CO2激光器原理（第一節）

分子氣體激光器利用分子的振動一轉動能級之間的躍遷。第一類分子激光器是振動一轉動激光器。它利用同一電子態(基態)的不同振動態的轉動能級之間的躍遷，振盪波長在中紅外或遠紅外波段(5-300 m)。第二類分子激光器是電子—振動激光器。

CO2激光器是振動—轉動分子激光器的代表。它的工作氣體是CO2,N2和He的混合物。原子裡的電子保留在基態，激光躍遷發生在CO2的不同振動態的兩個轉動能級之間。CO2激光器效率高,輸出能量大,功率高。

可能的躍遷：

根據波函數對稱性的要求，在電子基態上的振動和轉動波函數應具有相同的對稱性：對稱振動的波函數是對稱的，彎曲振動和反對稱振動的波函數是反對稱的。J為偶數的轉動態的波函數是對稱的，J為奇數的轉動態的波函數是反對稱的。因此，在0001能級上，J為偶數的轉動能級是空的，在1000能級上，J為奇數的轉動能級是空的。

對CO2分子講，在每一個振動能級上，不是所有J值的轉動能級都存在。在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支是非禁戒的。P(20)指的是從上能級J=19到下能級J=20的躍遷；R(20)指的是從上能級J=21到下能級J=20的躍遷

激發過程

激光躍遷可發生在00011000(≈10．6m)和00010200(≈9．6m)兩個過程中。但輸出激光主要發生在00011000過程中。

泵浦主要通過下面兩個過程：

電子碰撞激發，這個過程表示為：

與這類過程相對應的電子碰撞截面非常大。當電子能量為0.3eV時，峰值截面為510-10cm2。受到電子碰撞後被激發到高振動激發態的CO2分子中的很大一部分將通過振動模與振動模之間的能量交換（V-V遲豫），從激發態沿著能量階梯躍落下來，很容易被長壽命的0001能級收集。

• N2分子的共振能量轉移：

電子碰撞激發N2的振動能級的總截面很大。這些被激發的很大一部分分子將被u=1的能級所收集。N2的u=1能級與CO2的0001能級僅相差18cm-1(≈2.5´10-3eV)，因此，N2與CO2的基態分子發生碰撞時，N2將激發能量轉移給CO2分子，使之激發到0001能級；這個過程可表示為：

N2(u=1)+CO2(0001)®N2(u=0)+CO2(0001)-2.5´10-3eV

因此，通過N2分子的近共振能量轉移來泵浦0001能級是很有效的過程。

N2是CO2激光器中的能量轉移氣體。當E/N=2．6´10-16Vcm2時，輸入電功率的大部分被用於激發0001能級。所以說CO2激光器的效率是相當高的。

激光上下能級的壽命和下能級的排空

• CO2各能級的自然壽命都很長。0001能級的ts=2´10-3秒，1000能級的ts=1.1秒。這是因為，0001®0000是允許的光學躍遷，而1000®0000是禁戒的。這種情況對產生激光振盪十分不利。
• 在CO2激光器中有多種氣體成分存在，使不同能級的衰變主要取決於碰撞。
• CO2分子的0110能級能否被儘快排空。實際情況是，0110能級使分子到基能級的衰變變慢，它的作用表現為一種瓶頸現象。
• He的存在將對0110能級的壽命產生很大影響。He與0110能級上的CO2分子碰撞的結果使0110能級的壽命達到t=2×10-5秒。
• He的存在不僅有助於抽空CO2分子的激光下能級，滿足實現激光連續振盪的條件。而且有助於讓放電區的剩餘熱量傳走 。

轉動能級競爭

• 不同的振動能級之間的熱平衡速率較小，約為103秒-1；而在同一振動態上的不同轉動能級之間的熱平衡速率很大，約為107秒-1)。於是，處在同一振動態的所有轉動能級上的全部粒子都對具有最高增益的那個轉動能級的激光躍遷有貢獻。
• CO2分子可以看作是一個“啞鈴”形的剛性轉子。轉動量子數為J的轉動能級上的平衡粒子數為：
• 在CO2分子的0001能級中，J=21的轉動能級上的粒子數最多。
• CO2激光器的結構
• CO2激光器的種類多，應用廣泛。從激光器的結構來看，CO2激光器可分為 ：
• (1)縱向封離型激光器；(2)縱向流動激光器；(3)橫向流動激光器；(4)橫向激勵高氣壓激光器(TEA)；(5)射頻激勵激光器；（6）波導CO2激光器；（7）氣動激光器。
• 下次講CO2激光器原理第二節