第四章-射频板条CO2激光器
CO2激光器详解28页PPT
与这类过程相对应的电子碰撞截面非常大。当电子能量为 0.3eV时，峰值截面为510-10cm2。受到电子碰撞后被激发 到高振动激发态的CO2分子中的很大一部分将通过振动模与 振动模之间的能量交换（V-V迟豫），从激发态沿着能量 阶梯跃落下来，很容易被长寿命的0001能级收集。
2020/5/29
1
2020/5/29
2
可能的跃迁：
根据波函数对称性的要求，在电子基态上的振动和转动波 函数应具有相同的对称性：对称振动的波函数是对称的， 弯曲振动和反对称振动的波函数是反对称的。J为偶数的 转动态的波函数是对称的，J为奇数的转动态的波函数是 反对称的。因此，在0001能级上，J为偶数的转动能级是 空的，在1000能级上，J为奇数的转动能级是空的。
CO2分子的0110能级能否被尽快排空。实际情况是，0110能级使分子到
基能级的衰变变慢，它的作用表现为一种瓶颈现象。
He的存在将对0110能级的寿命产生很大影响。He与0110能级上的CO2分
子碰撞的结果使0110能级的寿命达到=2×10-5秒。
He的存在不仅有助于抽空CO2分子的激光下能级，满足实现激光连续
2020/5/29
8
图10 (a) 纵向封离型激光器
2020/5/29
9
因此，通常是00011000跃迁中的P(22)支起振，在J=2l的转 动能级上的粒子数被迅速消耗，于是，其它转动能级上的
CO2分子将迅速跃迁到这一转动能级上来。就是说，P(22)支 振荡将吃掉其它转动能级上的粒子数,这就是转动竞争效应。
2020/5/29
4
N2分子的共振能量转移： 电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大。这些被激发的 很大一部分分子将被=1的能级所收集。N2的=1能级与 CO2的0001能级仅相差18cm-1(≈2.510-3eV)，因此，N2与 CO2的基态分子发生碰撞时，N2将激发能量转移给CO2分子， 使之激发到0001能级；这个过程可表示为：
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤PPT课件
-
7
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。
分子激光器的典型代表是co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15w到2w
激光原理与技术
主讲人：孔令浩
-
1
光
-
2
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。
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- 激发作用。
11
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。
第四章-射频板条CO2激光器讲课教案
第四章 射频板条CO2激光器唐霞辉教授激光加工国家工程研究中心2013-3-26射频板条CO2激光器是高功率连续CO2激光器的历史进化最高水平，从哲学上讲，实现由不流动---流动----回到不流动。
目前最高水平德国RIFON。
每年进口600台。
工程技术难度极大。
第四章 扩散冷却射频板条CO2激光器4.1 扩散冷却的基本结构及原理4.2 射频激励技术4.3 非稳波导混合腔4.4 光束整形4.5 ROFIN射频板条产品4.6 国产化研究进展大功率射频电源设计与开发 射频气体放电理论与参数测试非稳波导混合谐振腔高精度射频板条电极设计与加工光束整形设计匹配网络与并联谐振技术射频板条CO2激光器结构及关键技术框图4.1射频板条CO2激光器基本结构及原理1.扩散冷却CO 2激光器原理====面积放大概念玻璃管激光器长度放大：激光器工作时所产生废能热传导扩散到放电管管壁，然后由水冷套中的冷却水带走。
注入电功率，即式中k g 为气体的热传导系数，∆T max 为最大允许温升，ηQ 为量子效率，l 为放电管的长度。
这类激光器的输出功率仅和放电长度有关。
l T k P Qg in πη41max ⋅-∆=射频板条激光器理论基础----面积放大：放电气体的热量传输到两个相距很近的金属电极上，然后被电极内流动的冷却液带走热量。
作业：玻璃管激光器和射频板条的不同点？x 0d GasTg Water cooling T wT 1 T1T 2T 2Water coolingTw式中：h-对流换热系数，K C －电极导热系数， kg－气体热传导系数， A－放电面积，d为放电间隙，∆d为电极板厚度。
射频板条注入功率计算公式----注入功率P in 与面积A成正比P T h d k d k Ain c g =++⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⋅∆∆m ax 1228由上式知，在给定放电区内最大允许温升情况下：a) 与放电面积A成正比，即具有注入功率“面积放大”功能。
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
16
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.
Q200 CO2射频激光器使用说明书
Q200CO2射频激光器产品说明书斯派特激光科技有限公司电话：0086-769-26380380邮箱：****************目录第1章介绍 (4)1.1商标、版权、版本、型号信息 (4)1.2保修服务 (4)1.3开箱/装箱，储存/运输，安装，连接，冷却 (5)1.4内容描述 (5)1.5装箱内容 (5)第2章安全说明和预防措施 (6)2.1综述 (6)2.2警告标识位置 (7)2.3安全注意事项 (8)2.4安全预防措施 (8)第3章产品概述 (9)3.1产品介绍 (9)3.2产品用途及应用领域 (9)3.3产品参数及工作条件 (9)第4章安装说明 (11)4.1激光器的外形图及安装图 (11)4.2环境条件 (11)4.3接口说明 (12)4.4直流电缆线 (14)4.5电源系统 (14)4.6冷却系统 (15)4.7控制系统 (16)4.8光路保护系统 (17)4.9固定系统 (18)4.10流量保护系统 (18)第5章控制与操作 (19)5.1运行流程图 (19)5.2运行准备工作 (19)5.3控制端口说明 (20)5.4控制信号接口说明 (20)5.5控制与指示灯 (22)5.6启动和脉冲操作 (23)5.7操作安全提示 (23)第6章技术参考 (24)6.1激光器谐振腔 (24)6.2散热 (25)6.3光束整形 (25)6.4偏振 (25)6.5后向反射光束隔离原理 (25)6.6光束传输光路搭建和光学器件的保护 (26)6.7射频电源 (26)6.8制冷系统和制冷水温设定 (26)6.9调制信号和脉宽调制方法 (27)6.10标记和雕刻操作 (27)第7章保养 (28)第8章疑问解答 (29)第1章介绍1.1商标、版权、版本、型号信息商标信息ZAMIA®是斯派特激光公司的注册商标，所有其他的ZAMIA商标均属斯派特激光公司所有。
版权信息本说明书为中文简体SPTOM-CQ200-20.01版，斯派特激光公司版权所有。
二氧化碳激光器简介PPT课件
4.5 横向激励高气压CO2激光器（TEA） 1 特点
工作气压高 采用横向激励方式 电极面积大 施用预电离技术
2 常用的TEA CO2激光器结构 1） 针板TEA CO2激光器
结构比较简单，易实现均匀激励，效率不高，光束质量不太好
4 辅助气体 N2： 增大CO2分子0001能级的激发速率,还能增加0110能
级的驰豫速率
CO：增大CO2分子0001能级的激发速率，还能增加0110
能级的驰豫速率，但太高时会使0001能级消激发
He：1 降低工作气体的温度，增加输出功率
2 He对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作 用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出 功率
2）管－板式放电结构 阴极： 放置位置： 气流上游前沿与阳极前沿对齐 与导流板之间必须留有足够的空隙 应置于喉道渐缩段内 寿命：与管径大小有关，管径小寿命长 材料：无氧铜 水冷镍阴极
阳极： 条形，两端圆弧过渡，紫铜制造 辅助阳极 阳极长度不匹配： 电极缩短，抑制瞬间飞弧的进一步扩展，在工
作气质变劣时也能稳定放电 电极过短，特别气质变劣情况下，异常辉光放
4）费米共振激发
CO2（1000）+ CO2（0000）－ △E
CO2（0200）
CO2（1000）－ △E
3 二氧化碳激光器驰豫过程
1）激光上能级的驰豫 分 体积驰豫 和 管壁驰豫，驰豫速率与气压有关，体
积驰豫还与辅助气体种类及其气压有关 2）激光下能级的驰豫
第一步 1000和0200能级的分子与基态分子碰撞，二者都会驰豫 到0110振动能级
1）电子碰撞激发
直接激发
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。
二氧化碳激光器-课程设计
二氧化碳激光器-课程设计燕山大学课程设计说明书题目：二氧化碳激光器学院（系）：理学院年级专业：应用物理学号：学生姓名：指导教师：教师职称：燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：理学院基层教学单位：应用物理系燕山大学课程设计评审意见表摘要激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。
激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。
激光器的产生具有划时代意义。
本文主要介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。
论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。
通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。
关键词：激光技术；二氧化碳激光器；基本原理；基本构造；IAbstractLaser is in theory and practice under the background of urgent needemerge as the times require, it is published, obtained the fast development of unusual, not only make the development of laser the ancient optics and optical technology acquired a new life, but also cause the whole an emerging industry.The laser can make people to effectively utilize the hitherto unknown advanced methods and means to obtain the unprecedented benefits and outcomes, thereby promoting the development of productivity. Laser has theepoch-making significance.This departure from the introduction of CO2 laser technology, introducedthe basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser andlaser to highlight the CO2 gas laser in laser-related applications, the currentCO2laser was one of the most extensive laser, it had some very prominenthigh-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO2laser-type basic structure and working principle, focusing on the applicationtype CO2 laser in the military, medical and industrial application of the threemain areas, Finally, applied research prospects for CO2laser and status.Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers.Keywords: Laser technology；CO2Laser ；Basic Principle；BasicStructure ；Application .II目录摘要:.................................................................... I I 第1章绪论 .. (1)1.1 激光器的产生及发展 (1)1.2 二氧化碳激光器的研究和发展 (1)1.3本文主要研究内容 (2)第2章激光器及二氧化碳激光器的原理 (3)2.1 激光产生的条件 (3)2.2 激光器 (3)2.3 CO2激光器工作原理 (5)第3章二氧化碳激光器的应用 (7)3.1 二氧化碳激光器在工业应用 (7)3.2 二氧化碳激光器在军事上应用 (7)3.3 二氧化碳激光器在医学上应用 (8)第4章二氧化碳激光器的前景展望 (11)结论 (13)参考文献 (14)第1章绪论1.1 激光器的产生及发展1916年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘受激辐射’。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
板条腔分析：一般对于短增益长度的连续CO2激光器其 最佳能量耦合输出不超过15%，稳定—非稳谐振腔是 解决上述问题一个有效办法，此种谐振腔在一个方向 上是稳定的，而在另一方向上是非稳的，这种腔是一 种混合腔，同时具有两种腔的特点。
在非稳方向上，光束能展开以充分利用此方向的 激活区，而在稳定方向上，光束被限制在窄的稳 定区域内，激光运行于低阶模。因此，采用这种 腔既能充分利用激活区又能获得好的光束质量（ 特别是稳定方向只能运行基模时）。
1.扩散冷却CO2激光器原理====面积放大概念 玻璃管激光器长度放大：激光器工作时所产生废能热传导扩散到 放电管管壁，然后由水冷套中的冷却水带走。注入电功率，即 T max Pin k g 4 l 1 Q 式中kg为气体的热传导系数，Tmax为最大允许温升，Q为量子效 率，l为放电管的长度。这类激光器的输出功率仅和放电长度有关。
（2）离轴非稳腔：对平板结构的激光器，选取窄方向为 稳定方向，另一垂直方向为非稳方向，光轴位于非稳方 向的一侧，激光从非稳方向的另一侧的耦合孔输出。 作业：射频板条激光器的光腔特点？
该谐振腔由共焦放置的球面镜R1和R2构成 正支非稳腔：凹凸镜：R1-R2=2L
2013-9-17 激光器件原理与设计 19
(b) 输出镜M1上的相位分布
(c) 远场聚焦场
激光器光腔---输出光束
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
由上式知，在给定放电区内最大允许温升情况下： a) Pin 与放电面积A成正比，即具有注入功率 “ 面
积放大”功能。 b)Pin 随着放电间隙的增加而下降，减小放电间
隙有助于提高注入功率密度。
2013-9-17 激光器件原理与设计 8
1.
6 5 4 7 3
激光束
2. 光束整形 3. 输出镜 4. 冷却水出 5. 射频激励
Cylindricalmirror Diamondwindow
光路整体结构原理
CO2-Slab Laser: How does it work
射频电极与热交换
CO2-Slab Laser: How does it work
8 9
2
6. 冷却水入 7. 尾镜 8. 射频激励放电区 9. 射频电极
1
射频板条激光器内部基本原理
2.比输出功率PA与电极间距d关系---非常重要设计依据
当d>1mm时， PA与d反比关系近似 成立； 当d<1mm时，波导损耗太大，放电 均匀性难以保证，不宜采用； 当d>6mm时，气体的热输运速率下 降； 结论：考虑到d对气体热输运速率的 影响，国际上通常采用的d值多为1～ 3mm。实际1.5mm。
Spatial Filtering
Output Laser mirror
Output beam
Beam : Unfiltered
Filtered
Spatial Filtering
4.4
光束整形
Bending mirror (optional ATFR) Spherical mirror (optional „Donut Mode“) Spatial filter Spherical mirror
电区，凸镜部分覆盖放电区，形成一输出耦合孔，满足Md0=a0 ，而谐振腔的光轴位于离放电区边缘a处。 离轴输出，和一般的同轴非稳腔不一样。
9.2 射频激励技术
激光输出
自激励射频电源
真空泵
射频电极结构：无氧铜---表面镀膜--光波导
并联电感后的电极结构示意图
二维均压电感分布示意图
博士课题---射频气体电子学
该谐振腔由共焦放置的球面镜R1和R2构成 正支非稳腔：凹凸镜：R1-R2=2L
DC-Training
Rofin DC---实际---负支非稳腔：双凹镜：R1+R2=2L
该谐振腔由共焦放置的球面镜R1和R2构成 负支非稳腔：双凹镜：R1+R2=2L
R 1 M 其中L是腔的长度，几何放大率为 R2 ，输出耦合系数 1 1 M ，在设计谐振腔时使凹镜完全覆盖宽度为a0的放
大面积射频板条气体放电的电压分布
(a)中间馈入
（b）电极侧面馈入
横向电压分布函数曲线（200mm×1000mm极板）
（a）均压模型1 （b）均压模型2 不同均压模型下的电压分布函数曲线（200mm×1000mm极板）
均压前后电压波动比较（200mm×1000mm极板）
(a)40mm×500mm极板
14
稳定--非稳定腔的机理分析
传统非稳定腔问题：在高功率、高增益、大体积的激光器中，广 泛采用非稳腔技术获得高光束质量的激光输出。但对于扩散冷却 的CO2激光器，其增益系数小于1%cm-1，使用传统的非稳腔不 能有效地提取能量。因为对于非对称腔而言，为了获得较好的模 式鉴别力，腔的几何放大率Mk必须大，这样导致腔的往返损失1 －1/
(b)200mm×1000mm极板
横向中间馈入方式的二维均压模型
（a）不均匀放电1
（b）不均匀放电2
（c）均匀放电
不同均匀程度的放电发光分布
filament
anode
grid
load
feedback
40KW自激式射频电源原理图
电源各级波形图---实际非常重要--硕士课题
电子管CTK-15-2：法国THALES独家垄断
射频波可实现高频幅度调制，其调制频率可达100kHz， 这是直流放电激励方式所不能达到的； 射频放电具有正向伏安特性，可实现持续放电，而直流 气体放电具有负向伏安特性，须串联限流电阻才能形成 持续放电，其限流电阻消耗功率在30%左右。
2013-9-17 激光器件原理与设计 12
射频横向放电激励方式工作电压低（约几百伏特，而 直流放电激励为几千伏），并且射频激励技术还可以 实现外电极放电，从而可以避免电极污染，有助于延 长激光器的寿命。 射频横向放电激励方式可实现大面积均匀放电激励和 实现单电源输入多通道同时放电均匀激励，因而可按 面积比例提高激光器输出功率 。
4.2 射频激励技术 4.3 非稳波导混合腔 4.4 光束整形 4.5 ROFIN射频板条产品
4.6 国产化研究进展
4.1射频板条CO2激光器基本结构及原理
高精度射频板条电极设计与加工 大功率射频电源设计与开发
非稳波导混合谐振腔 匹配网络与并联谐振技术
光束整形设计
射频气体放电理论与参数测试
射频板条CO2激光器结构及关键技术框图
T
2,3 A
1) Ch 1: 2) Ch 2: 5 Volt 1 Volt 2.5 us 2.5 us dY: 2.30 Volt Y: -2.23 Volt
CW: PWM duty cycle, Grid current
L3
4.3 光腔技术
电气单元
激光输出
谐振腔
气瓶
(a) 输出镜M1上的振幅分布
2013-9-17
激光器件原理与设计
5
射频板条激光器理论基础----面积放大：放电气体的热量 传输到两个相距很近的金属电极上，然后被电极内流动 的冷却液带走热量。 作业：玻璃管激光器和射频板条的不同点？
T2 T1 Water cooling Tw Gas Tg T
1
T2 Water cooling Tw
Strahlverlauf bei kaltem Spiegel
Strahlverlauf bei kaltem Spiegel
Heizdraht Heizleistg = abs. Leistg. Energieabsorbtion. Ca. 0,6 % der auftreffenden Energie bewirkt Verbiegen der Spiegelvorderseite
2013-9-17 激光器件原理与设计 13
5.非稳波导混合腔---射频板条的独特 （1）定义：谐振腔在一个方向上是稳定的，在稳定方 向上，光束被限制在窄的稳定区域内，激光运行于低阶 模。在另一个方向上是非稳的， 在非稳方向上，光束 能展开以充分利用此方向的激活区。
2013-9-17
激光器件原理与设计
射频放电分析
射频源
0
鞘
鞘 等离子体 层
Z
层
D
(a) 等离子体分布图
(b) 放电区电位分布图
α放电和γ放电的发光强度分布图
功率密度
Z
电子密度
D Z
实验中拍摄的α放电照片 (c) 等离子体功率耗散及电子密度分布 (d) 电子在射频电场中的振荡
等离子体的空间分布特征
传输线等效电路模型图
长度方向电压分布函数曲线 （200mm×1000mm极板）
Wasserkühlung
Wasserkühlung Nur von ROFIN-SINAR geschultes Personal darf Arbeiten nach diesen Unterlagen durchführen
SLAB Beam Characteristics---两个方向的传输： 水平非稳，垂直波导
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC