由二氧化碳分子的谱线组成，具有几个特征峰。
在一般的CO2激光器中，常用的工作波长是10.6微米。
CO2激光器在这个波长范围内具有很高的功率输出和较好的光束质量，因此成为常用的工业激光器。
CO2激光器的光谱特性与二氧化碳分子的能级结构有关。
二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子组成，其中碳原子与两个氧原子形成两个双键，其中一个是弱双键，另一个是强双键。
当CO2分子被电子激发时，激发态电子与CO2分子之间发生碰撞。
碰撞使激发态电子跃迁至高能级，产生激光辐射。
CO2激光器的光谱可以分为两个主要部分：热光和激射光。
热光是由CO2分子高能态自发跃迁到低能态时产生的，其波长分布在9.4至11.7微米之间，峰值波长为10.6微米。
热光通常具有较强的辐射强度，但光束质量较差。
激射光是通过反向性跃迁和产生受激辐射而产生的，并具有更窄的光谱线宽和更高的光束质量。
CO2激光器的光谱特性对其应用具有重要意义。
在医疗领域，CO2激光器可用于手术切割、切割和焊接，其波长与组织的吸收特性相匹配，因此具有较高的手术精度和效果。
在工业和制造领域，CO2激光器主要用于材料加工，如切割、打孔和焊接。
其高功率和较强的穿透力使其能够处理各种材料，并具有高效率和精确性。
在科学研究领域，CO2激光器可以用于大气研究、光谱分析等，其波长范围广泛，能够覆盖多种分子光谱。
总之，CO2激光器的光谱特性主要由二氧化碳分子的能级结构决定，其光谱包含热光和激射光。
这些光谱特性使CO2激光器在医疗、工业和科研等领域具有广泛的应用前景。
随着科技的发展，相信CO2激光器在未来将会有更多的应用和突破。
气体激光器工作原理
气体激光器工作原理
气体激光器的工作原理是：在激光器工作时，由输入激光的脉冲经过激发气体而产生大量的荧光。
这种荧光随频率、时间和能量而改变，荧光被激发到高能级上，在经过光学谐振腔后又回到原来的低能量级上，这种激光称为气体激光器。
激光器产生激光的过程是：当激励气体对腔内光信号进行吸收时，激发气体中的电子（被激发到高能级上）在光子的作用下跃迁到低能级上，电子跃迁时释放出大量能量，称为激光发射能。
当激光发射能达到一定值时，激光束就会发生弯曲。
在激光器中，只有当激射光束从受激辐射的光学谐振腔中发出时才能得到激光。
通常有两种类型的激光器：
（1）是固体激光器，其工作物质是由半导体、激光晶体等
材料组成；
（2）是气体激光器，其工作物质是空气中的氧气、氮气或
其它气体。
在气体激光器中，激发气体起着关键作用。
被激发的气体必须具有一定的能级结构并能发生跃迁。
如果激发气体不具备跃迁能力或跃迁能级与其基态不匹配，就不能发生跃迁。
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激光器产生激光的三个基本结构
激光器产生激光的三个基本结构一、引言激光器是一种能够产生单色、高亮度、几乎无散射的光束的装置，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
激光器的基本结构有三种，分别是气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
本文将详细介绍这三种激光器的基本结构及其工作原理。
二、气体激光器1. 气体激光器的基本结构气体激光器由放电管和反射镜组成。
放电管是一个密闭的玻璃管，内部填有稀薄气体（如氦氖气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
反射镜则是由两个平面镜或球面镜组成，其中一个反射镜具有一定透过率。
2. 气体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的气体被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得氦原子发生受激辐射，产生激光。
激光在反射镜间来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 气体激光器的应用气体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，二氧化碳激光器被广泛应用于工业加工领域，如切割、焊接和打孔等。
三、固体激光器1. 固体激光器的基本结构固体激光器由放电管和固态材料组成。
固态材料通常是掺有特定元素（如钕）的晶体或玻璃材料。
放电管则是一个密闭的腔体，内部填有闪烁物质（如氙气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
2. 固体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的闪烁物质被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得掺杂元素发生受激辐射，产生激光。
激光在固态材料中来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 固体激光器的应用固体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，钕掺杂的固态激光器被广泛应用于医疗领域，如眼科手术和皮肤美容等。
四、半导体激光器1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器由PN结和反射镜组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组合而成的结构，反射镜则是由两个端面反射镜组成。
2. 半导体激光器的工作原理当PN结加上正向电压时，电子从N型区域流向P型区域，与空穴复合产生辐射能量，产生激光。
常用气体激光器讲解
• 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。
染料分子能级图
二、染料分子的光辐射过程
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。
输出特性
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。
3、CO2分子激发机理
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。
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。
氦氖激光器工作原理
氦氖激光器工作原理
氦氖激光器是一种常见的气体激光器，它的工作原理基于氦氖混合气体在高电压的电场作用下产生激发态。
具体工作原理如下：
1. 激发氦气：氦氖激光器中的氦气通过电偶极矩的转变，由基态转变为激发态。
这是通过导电放电产生的电流传导能量的一种过程。
2. 能级跃迁：激发态的氦原子在经过短暂的存在后，会通过受激辐射的过程，跃迁到一个相对较低的能级。
在这个跃迁的过程中，会释放出光子。
3. 推进跃迁：激发态的氖原子在经过短暂的存在后，也会通过受激辐射的过程，跃迁到一个较低的能级。
在这个过程中，氖原子也会释放出光子。
4. 辐射耦合：氦氖激光器中的氮气分子起到了重要的作用，它们能够从氦原子和氖原子的跃迁中吸收光子，然后再通过碰撞的方式将能量传递给氦原子和氖原子，使它们能够持续地进行激发态和辐射的跃迁。
5. 碰撞放电：在氦氖激光器中，在辐射耦合的作用下，氦和氖形成的混合气体离子会通过电场的作用发生运动。
这个过程中，离子会与其他原子或离子进行碰撞，并将能量传递给它们。
这种碰撞放电的过程能够维持激发态的产生和能级的跃迁。
6. 光放大：在上述的过程中，产生的光在两个镜子之间的光学腔中来回反射。
其中一个镜子是完全反射镜，而另一个镜子是部分透射镜。
由于部分透射镜的存在，一部分的光能够逃逸出来，形成激光输出。
通过上述的工作原理，氦氖激光器能够产生出较为稳定和高功率的红光激光。
它在医疗、科研、显示技术等领域有广泛的应用。
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气体激光器
气体激光器是利用气体或蒸汽作为工作物质产生激光的器件。
气体激光器广泛应用于工农业生产、国防、科研、医学等领域，如计量、材料加工、激光医疗、激光通信、能源等方面。
气体激光器的原理
气体激光器由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。
主要激励方式有电激励、气动激励、光激励和化学激励等。
其中电激励方式Z常用。
在适当放电条件下，利用电子碰撞激发和能量转移激发等，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。
气体激光器一般采用气体放电激励，还可以采用电子束激励、热激励、化学反应激励等方式。
气体激光器波长覆盖范围主要位于真空紫外至远红外波段，激光谱线上万条，具有输出光束质量高(方向性及单色性好)、连续输出功率大(如CO2激光器)等输出特性，其器件结构简单、造价低廉。
气体激光器的应用
气体激光器是利用气体作为增益介质的激光器，一般是对气体放电进行泵浦。
气体种类有原子气体(氦氖激光器、惰性气体离子激光器、金属蒸汽激光器)、分子气体(氮气激光器、二氧化碳激光器)、准分子气体，还有通过化学反应提供泵浦能量的特殊气体激光器。
氦氖气体激光器(HeNe)是以75%以上的He和15%以下的Ne的混合气体作为增益介质，根据工作环境不同，可发出绿(543.5nm)、黄(594.1nm)、橙(612.0nm)、红(632.8nm)及三种近红外光(1152nm、1523nm和3391nm)，其中红光(632.8nm)Z为常用。
HeNe气体激光器输出的光束呈高斯分布，光束质量非常稳定，虽然功率不高，但在精密测量领域有着不俗的表现。
惰性气体激光器常见的是氩离子(Ar+)和氪离子(Kr+)。
其能量转化率Zgao 可达0.6%，可长期连续稳定输出30-50w的功率，寿命超过1000h。
主要用于激光显示、拉曼光谱、全息、非线性光学等研究领域以及医疗诊断、打印分色、计量测定材料加工及信息处理等方面。
金属蒸汽激光器以铜蒸气为例。
铜蒸气激光器主要输出绿光(510.5nm)和黄光(578.2nm)，可达到100w的平均功率和100kw的峰值功率。
其主要应用领域为染料激光器的泵浦源。
此外，还可用于高速闪光照相、大屏幕投影电视及材料加工等。
氮分子激光器以氮气为增益介质，可发射337.1nm、357.7nm、315.9nm 的紫外光，峰值功率可达45kw。
可作为有机染料激光器的泵浦光源，在激光分离同位素、荧光诊断、超高速摄影、污染检测以及医疗卫生、农业育种等方面也得到广泛应用。
由于其短波长更易聚焦得到小光斑，因此还可用于加工亚微米量级的元件。
二氧化碳气体激光器所用的增益介质是混了氦气和氮气的二氧化碳，可输出以9.6μm和10.6μm波长为中心的远红外光。
二氧化碳气体激光器的能量转换
率高，输出功率可从几瓦到几万瓦，加上极高的光束质量，使得二氧化碳气体激光器在材料加工、科研、国防及医学方面均有着广泛应用。
准分子是不稳定的分子，在谐振腔内充入不同稀有气体和卤素气体的混合物而有不同波长的激光产生。
常用相对论电子束(能量大于200千电子伏特)或横向快速脉冲放电来实现激励。
当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。
在医疗、光通信、半导体显视、遥感、激光武器等领域有着广泛应用。
化学激光器是一类特殊的气体激光器，即是一类利用化学反应释放的能量来实现粒子数反转的激光器。
这类气体激光器大部分以分子跃迁方式工作，典型波长范围为近红外到中红外谱区。
Z主要的有氟化氢(HF)和氟化氘(DF)两种装置。
前者可以在2.6～3.3微米之间输出15条以上的谱线;后者则约有25条谱线处于3.5～4.2微米之间。
这两种器件目前均可实现数兆瓦的输出。
由于其能量巨大，一般用于核工程及军事领域。