普通的封離式CO2激光器包括腔片架、放電管、電極和電源等幾部分。圖(1)是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上,最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。全反射鏡為凹面鏡,輸出反射鏡一般為平面鏡,采用能透過10.6mm激光的紅外材料制成。通常用的紅外材料有兩類:一類是堿金屬的鹵化物鹽,例如,KCl、NaCl、KBr等晶體;另一類是半導(dǎo)體材料,如鍺、硅、砷化鎵等。
圖(1) 封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖
1.平面反射鏡 2. 陰極 3.水冷管 4.儲氣管#p#分頁標(biāo)題#e# 5.陽極
CO2激光器的放電管多采用硬質(zhì)玻璃制成,小型CO2激光器的放電管孔徑一般是4~8mm,輸出功率大的孔徑通常在10mm以上。水冷套管放在儲氣管內(nèi)部,使得支撐諧振腔外管的內(nèi)徑很大,既可儲存大量氣體,又具有很好的機械穩(wěn)定性。CO2激光器中設(shè)置的回氣管可以將放電管的陰極和陽極空間連通,保證氣體分布均勻,壓強平衡。
CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖如圖(2)所示。由圖可見,相應(yīng)于10.6mm波長的能級躍遷是(0001)® (1000),相應(yīng)于9.6mm 波長的能級躍遷是#p#分頁標(biāo)題#e#(0001) ®(0200)。CO2激光器的工作氣體除CO2氣體外,還有適量的輔助氣體N2和He等。充入He氣的作用有二:一可加速CO2分子在((0001)能級的熱馳豫速率,有利于激光下能級上的粒子數(shù)抽空;二可利用He氣導(dǎo)熱系數(shù)大的特點,實現(xiàn)有效地傳熱。充入N2氣的作用是提高CO2分子的泵浦速率,為CO2激光器高效運轉(zhuǎn)提供可靠的保證。
圖(2) 與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖
當(dāng)CO2激光器進(jìn)行氣體放電時,一部分高速電子直接碰撞CO2分子,使其由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)#p#分頁標(biāo)題#e#(000l)上,另一部分高速電子與N2分子碰撞,使其由基態(tài)(V=0)激發(fā)到高能態(tài)(V=1)上(N2分子的相應(yīng)能級已表示在圖(2)中)。由于N2分子的激發(fā)態(tài)(V=1)與CO2分子的(0001)能級非常接近,很容易通過共振能量轉(zhuǎn)移過程將基態(tài)CO2分子激勵到(0001)能級上。于是,通過上述兩種過程,有效地實現(xiàn)了CO2分子在(0001)能級上的粒子數(shù)積累,一旦實現(xiàn)(0001)與(1000)、(0200)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),即可通過受激輻射,產(chǎn)生#p#分頁標(biāo)題#e#10.6mm和9.6mm兩種波長的激光。
由CO2分子能級躍遷圖可見,10.6mm和9.6mm兩條譜線有共同的激光上能級(0001),因此在它們之間將產(chǎn)生強烈的譜線競爭。由于相應(yīng)于10.6mm波長的躍遷幾率比9.6mm大,所以通常CO2激光器的輸出激光波長為#p#分頁標(biāo)題#e#10.6mm。