本实验有关人身和设备的安全事项

1、本实验有高压和强辐射，注意人身安全。

2、激光器打开时，绝不允许移动功率探头，因功率探头外壳是铝制，铝对红外线反射较强，防止的反射红外激光意外伤人。

3、开机时先通冷却水、关机时后断冷却水。防止激光管炸裂冷却系统带高压。

---------------------------------------------

CO激光器

2 CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源所组成。

放电管大多采用硬质玻璃(如GG17)制成，只有少数因特殊要求(如要求输出功率稳定性好或频率稳定性好)的器件，才采用石英玻璃。放电管的内径和长度变化范围很大，小型CO2激光器放电管的内径一般为4~8mm左右，长度在1m以下。大功率激光器的内径一般大于10mm，长度达几十米。为了防止内部气压和气压比的变化而影响器件寿命，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。水冷套的间隙一般为5~10mm，间隙太小，虽流速大，但水流阻力大；间隙太大则水的流速低冷却效果不好。放电管一般采用多层套管结构，气体放电管、水冷套管和贮气管三者制成共轴套筒，称为三重套激光管。也 可将贮气套旁袖放置，水冷套和放电管同轴放置，称此为二重套旁轴激光管。

CO2激光器的放电电流很小，放电管的阴极也多采用冷阴极，一般是用金属材料做成，形状为圆筒形，电极由与圆筒焊在一起的钨棒引到管外。筒的材料一般是用相片或镍片，圆筒的面积随工作电流的增加而增加。如长1m、内径20mm的管子，工作电流为30~40mA时，圆筒面积约5×l0cm2。圆筒可以与放电管同轴放置，也可旁轴放置，前者结构紧凑，但电极发热会影响激光输出的稳定性；后者制造方便，但电极溅射不会污染谐振腔反射镜，激光输出较稳定。

CO2激光器的放电毛细管较粗，为了增加输出功率，一般采用大曲率半径的平—凹谐振腔(R＞2L)，甚至采用非稳腔以达到增大体积的目的。这样虽然调整

CO2激光器的典型结构 精度要求高些，但由于CO2激光的增益高，容易出激光，比起He-Ne激光器来，调整精度已不是主要矛盾。

输出波长较长(10.6?m)，它的腔反射镜与He-NeCO2激光器的输出功率大，激光器反射镜的结构形式有一定差别。中小型CO2激光器的全反射镜一般用玻璃磨制而成，表面镀金膜。金对10.6?m波长的反射率可达98％以上,其化学性质也比较稳定。高功率CO2激光器的全反端常采用金属反射镜，基板用不锈钢或黄铜，抛光后再镀上金膜。金属反射镜导热性好，也便于通水冷却。玻璃的导热性差，在高功率条件下使用时，反射镜温度上升很快，容易破裂。

输出端反射镜有好几种形式，较简单的形式是在一块镀金反射镜的中心开一个合适的小孔，外面再密封一块能透过l0.6?m波长的红外材 料，激光通过这个小孔输出到腔外，称为小孔耦合输出。也可以直接用 红外材料磨成反射镜，表面镀金膜，而中心留一个小孔不镀金。这种小孔耦合法的优点是结构简单，缺点是输出容易出现TEM01或TEM10模输

出激光的光束强度分布不均匀。另外一种形式是用半导体材料直接耦合。由于半导体材料N型锗对10.6?m波长吸收小，同时它的折射率高(对10.6?m，它的折射率M＝4.02)，抛光后反射率可达50%~60％，所以锗可作输出反射镜。还有

一种形式是用介质膜反射镜，它是用能透射10.6?m的红外材料作基底，再在上面镀多层介质膜而制成的。这种形式需要大块均匀的红外材料且镀膜困难，故不常用。

目前能做CO2激光器输出镜的红外材料主要有：氯化纳(NaCl)氯化钾(KCl)、N型锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硫化镉(TeS)、硒化锌(ZnSe)等。NaCl和KCl这两种材料的吸收系数很小，用它做输出镜时，吸收损耗可忽略。但它们很容易潮解，机械性能差，容易破裂，当晶体温度稍高于室温时就容易产生塑性滑动或破裂，因此难以加工成表面质量高的光学元件，使用也不方便。Ge不潮解，机械性能比NaCl和KCl还好，加工容易，但吸收系数比NaCl和KCl大，而且吸收系数随温度升高而变大。当温度超过50℃时，Ge的吸收系数急剧上升，容易炸裂，故用于高功率的输出器件时，应注意冷却。实验证明，在没有采取冷却措施时,锗片允许的功率密度为26W/cm2，采用压缩空气致冷时，允许功率密度提高到约30W/cm2，当冷却到-40℃时，功率密度允许到88W/cm2。选用半导体锗时，一般都用N型锗，因为N型锗的吸收系数比P型锗低约10~20倍。GaAs的吸收系数也非常小，它的机械性能、化学性能和热性能部比较好，吸收系数随温度的变化没有锗那样剧烈，因此，大功率器件一般都用GaAs面不是锗片。但它比锗贵得多。TeS的吸收系数也很小，它的化学稳定性机械性能和导热性都较好，但目

前还比较难获得大块晶品材料。

连续CO2激光器的电源大多采用直流辉光放电电源，电源能提供几千伏到上万伏的直流电压。由于辉光放电的负阻特性，必须串接限流电阻才能使放电稳定。限流电阻的值约为放电管等效内阻的几分之一。限流电阻越大，放电越稳定，但功率损耗增大。当放电管比较长时，需要分段进行激发，这时容易出现各段不能同时均匀放电的现象。为了解决

这个问题，设计电路时要有电压自动调节装置。

输出功率相放电管长度CO2激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。L间有经验关系

P＝KL

CO2激光器在充CO2+N2+He气且总气压和放电电流都为最佳条件下，对于长度为数米以下的管子，多横模输出时k=40~50W/m单模输出时A＝20~30W/m对于l0米以上的则为100W/m,50米以上的为180W/m。

这是因为在总气压强一定CO2激光器的输出功率与放电管的内径关系不大，

时，内径增大，则总粒子数增加，这有利于提高输出功率；但内径大将造成管中心区域散热慢，以致使激光下能级抽空速率变慢及谱线宽度增加导致输出功率下降，总的结果使得频率基本不变。但内径的选取不是任意的，应从其他方面的要求去选择合适的管径。例如；为了选TEM10模，可采用小口径的管子；为了实现单纵模输出，常用长度短和口径小的管子；对于大功率激光器，为了减小衍射损耗、防止在大功率输出时产生功率密度饱和及防止过高的功率密度造成谐振腔元件的发热损坏，这时要选较粗的放电管等等。

对CO2激光器的输出功率来说，放电电流也有最佳值，这是因为电流升高，放电管内的电子数目增多，可以激发更多的反转粒子数，但电子过多又会因碰撞激发而使反转板子数减少。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径、管内的总气压以及气体混合比有关。实验发现，随着管径的增大，最佳放电电流增加，例如管径为?30~30mm时，最佳放电电流约为30~50mA，管径为?50~90mm的最佳放电电流为120~250mA。放电管两端的直流管压降V受E／P值(或E／N)和稳定放电两方面限制。当E／P值低时，放电管内的电子转换效率高，但因E／P＝V/LP(V为放

电管端电压，L为放电管长度)，E／P低意味着V低或P高，V太低和P过高都将影响放电管正常稳定放电。为了兼顾以上两方面，一般取

E／P＝0.0750.15V.cm.Pa

~

?1?1由此可确定最佳放电电压。

例如对1米长的放电管充气压为1333Pa时，最佳放电电压为

V＝(0.0750.015)LP=1020kV

~~

CO2激光器原理

CO2线性对称排列的三原子分子，三个原子排成一直线，中央是碳原子，两端是氧原子。CO2分子处于不断振动中，其基本振动形式有三类：对称振动、形变振动和反对称振动。

对称振动，即碳原子不动，两个氧原子在分子轴上同时相向或背向碳原子振动。对称振动的振动能量是量子化的，其大小与振动量子数（用?1表示对称振动方式的振动量子数,?1=0,1,2……）有关。

形变振动方式，三个原子的振动方向不是沿分子轴，而是垂直于分子轴，并且碳原子的振动方向与两个氧原子的相反。用?2(?2=0,1,2……)

氧 碳 氧

CO2分子模型

CO2分子对称振动

CO2分子形变振动

CO2分子反对称振动

表示这一振动方式的振动量子数，相应的振动能量与?2有关。这类振动是二度简并的，因为它对应着两种振动方式，一种是在纸面上下变形振动，另一种是在垂直纸面内作前后变形振动。在没有外界干扰时，这两种振动方式所具有的能量相同。由于形变振动存在着二个相互垂直的振动，其合振动构

CO2分子部分能级跃迁 成圆周运动，合振动的角动量在分子轴上的投影也是量子化的，用量子数l表示。

l于是形变振动应表示?2为。

反对称振动方式，三个原子沿分子轴振动，其中碳原子的振动方向相反。用?3(?3=0,1,2,……)表示这一振动方式的振动量子数，振动能量与?3的大小有关。

CO2分子的总振动能量应是上面三类振动方式的能量之和，所以振动的能量

l状态应由三个振动量子数?1、?2和?3来确定，其振动能级用?1?2?3标记。

CO2分子可能产生的跃迁很多，但其中最强的有两条，一条是的跃迁00?1?10?0，跃迁波长为10.6um。另一条是00?1?02?0,跃迁波长为9.6um.其跃迁过程是这样的：外界能量将分子从基态激发到激光上能级00?1、 00?1向10?0或02?0跃迁时辐射光子。CO2分子跃迁到10?0和02?0能级后不能直接跃迁到基态，而是通过与基态粒子碰撞跃迁到0110能级，然后再通过与其它粒子碰撞后返回到基态。可见，CO2属于四能级系统。CO2激光器多以放电泵浦。

实验目的：学习CO2激光器的发光原理测距原理，学习激光器输出功率的测试过程。

实验原理：（略）