(激光器件课件）第三章 Ar+激光器.pptx
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,第三章Ar+激光器,一、Ar+激光器的工作原理；二、Ar+激光器的结构；三、Ar+激光器的工作特性；四、Ar+激光器的输出特性；五、Ar+激光器的应用。
六、Ar+激光器的设计计算,离子激光器离子激光器是以气体离子的不同激发态之间的激发跃迁产生激光的气体激光器。
Ar+激光器是最常见的离子激光器，其工作物质（激活离子）是Ar+。
Ar+激光器的谱线条数众多，主要分布在蓝绿光区。
其中以488.0nm（蓝光）和514.5nm（绿光）两条谱线最强。
工作方式既可以可连续工作，又可以脉冲工作。
输出功率实验室水平已达500W。
商品化的Ar+激光器连续功率一般为几瓦到一百多瓦。
应用广泛地应用于激光显示、全息照相、信息处理、光谱分析、医疗和工业加工领域。
是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器之一。
转换效率0.6%。
使用寿命超过1000小时。
冷却水冷和风冷。
一、Ar+激光器的工作原理,1.Ar+激光器能级分布基态时氩的电子组态为1s22s22p63s23p6。
在电激励条件下，氩原子被快速电子碰撞发生电离形成基态Ar+（3p5）。
处于基态的Ar+（3p5）如果再与电子发生非弹性碰撞就会将3p5中的一个电子激发至更高的能级轨道形成激发态的Ar+*。
在这些激发态中，与激光有关的电子组态有（3p44s）、（3p44p）、（3p43d）、（3p45s）、（3p44d）。
Ar+能级分布及跃迁示意图,能级强度,2.Ar+的激发Ar+激光器中，Ar+的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，其激发过程主要有三种形式：
（1）“一步激发”过程高能电子与基态的氩原子（3p6）碰撞，直接将氩原子电离并激发到氩离子的激发态（3p44p）上。
这个过程需要的电子的能量较大（35.5eV），只有在低气压脉冲器件中才能达到。
Ar（3p6）+e*Ar+*（3p44p）+e+e,
（2）“二步激发”过程氩原子先电离成基态的Ar+（3p5），然后基态的Ar+（3p5）再与电子碰撞形成激发态的Ar+*（3p44p）。
Ar（3p6）+e*Ar+（3p5）+e+eAr+（3p5）e*Ar+*（3p44p）+e“二步激发”需要的电子能量较小（16eV20eV），此时激光器可以在高气压、大电流的情况下，以连续的方式工作。
（3）“串级激发”过程基态的Ar+（3p5）首先被激发到较高的能态3p45s、3p44d上，然后通过辐射跃迁到达激光上能级3p44p上积累。
Ar（3p6）+e*Ar+（3p5）+e+eAr+（3p5）e*Ar+*（3p45s）+eAr+*（3p45s）Ar+*（3p44p）+h这种激发过程对激光上能粒子的积累贡献较大，可占总积累的3040。
3.Ar+激光下能级3p44s的激发激发方式激光下能级3p44s的激发过程和上能级3p44p一样，也是通过“一步激发”、“二步激发”和“串级激发”三种方式实现的。
激发概率激光下能级和上能级激发的概率差不多。
当电子温度大于30000K时，才出现3p44p能级激发概率比3p44s能级的大，只有在这种放电条件下，才有可能在3p44p能级和3p44s能级间实现粒子数反转。
4.Ar+激光下能级3p44s的驰豫辐射跃迁主要是通过辐射跃迁（72nm）到达Ar+基态（3p5）。
Ar+和电子的复合基态Ar+（3p5）再在管壁处与电子复合或与放电空间的电子复合而跃回到氩原子基态（3p6）。
其中以管壁复合为主。
5.激光的产生产生辐射的能级组合根据辐射选择定则，Ar+的辐射跃迁可发生在（3p44p）（3p44s）之间，辐射可见光；（3p44s）（3p5）之间，辐射真空紫外光。
禁戒跃迁根据辐射选择定则，（3p44p）与基态（3p5）之间是禁戒跃迁的。
激光的产生激光主要在（3p44p）（3p44s）两组态之间产生。
（4）激光输出集居数反转实验测定，3p44p的寿命为8.7210-9s，3p44s的寿命1.7610-9s，可以实现集居数反转分布。
激光谱线由于3p44p和3p44s都由很多能级组成，Ar+激光器产生的激光谱线有多条。
常见有：
454.5nm、457.9nm、465.8nm、472.7nm、476.5nm、488.0nm、496.5nm、510.7nm、514.5nm、528.7nm。
其中，最强的谱线波长是488.0nm和514.5nm。
二、氩离子激光器的结构,冷却水,全反射,1.Ar+激光器结构示意图布氏窗阳极磁场线圈毛细管镜,反射镜（95%）,回气管工作物质,阴极,Ar+激光器结构示意图,氩离子激光器的特点,氩离子激光器的工作能级是离子激发态，为了实现激发，要求管内电子有很高的能量。
根据正柱区的特性，气压越高，放电功率密度越大，热不稳定性增长所需要时间越短，氩离子激光器只能在较低气压（低于1.06102Pa）下工作。
管内气压低，单位体积中Ar原子数目减少。
为增加管内电离和激发过程，以保证足够激光上能级粒子，需要提高管内的电子密度，Ar+激光器采用弧光放电激励，管内的电流密度可高达100l000A/cm2。
因Ar+激光下能级的弛豫依靠3p5（离子基态）粒子的管壁复合，所以它的放电管的管径一般较细，约24mm。
2.Ar+激光器各部分功能
（1）放电管Ar+激光器最关键的部件是放电毛细管。
直径放电管的直径一般为几个mm。
工作特点Ar+离子激光器工作时，放电管中通过的的工作电流约为几几十安培，其相应的电流密度可达数百安培/平方厘米，同时还要耗散120W/cm的热量，管壁温度往往在1000以上。
材料放电毛细管必须采用耐高温、导热性能好、气体消除速率低的材料制作。
通常使用石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管、钨放电管等。
a:
氧化铍陶瓷熔点：
2250；电阻率：
1010cm；导热系数：
0.52W/cm，是性能优良的材料。
优点导热率同金属差不多，气体的清除率小。
和石墨管相比在相同管径下可多注入25%50%的功率。
可制成结构紧凑的风冷型小型激光器。
缺点价格昂贵，不易制备较长的直管，有剧毒。
b:
石墨放电管目前广泛采用放电管是高纯致密石墨放电管。
由于石墨是良导体，所以为了维持放电，石墨放电管必须采用分段结构，整个结构放置于有水冷套的石英管内，两端分别是提供电子的阴极（钡钨阴极）和收集电子的石墨阳极。
c:
钨放电管是近年来开发出来的新结构，采用钨盘结构可提高放电管的寿命和可靠性。
目前商品化的Ar+激光器的功率为：
石英2W；石墨18W；氧化铍20W；钨25W。
（2）回气管在大电流密度、低气压放电中，存在严重的气体泵浦效应，即放电管内的气体会被从一端（阳极）抽运到另一端（阴极），造成两端气压不均匀，严重时会造成激光猝灭现象。
为了使Ar+激光器稳定工作，在放电管外放置回气管，依靠气体的扩散作用，保持放电管内气压的稳定。
（3）外加磁场磁场的作用轴向磁场的加入，可以提高输出功率12倍。
这是因为，磁场产生的洛仑兹力可约束电子和离子向管壁扩散，使放电集中在放电管中心12mm的范围内，提高了放电电流密度，增加了Ar+的数量，并促进了Ar+的激发。
磁场的大小几百到一千高斯。
过大的轴向磁场，使得电子被紧紧的束缚在放电管的中心，导致电子的温度降低，直接导致电离度的降低，影响激光的输出功率。
（4）电极阴极一般要求具有高发射电子的能力，同时还要能耐离子轰击和抗杂质气体的侵蚀。
通常采用人工热阴极。
如直热式螺旋状钡钨阴极。
发射电流大，耐轰击,不易中毒且加热功率低。
阳极熔点高、导热性能好、溅射率低。
通常采用的材料有石墨、钼和钽。
电极的形状都是圆筒状并按轴对称位置放置。
（5）谐振腔连续Ar+激光器一般采用稳定腔，且多数为外腔式。
放电管两端用石英晶体作布儒斯特窗片。
全反射镜反射率要求达到99.8%。
输出透镜透射率：
小管为3%4%，大管为10%12%。
镜膜多采用多层介质膜。
除对紫外谱区的Ar+激光器需用镀紫外膜的腔镜之外，其他都采用可见光区介质膜腔镜。
（6）冷却系统冷却系统在Ar+激光器中是非常重要的部分。
由于效率低，工作时Ar+激光器放电时需要耗散相当于90%的输入功率的热量。
冷却方式有两种：
第一种是水冷。
第二种是风冷。
一般小功率用风冷，大功率用水冷。
分段石墨结构Ar+激光器示意图,1石墨阳极2石墨片3石英环4水冷套5放电毛细管6阴极7保热屏8加热灯丝9布氏窗10磁场11储气瓶12电磁真空充气阀13镇气瓶14波纹管15气压检测器,
（1）等离子体的参数：
等离子体是激光器中光放大的关键，它与器件的结构、放电方式和放电参数有着密切的关系。
1）离子温度Ar+激光器是大电流弧光放电器件。
管内等离子体的密度大、温度高，离子的温度比辉光放电中的离子温度高12个数量级。
对于小管径Ar+激光器，离子温度常用经验公式来估算：
Ti/300=1+1.8,10-2JD1/2,式中，Ti为离子的温度（K）；J为放电管内的电流密度（A/cm2）；D为放电管管径（mm）。
由上式可以看到，离子的温度与气压关系不大。
3.Ar+激光器的气体特性参数,对管径较大的Ar+激光器，离子温度则随气压的增大而下降。
原因：
在管径较小时、离子主要与管壁碰撞，与气压无关；而管径较大时，离子不仅与管壁碰撞，还与空间气体碰撞，随气压增大，离子与气体发生碰撞机会增多，能量损失增加，故离子温度下降。
2）离子平均自由程：
经验公式p为管内气压（Pa）；Ti为离子温度（K）。
某典型Ar+激光器离子的平均自由程为6.85mm（管径2mm）。
Ar+激光器中，离子的平均自由程与放电管管径是同数量级，管内离子在平均自由程内主要与管壁碰撞，结果会导致放电管管壁在工作中遇到破坏与腐蚀。
在设计、制作激光器时要对放电管材料进行严格的选择，以承受苛刻的工作条件。
3）电子温度电子温度变化与放电管管径和气压有关，是它们乘积的函数。
pD值较小时，电子温度较高，随pD值增大，电子温度下降，之后趋于平直；电子温度随放电电流密度的增大而升高。
对常规Ar+激光器管内电子温度一般为3000K。
（2）抽运效应直流激励器件在放电过程中出现阳极和阴极之间气压分布不均匀的现象称之为气体抽运效应。
阳极与阴极间存在气压差P。
在Ar+激光器中，气体抽运效应引起的压差P较大，对器件正常工作有严重影响。
在放电电流较低时，P随电流增大而增大，直至最大值（气压高的器件，则趋于饱和）；放电电流继续增大，气压低器件的P很快下降，甚至可为负值（即阴极处气压较阳极处气压高）；在相同放电电流情况下，气压不同的器件P不同。
原因：
放电电流小，由阴极向阳极运动的电子碰撞Ar原子，使,Ar原子获得动能向阳极运动，造成阳极气压增高，这现象称为气体碰撞泵浦效应。
随着放电电流增加，Ar原子电离程度增大，Ar+在电场作用下向阴极迁移量增多，在阴极端与电子复合成为Ar原子，使阴极端气压增高，这种在电场作用下离子向阴极运动的现象常称为电泳现象（或电泳泵浦效应）。
当电流增到某一值，这两种作用对气压的影响相等时，P0。
如果再继续增大电流，电泳泵浦增强，会使阴极端气压高于阳极端，P为负值。
解决办法：
在激光器内附加回气装置，利用静态扩散平衡管气压。
三、Ar+激光器的工作特性,1.输出谱线
（1）输出谱线特点Ar+激光器是一种发射多谱线的激光器。
由于谱线是发生在3p44p与3p44s能级之间的跃迁，谱线波长靠得很近，使用一般介质膜反射镜常出现几条谱线同时振荡，其中488nm和514.5nm两条谱线强度约占总输出功率的50%60%以上。
（2）谱线选择要获得单一波长的输出，可以采用阈值电流控制；或在腔内、腔外采用一个或多个分光棱镜等；或采用特制的介质膜。
输出功率8.5W的单模Ar+激光器的谱线及其相对强度,2.阈值电流,阈值电流Ar+激光器中输出某波长的激光所需要提供的最小的电流强度。
即当电流达到或超过此值时，激光器中该波长的光才能实现振荡。
阈值电流和谱线的关系每条谱线都对应于一个阈值电流，不同谱线的阈值电流是不同的。
（3）阈值电流表达式取决于充气压强、放电管直径、外加磁场、谐振腔损耗等。
在最佳放电条件下，其阈值电流可表示为：
其中：
Ith为阈值电流；D为放电管直径；l为放电管长度；C是与气压、磁场有关的系数；为谐振腔损耗。
下表为放电管长度77cm，内径为4mm，气压为34.6Pa，磁场强度为54mT时各谱线的阈值电流。
（4）结果分析可以看出，在各种不同的谱线中，488.nm和514.5nm两条谱线的阈值电流最低。
因此，一般情况下，在一个连续Ar+激光器中，这两条谱线最先起振。
或者说，在同时振荡的若干条谱线中，488.0nm和514.5nm的激光功率最强。
可以通过控制放电电流的大小来选择振荡谱线的条数。
（5）输出谱线的选择如果在某一放电电流下，有多条振荡的谱线，而实际只需要输出某一特定的谱线，必须通过选频装置。
如图所示，把激光器的全反射镜换成里特罗棱镜。
由于里特罗棱镜的色散性，不同波长的波在棱镜中传播的方向不同，所以，通过旋转里特罗棱镜，改变它与光轴的夹角，即可选择不同的波长实现振荡。
里特罗透镜放电管输出镜,四、Ar+激光器的输出特性,的4次方成正比,而后正比与电流强度的平方。
达到,最大值后,若继续增加电流，功率就会出现下降。
010203040506070（A）放电电流,0.80.6输出功率W0.40.2,1.输出功率与放电电流的关系
（1）输出功率随放电电流的变化规律Ar+激光器的输出功率随放电电流的增大而迅1.0速增大,开始与电流强度,
（2）原因增益G和电流密度的关系Ar+激光器输出功率随放电电流变化的规律与其激光能级的激发过程有关。
在连续输出的激光器中，激光上能级的粒子主要是靠“二步激发”和“串级激发”积累的。
激发态粒子n的密度正比于电流密度J的平方，即增益G正比于电流的平方。
谱线非均匀加宽时功率和增益的关系谱线非均匀加宽时输出功率正比于增益的平方。
如果放电电流较低,低气压的Ar+激光器其谱线加宽属于非均匀加宽，因此，其输出功率P正比于增益G的平方，即正比于电流密度的四次方。
谱线均匀加宽时功率和增益的关系随着电流密度的增加，放电管内气体温度升高，气压增大，谱线加宽变为均匀加宽，此时输出功率P的正比于增益G，即正比于电流密度的平方。
如果电流再增加，输出功率出现下降的趋势，主要因为管壁温度增加、谱线加宽严重、Ar发生多重电离、粒子对管壁轰击增加等造成功率下降。
充气气压存在一个最佳值。
这是因为气压增加，可以提供反转粒子数，增加输出功率。
但是气压过高，降低电子温度，减少,粒子反转分布，使输出功率下降。
实验表明，放电管直径和最佳充气气压满足如下的关系：
充气压强,654输出3功率W2102030405060（Pa）,2.输出功率与充气气压的关系,3.输出功率和磁场强度的关系正面作用轴向磁场会使管内电子和离子作螺旋线运动向管轴集中。
既提高了放电中心区域的带电粒子密度，使功率提高；又减少了正离子对管壁的轰击，使管壁免于腐蚀，延长激光器的寿命。
负面影响磁场会使谱线加宽，增益和输出功率下降；同时造成电子温度减小，功率下降。
磁场强度存在一个最佳值。
磁场强度最佳值主要取决于充气压强和放电管直径。
五、Ar+激光器的应用,1.激光大屏幕彩色显示
（1）大屏幕显示技术目前的大屏幕显示技术包括发光二极管显示、等离子体显示、场辐射显示等。
大屏幕全色激光投影仪就是将普通的电视节目、录像机中的图象节目从背面投影到大屏幕上，产生高亮度、高对比度、真彩色图象。
屏幕大小3m4.8m，共有1600万色彩，观众在屏幕前面观看，不会受到伤害。
进入20世纪90年代，由于激光技术、光束成型技术、扫描技术、数据调制技术的高度发展，已使激光大屏幕全色显示成为现实。
大屏幕,成象光学系统,扫描系统,
（2）大屏幕投影仪的结构和工作原理,激光器,氩离子激光器,染料激光器,氩离子激光器,成象光学系统用适当的光学系统把激光器产生的红、绿、蓝激光从圆形的高斯分布转换成均匀的线性分布。
扫描系统利用特殊的超声编码技术将信息调制到激光扫描线上，带有信息的激光线由振镜扫描，将图象投影到大屏幕上。
（5）特点分辨率高由于激光的相干性，光束可以聚焦的很细，因而图象的分辨率非常高；图象清晰、真实由于激光单色亮度较高，因而可使得图象的色彩更加真实、更加明亮。
另外，激光能产生极大的颜色范围，人眼所能响应的全部颜色激光都可以产生。
2.氩离子激光器在医学上的应用,10210,1,10-110-2,2004006008001000,2000400060008000,波长/nm软组织上各种物质的吸收谱线,吸收吸收/mm-1,生物体的吸收谱线水的吸收特性水对红外有着很强的吸收，如果在软组织上照射红外光，则可以高效地把光能转换成热能。
血红蛋白的吸收特性对600nm以下的光吸收较强。
蛋白质的吸收特性主要吸收紫外光。
眼底疾病的激光治疗由于角膜、晶状体、玻璃体等组织的主要成分是水，对可见光，特别是对蓝光、绿光的透射率较高，因此可利用氩离子激光器对眼底疾病进行治疗，例如：
视网膜黏接、对出血部位进行止血、血管连接等。
用氩离子激光器作泵浦源的染料激光器,梦幻激光：
人们借助离子激光器实现了如彩虹般的七彩激光，它通过在氩或氪中的高压放电产生激光。
氩气产生蓝色和绿色的光，氪产生其他几种颜色，两种气体的混合可以产生整个可见光谱中的颜色。
梦幻的激光秀从此诞生。
市场上常见的氩离子激光器,六、Ar+激光器的设计计算,Ar+激光器的精确计算是十分复杂和困难的。
示例：
用经验公式对输出488nm谱线风冷氧化铍Ar+激光器作粗略估算。
1.确定放电管管径D取谐振腔腔长L330mm。
Ar+激光器增益较小，谐振腔选用平凹腔，凹面镜的曲率半径R=1.8L600mm要获得TEM00的放电管管径，通常应选凹面镜处光斑的34倍,波长488nm时在凹面镜和输出镜上的光斑半径：
w0=0.215w凹0.32mm放电管直径:
D=（34）w凹1mm,2确定放电管长度Ar+激光器输出功率的经验公式：
PW=KJVK为由实验确定的系数，对此器件K0.0008；J为管内电流密度（A/cm2）V为激活介质的体积l为放电管长度。
可得,若用户对488nm谱线输出功率的要求为10mW，根据488nm的功率Pw约占总功率40，那么激光器要求的总功率应为PW=Pw/40%=25mW己知管内额定电流I为8A，则管内的电流密度,将Pw、J、K、D等值代入式l，求得放电管长度,l4cm,3.确定输出镜的最佳透射率,对Ar+激光器一般取m0001，00则由算出的菲涅耳数N和几何参数g在TEM00模衍射损耗图中查得。
（ND2/4L1.55，g1-L/R0.45）查得00+m0.003取小信号增益系数G02.110-2/cm算得最佳透过率Topt=2%4.光束发散角的计算:
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