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
GG17)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
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。
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CO2分子反对称振动 图1 CO2分子振动模型
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
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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*+CO2(0000)?CO2(0001)+e
受到电子碰撞的CO2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）N2分子共振能量转移
电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大。N2和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。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CO2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-?透镜焦距为f?，总扫描角度为2?，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?
将此式两边对时间微分得：
dHd?2=f?sec? dtdt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-?透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为： H=f?.? 这样：
dHd??f?.?f?.? dtdt其中，?是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2f?.?范围内的等速扫描。这即是要求F-?透镜故意产生正的畸变，当扫描角度?增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的?/tg?倍，其线畸变为： ?
H=f?.tg?-f?.?=f?(tg???）
其相对畸变为：
D?T?tg????100% tg?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
?，故常简称为F-?透镜。 是等速的。由于此镜头的像高等于f?·
四、 实验内容与步骤
1、CO2激光器工作特性
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