激光原理及应用实验讲义 -4个实验要点

实验一CO2激光器及激光扫描实验

一、实验目的

1、了解CO2激光器的工作原理及典型结构；

2、掌握CO2激光器的输出特性；

3、掌握CO2激光器的使用方法；

4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。

二、实验器材

CO2激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台

三、实验原理

1、CO2激光器工作原理

CO2激光器的工作气体是CO2、N2和He的混合气体。波长9-11um间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。

图1 CO2激光器典型结构

CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃(如GG)制成，放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响17

器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。激光器的

输出功率随着放电管长度加长而增大。

CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO2振动模型如图1所示。

激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程，分别输出10.6um和9.6um。

激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达0l0，再次通过自发辐射到达基态000，但由于自发辐射的几率不大，远不如碰撞驰豫过程快，其主要的驰豫过程如图2。

分子反对称振动

CO

2

分子振动模型

图1 CO

2

图2 CO2分子能级跃迁过程

其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振，最后一个式子中的M代表辅助气体。如果选择恰当的气体(常见的如H2O和H2)作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。另外，为了增加气体的热导率，通过在气体中加入He气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。

气体中一般还需要加入N2气，利用其v＝1能级与CO2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于N2气的v=1态不能通过自发

辐射跃迁回带到基态，故增大了共振转移的几率。泵浦过程： 1）电子碰撞激发

e *+CO 2(0000)→CO 2(0001)+e

受到电子碰撞的CO 2分子被激发到高振动激发态通过振动模间能量交换，被能级0001收集。 2）N 2分子共振能量转移

电子碰撞激发N 2的振动能级的总截面很大。N 2和CO 2的基态分子发生碰撞时，N 2将激发能量转移给CO 2分子，使之激发到0001能级。N2作用类似He-Ne 中的He 。激光下能级衰变慢，不利于抽空，He 与该能级CO 2分子碰撞使其衰变加快，利于下能级抽空，He 热导率高，利于把放电区剩余热量带走，避免热效应造成的下能级粒子数积累。 2、激光扫描工作原理

激光打标是基于f-theta 镜的原理，将扫描振镜的转角信息转换成位移信息。设F-θ透镜焦距为f '，总扫描角度为2θ，扫描场的覆盖长度为L 。

在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：

H=f '.tg θ

将此式两边对时间微分得：

dt dH =dt

d f θθ2

sec ' 可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。

对F-θ透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为： H=f '.θ 这样：

ωθ..f dt

d f dt dH '='= 其中，ω是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f '.θ范围内的等速扫描。这即是要求F-θ透镜故意产生正的畸变，当扫描角度θ增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的θθtg /倍，其线畸变为： ∆

H=f '.tg θ-f '.θ=(f 'tg θθ-）

其相对畸变为：

100⨯-=

'θ

θ

θtg tg T D % 故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就

是等速的。由于此镜头的像高等于f '·

θ，故常简称为F-θ透镜。 四、 实验内容与步骤

1、CO 2激光器工作特性

1）开启水冷系统；

2）将功率计探测面置于激光器输出光路；

3）将激光电源的电流旋钮逆时针旋至零位；

4）开启激光电源；

5）顺时针微调激光电源电流旋钮；

6）仔细观察放电管中的现象；

7）在不同电流状态记录功率计功率显示，并画出P-I曲线；

8）测量完毕后，将激光电源旋钮逆时针缓慢旋至零位；

9）关闭激光电源；

10）关闭水冷系统。

2、激光扫描实验

1）开启计算机；

2）打开激光打标软件；

3）开启水冷机；

4）在工作台上放置纸板；

5）开启激光电源；

6）在打标软件中输入文字，并点击打标；

7）观测扫描振镜的变化情况及纸板上打出的标记。

五、思考题

1、CO2激光器工作物质中N2的作用？

2、f-theta镜是一个有畸变的光学系统，为什么能利用f-theta镜在一个平面内打出一个理想的标记？