常用气体激光器讲解
简述气体激光器讲解
简述气体激光器这是一类以气体为工作物质的激光器。
此地方说的气体能够是纯气体，也能够是混淆气体；能够是原子气体，也能够是分子气体；还能够是离子气体、金属蒸气等。
多半采纳高压放电方式泵浦。
最常有的有氦 - 氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦 - 镉激光器和铜蒸气激光器等。
氦 - 氖激光器是最早出现也是最为常有的气体激光器之一。
它于 1961 年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万 (Javan) 博士及其同事们发明，工作物质为氦、这是一类以气体为工作物质的激光器。
此地方说的气体能够是纯气体，也能够是混淆气体；能够是原子气体，也能够是分子气体；还能够是离子气体、金属蒸气等。
多半采纳高压放电方式泵浦。
最常有的有氦- 氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦 - 镉激光器和铜蒸气激光器等。
氦- 氖激光器是最早出现也是最为常有的气体激光器之一。
它于1961 年由在美国贝尔实验室从事研究工作的伊朗籍学者佳万 (Javan) 博士及其同事们发明，工作物质为氦、氖两种气体按必定比率的混淆物。
依据工作条件的不一样，能够输出 5 种不一样波长的激光，而最常用的则是波长为632.8 纳米的红光。
输出功率在0.5 ～100 毫瓦之间，拥有特别好的光束质量。
氦 - 氖激光器是目前应用最为宽泛的激光器之一，可用于外科医疗、激光美容、建筑丈量、准直指示、照排印刷、激光陀螺等。
许多中学的实验室也在用它做演示实验。
比氦 - 氖激光器晚 3 年由帕特尔 (Patel)发明的二氧化碳激光器是一种能量变换效率较高和输出最强的气体激光器。
目前准连续输出已有 400 千瓦的报道，微秒级脉冲的能量则达到 10 千焦，经适合聚焦，能够产生 1013 瓦／米 2 的功率密度。
这些特征使二氧化碳激光器在众多领域获得宽泛应用。
工业上用于多种资料的加工，包含打孔、切割、焊接、退火、熔合、改性、涂覆等；医学上用于各样外科手术；军事上用于激光测距、激光雷达，以致定向能武器。
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
激光器件-第1篇-第二讲-原子气体激光器
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• 2.1.1 He-Ne激光器的基本结构
He-Ne激光器由激光管和电源两部分组成, 激光管主要包括放电管、 电极和谐振腔三部分, 放电管是He-Ne激光器的核心。
‒ 放电管
毛细管：处于增益介质工作区，气体放电仅在毛细管中进行, 当在 电极上施加高压后,毛细管中的气体开始放电,使氖原子产生粒子数 反转。
激发态21S0和23S1特点：与基态之 间禁戒辐射跃迁。He(21S0)原子辐 射寿命为2×10-2秒，He(23S1)原子 的寿命为6×10-5秒，比其他能级原 子的寿命(10-8秒)要长。为Ne原子 的激发上能级的共振激发能量转移 提供了有利条件。
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‒ 氖原子能级分布
Ne原子核外有10个电子,其基态电 子组态为1s22s22p6 。Ne原子基态 能级为1S0 。Ne原子有10个电子， 基态1S0(电子分布为1s22s22p6)。激 发态为1S、2S、3S、2P、3P等， 它们对应的外层电子组态分别为 2p53s 、 2p54s 、 2p55s 、 2p53p 、 2p54p。
‒ 电极
阳极：一般采用钨针制成 阴极：多采用电子发射率高而溅射率小的铝及其合金制成，
通常做成圆筒状,并有尽可能大的尺寸
‒ 光学谐振腔
由一对镀有多层高反射率介质膜的反射镜组成，一般采用平凹 腔。平面镜为输出反射镜,透过率约1%～2%,凹面镜为全反射镜， 反射率接近100%。
按照谐振腔与放电管的放置方式不同,可分为内腔式、外腔式和 半内腔式、傍轴式、单毛细管式
具有旁轴式结构的部分优 点，还可以沿管壁加非均匀磁 场，抑制较强谱线的输出，适 于较长激光器中采用。
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c5.2气体激光器
磁场：
为了提高氩离子激光器的输出功率及寿命，一般要加上几十 到100毫特斯拉左右的轴向磁场。磁场通常由套在放电管外 面的螺线管产生。
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理
Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(9-15)所示 ◇ 激光上能级3P44P，下能级3P44S ◇ 激发过程： 气体放电后，高速电子与中性氩原子碰 撞，使之电离，形成处于基态3P5上的 氩离子； 基态Ar+离子再与高速电子碰撞，被激 发到高能态，形成反转粒子数，产生激 光。 ◇ 激光能级有不同的电子态，激光输 出谱线丰富，最强谱线为0.4880m、 0.5145m。
第五章 典型激光器介绍
§5.1 固体激光器 §5.2 气体激光器 §5.3 染料激光器 §5.4 半导体激光器 §5.5 其他激光器
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§5.2 气体激光器
气体激光器的特点：
激光谱线丰富，波长覆盖了从真空紫外到远红外 范围。
气态工作物质的光学均匀性比固体好，易于获得 高斯光束，方向性好。 气体工作物质的谱线宽度远比固体小，激光单色 性好。 气体的激活粒子密度远小于固体，需要较大体积 的工作物质才能获得足够的功率输出，体积一般 比较庞大。
5.2.1 氦-氖(He-Ne)激光器
1960年末最早研制成功的气体激 光器。 属于惰性气体原子激光器。 工作物质是氦氖混合气体，发射 激光的是Ne原子，He为辅助气体 ，作用为改善气体放电特性，提 高激光器输出功率。 主要波段在可见光到近红外区。
多采用连Hale Waihona Puke 工作方式（输出几毫 瓦到几十毫瓦）。
图(5-11) 不同充气压强下输出功率与放电电流的 关系曲线
5.2.2 二氧化碳激光器
二氧化碳co2激光器分类、特点与应用
二氧化碳co2激光器分类、特点与应用
根据激光介质不同，二氧化碳（CO2）激光器可以分为立式封管式CO2激光器和射频金属电极管式CO2激光器。
下面是对
其分类、特点和应用的详细介绍：
1. 立式封管式CO2激光器：
- 特点：立式封管式CO2激光器使用纵向封管结构，主要由气体混合器、电极、透镜组成。
激光工作介质为CO2、N2和He 气体混合物，通过电子激发CO2分子实现激光发射。
该激光
器具有较高的功率密度和较高的开关速度，能够产生连续激光或脉冲激光。
- 应用：立式封管式CO2激光器广泛用于激光切割、激光打标、激光雕刻、激光焊接等工业加工领域。
其高功率和高效能的特点使其在金属加工、木材加工、陶瓷加工、纸张加工等领域具有广泛应用。
2. 射频金属电极管式CO2激光器：
- 特点：射频金属电极管式CO2激光器利用电极产生射频电场，激发CO2分子实现激光发射。
其结构简单，激光输出稳定，
并且激光输出功率可达几十千瓦甚至数百千瓦。
- 应用：射频金属电极管式CO2激光器常用于高功率激光切割、激光焊接、激光熔覆等应用。
由于其高功率特性，可以广泛应用于汽车制造、航空航天、能源装备等领域的金属加工和表面处理。
总之，CO2激光器具有功率密度高、能量转化效率高、光束
质量好、加工效果精细等特点，因此在工业加工、医疗美容、科学研究等领域都有重要的应用。
几种激光器的结构示意
几种激光器的结构示意激光器是一种能够产生激光光束的器件。
不同类型的激光器通过不同的结构设计来产生不同的激光波长和激光功率。
下面将介绍几种常见的激光器结构示意。
1.气体激光器气体激光器利用气体放电产生激光。
气体激光器的基本结构包括激活介质、激励源和谐振腔。
激活介质是气体，常用的有氖、氩、氮气等。
激活介质通常填充在放电室内，由于电压作用下的电子激发使激发介质处于激发态，然后通过自发辐射产生的辐射光激发其他激发介质，从而实现光的放大效应。
激光器的谐振腔是由两块平面反射镜构成的，通过调节反射镜间的距离，可以实现激射光束的调谐。
2.固体激光器固体激光器是指利用固体介质产生激光。
固体激光器的基本结构包括激发源、增益介质和谐振腔。
激发源通常是一个脉冲电流或者光源，通过激发能量传递给增益介质，使其转化为激发态。
增益介质通常是晶体或者玻璃，如Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体等。
激发能量在增益介质中逐渐积累，产生激光放大效应。
激光器利用谐振腔来限制光的传播方向，提供光的增益和反射，从而产生高激光功率输出。
3.半导体激光器半导体激光器是利用PN结构形成的电流与光的耦合效应来产生激光。
它的基本结构主要由P型半导体层、N型半导体层和激活层组成。
激活层是半导体激光器的核心部分，通过电流注入的方式产生激发态电子和空穴，然后通过电子空穴复合过程，放出激光。
半导体激光器具有体积小、发光效率高、功耗低等优点，广泛应用于通信、医疗等领域。
4.光纤激光器光纤激光器是利用光纤作为激光介质的激光器。
光纤激光器的基本结构包括光纤、增益介质和谐振腔。
增益介质通常是受控的掺杂光纤，如掺钕光纤、掺铽光纤等。
激发源通过光纤输入激发介质，产生激发态，然后通过自发辐射和受激辐射过程产生激光。
谐振腔的结构通常根据需要采用不同的方式，如光栅镜、光纤光栅、光纤环等。
以上是几种常见的激光器结构示意，每种激光器都有特定的工作原理和结构设计，以满足不同的应用需求。
二氧化碳激光器分类特点与应用
二氧化碳激光器分类特点与应用一、分类：CO2激光器主要分为封闭式和开放式两种类型。
1.封闭式CO2激光器：封闭式CO2激光器通常由气体激光管、泵浦器和腔镜组成。
其中，气体激光管内充填有二氧化碳、氮气和稀有气体混合气体。
通过泵浦器向激光管内添加能量，使气体分子激发至亚稳态，产生激光放大。
腔镜用来折射和反射激光，形成激光束输出。
封闭式CO2激光器适用于医疗美容、雕刻切割等高精度和高功率需求的场合。
2.开放式CO2激光器：开放式CO2激光器通常由气体激光管、泵浦器、扩束镜和输出镜组成。
其中，气体激光管内充填有二氧化碳和氮气混合气体。
泵浦器提供能量，使气体分子激发到受激发射态，在输出镜的作用下，形成激光束输出。
开放式CO2激光器适用于雕刻、切割等对功率要求较低的场合。
二、特点：CO2激光器具有以下几个特点：1.波长长：CO2激光器的激光波长为10.6微米，属于远红外光，对很多物质有很强的穿透能力。
2.高功率：CO2激光器可以达到很高的功率输出，通常可达到几十瓦至几百瓦。
3.高效率：CO2激光器的光电转换效率较高，可达到10%左右。
4.良好的光束质量：CO2激光器的光束质量较好，光斑比较小和聚焦性能好。
5.易于操控：CO2激光器的输出功率和频率可以通过调整泵浦能量和稀有气体含量等参数进行调节。
6.长寿命：CO2激光器的寿命较长，使用寿命可达数千小时以上。
三、应用：CO2激光器具有广泛的应用领域，如医疗、工业、科学研究等。
1.医疗方面：CO2激光器主要用于皮肤整形、手术切割、疤痕修复等医疗美容领域。
由于CO2激光器的波长与水分子吸收特性相匹配，因此可以控制热损伤范围，减少手术切割对周边组织的影响。
2.工业方面：CO2激光器广泛用于工业加工领域，如切割、雕刻、焊接等。
其高功率和良好的光束质量使其成为金属切割和非金属切割的重要手段。
3.科学研究方面：CO2激光器在科学研究中也有广泛应用，如光学实验、量子物理研究等。
二氧化碳激光器介绍
二氧化碳激光器介绍二氧化碳（CO2）激光器是一种常见的气体激光器，广泛应用于医学、工业和科研领域。
本文将介绍CO2激光器的原理、特点、应用以及一些相关的技术进展。
CO2激光器的原理基于二氧化碳分子在激发态和基态之间跃迁时放出的光能。
它的基本结构由激光管、泵浦源和输出耦合器组成。
激光管是一个封闭的管状动力学系统，内部充满了CO2、氮气和一小部分惰性气体混合物。
CO2激光器是中红外激光器，其工作波长在9.4~10.6微米之间。
泵浦源通常采用电子束激发或直接电通电流，以产生高能量的电子束或电弧，使得CO2分子处于激发态。
在该过程中，氮气和惰性气体起到了能量传递和CO2气体冷却的作用。
当CO2分子处于激发态时，通过碰撞和辐射跃迁，分子会回到基态并释放出能量。
这些能量以光子的形式被放射出来，形成一束高能量、单频率和空间相干性强的激光束。
这就是CO2激光器的工作原理。
CO2激光器具有几个显著的特点。
首先，它具有高能量密度和大功率输出的优势，因此在工业材料加工领域有广泛的应用。
其次，CO2激光器的波长与许多材料的吸收特性相匹配，可以实现高效的切割、焊接和打孔操作。
此外，CO2激光器由于其相对较长的波长，对光的传播有较好的表现，适用于长距离或特殊环境下的激光传输。
在医学领域，CO2激光器主要用于外科手术和皮肤治疗。
在外科手术中，它被广泛用于切除肿瘤、切割组织和凝固血管等。
在皮肤治疗中，CO2激光器可以用于去除皮肤病变、减少皱纹以及治疗疤痕等。
CO2激光器具有高的吸收率和浅的组织穿透深度，因此可以实现精确的组织切割和热效应。
在工业领域，CO2激光器主要用于金属切割、打标和焊接。
它可以通过调节功率和扫描速度来实现不同厚度的材料切割。
同样，CO2激光器还可以用于非金属材料如塑料、木材和陶瓷的切割和打标。
值得注意的是，CO2激光器的使用需要遵循一定的安全措施。
它的激光束具有很高的能量密度，对人体和物体可能造成伤害。
因此，在使用CO2激光器时，必须佩戴适当的防护装备，并遵循相应的操作规程。
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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。
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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。
二氧化碳激光器
属分子气体激光器
一、工作原理
1、CO2分子运动
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)
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方向相反
2、工作物质
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、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。
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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。
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。
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二、基本结构
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。
表 氩离子激光的可见光光谱线
激光跃迁能级
4P2S01/2——4S2P1/2 4P2D03/2——4S2P3/2 4P2P03/2——4S2P1/2 4P2D05/2——4S2P3/2 4P2D03/2——4S2P1/2 4P4D05/2——4S2P3/2 4P4D03/2——4S2P3/2
波长(nm) 457.9 472.7 476.5 488.0 496.5 514.5 528.7
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。
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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+。
或率（W） 0.35 0.30 0.75 1.50 0.70 2.00 0.34
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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;
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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。
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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。
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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。
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氩离子激光器分段石墨放电管
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国产的氩离子激光管
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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。 ；
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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。
纵向电激励水冷内腔式封离型 CO2激光器的典型结构
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折叠式CO2激光器（水冷套未画出） 横向循环流动CO2激光器
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Hale Waihona Puke 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 m ，属于中红外区，
氩离子激光器
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。