CO2 laser

實驗目的 :

讓學員熟悉一普通慢速軸流低氣壓CW—CO2雷射的組合對光(alignment) 以及其特性。

本實驗裝置圖如下:

CO2雷射

Q-switching

1

二.實驗原理:

1. CO2雷射工作原理:

CO2分子是一種線性對稱排列約三原子分子。三個原子排列成一直線。

中央是碳原子，兩端是氧原子。如圖5-8所示。CO2分子一般有三種振動形式。分別為--反對稱振動模、對稱振動模、形變振動模三種。

(1) 反對稱振動模。三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的運動方向與兩個氧原子的相反(如圖5-8m)。用v3量子數來標記這一振動方式(v3 =0,1,2...)。其基振動頻率為v3 =7 x 1013 Hz。

(2)對稱振動模。三個原子也是沿著對稱軸振動。但碳原子保持在平衡位置不

2

動，而兩個氧原子同時向著碳原子或背著碳原子振動如圖5,8(b)。這一振動模式用量子數v1記，v1=0，1,2,…)其基振動頻率為v1=4x1O13Hz。

(3)形變振動模。三個原子的振動方向不是沿對稱軸的，而是垂直於對稱軸。並且碳原子的運動方向與兩個原子的相反。這一振動模式用v2記(v2=0,1,2…)。這一振動模是二度簡并的。因為它又對應於兩種簡并的振動方式:一種是三個原子作上下振動，一種是作前後振動。在無外場時，這兩種振動方式所具有的能量相同。其基振動頻率v2=2 x lO13Hz,如圖5-8(c)所示。

在一級近似中，上述三個振動模相互獨立。CO2分子的振動由這三個振動模來決定。因此相應的振動能級就可用量子數(v1, v2l , v3)來表示。

上面v2右上角的符號L是振動角動量量子數。因為v2代表形變振動模，而形變振動有兩個互相垂直的振動方式，其合振動運動構成圓周運動。像在原子或分子中的電子作軌道運動時的角動量要求量子化一樣，這一振動合成的圓運動的角動量在分子軸上投影也要量子化，量子數是l，取值範圍是: l =v2 , v2-2,…..,0 (v2為偶數時) l =v2 , v2-2,…..,1 (v2為奇數時)

l = O的能級是非簡并的。l = 0的能級是二度簡并的。與分子光譜中以電子軌道角動量在分子對稱軸投影的量子數命名能級一樣，CO2分子的振動能級有時也用l值來命名。l的值可用下面大寫的希臘字母來代替。 l = 0 , 1, 2, 3 符號 :

, , Δ , Φ

2. CO2雷射能級躍遷原理

3

圖5,9是CO2分子與雷射振盪有關的部份能級圖。圖中的能級用兩種符號標記，即振動量子數(v1, v2 , v3)和l的希臘字母符號來表示。其中\"十\為波函數的對稱性，在基礎篇分子能級中已有介紹過了，因此能級匕(1 00 0),(0 1' 0)等 (01'0), (00°1)等可分別記做+ g,

u ,

+

u 等。

CO2雷射的主要雷射振盪10.6um及9.6um發生在+ -----------> u

+

g

之間，顯然它是四能級泵浦系統。實際上的雷射振盪譜線內含有許多條譜線，緊密排列組成精細的結構。(但其中最強的線是P(22)線:J` =21---->J” =22)。因為每一個振動能級中有由於轉動運動而產生的許多轉動分能級，每一對振動能級之間 的躍遷，實際上包括了許多條振一轉之間的躍遷精細結構。

盡管包含有如此大量的躍遷，但是，實際上同時發生振盪的波長，只有1~3個，這是由於轉動躍遷競爭的結果。

CO2雷射的上能級是(0001)

+

u能級，其在氣體放電中被激發的基本過程有:

(1)電子直接碰撞激發 : 具有適當能量的電子與基態CO2分子發生非彈性碰撞，直接將CO2分子從基態激發至(0 001)能級 CO2 (000) + e快速 -----> CO2* (0001) + e慢速

4

電子直接激發CO2分子至(0001)能級的截面相當大，在電子能量等於0.3eV時，高達5 x 10-16 cm2。

(2)串級躍遷 : 電子碰撞也可能把CO2分子激發到(00v3)(v3>1)能級上去，這些被激發的CO2分子，可能迅速地，逐級地串聯弛豫到(0001)能級中去，即 CO2* (00v3) + CO2 (000) -----> CO2*(0,0，v3-1) + CO2* (0001)

(3)復合過程 : 在CO2混合氣體放電過程中，部份CO2分子被離解成CO和氧

原子(0)，它們再復合時能形成處於(00°1)能級的CO2分子。

(4)CO* (v = l )的共振能量轉移 : 另外一個過程是CO分子被電子所激發，然後與基態CO。分子碰撞，通過轉移能量把CO分子激發到(0001)能級。CO2分子的電離能比較小(2.8eV)，在放電過程中，形成大量CO分子，所以這一個激發過程對形成CO2分子的粒子數反轉起十分重要作用。CO*( v = 1 )的

能量與CO2 (0001)的能量只差170cm-1，，因此能量轉移速率很大，而電子碰撞激發CO的截面也相當大，在電子能量為1.7eV時，高達8x1O-6cm2。 (5)激發態氮分子的選擇激發 : 如果在CO，中適當地加入一些其它氣體原子或分子，還可以有其他的一些激發過程。例如:加入N2。就有選擇激發CO2分子的(0001)能級的作用，因N2的v=1能級與CO2的(00°1)能級僅相差18cm-1，能量轉移的速率是極快的。

上述幾個激發泵浦過程的截面都是十分大的，這也就能解釋為什麼CO2雷射的效率那麼高的原因。

3.Q-switching的原理

2 x 腔內儲存的能量

Q == ----------------------------------------------------- 在腔內光子運行一周所損耗的能量

因此它表示了腔的損耗率。Q值越高腔損耗越小，反之，損耗越大。Q開關就是利用一種光學開關元件來改變共振腔的Q值，而對共振腔內雷射振盪起\"開\"與\"關\"的作用。

在工作物質被泵浦的起始階段，共振腔內Q開關處於關閉狀態，腔處於高損耗狀態，腔Q值極小，雷射振盪不能產生，使工作物質內的粒子數反轉得到盡可能大的累積。當累積達到最大程度時，突然打開Q開關，腔Q值突然激增，迅速接通了光子往返回路瞬間消耗累積的粒子數反轉而產生持續時間很短的高

5

功率雷射輸出。常用的Q開關有機械式的Q開關、電光Q開關、聲光Q開關及染料Q開關。

利用這種Q開關技術可以獲得很窄寬度的雷射脈衝(小到I0ns左右)不管連續的還是脈衝運轉的雷射都可以用這種技術來獲得大峰值功率的輸出。但不是所有的雷射都可以用Q開關技術的。其必要條件是雷射的上能級必須要有相對

三.實驗步驟 :

1.首先利用He-Ne laser來從事CO2雷射的對光(alignment)，因為CO2雷射是高強度與IR不可見光，所以先以He-Ne laser來幫助我們對CO2雷射光路的準直。 2.我們先利用對光用的壓克力板比對出CO2雷射cavity的中心高度，然後將壓克力板做上記號，置於第一面TRM與第二面TRM之間。

6

3.因為光是走直線的，只要光線的高度準直了，水平方向的準直也就容易的多，所以讓He-Ne laser 光點經由第一面TRM反射然後調整使其打在壓克力板的記號處，同時我們盡量讓光線打在TRM的中心處。

4.光經由第一面TRM的光線高度正確了，然後再將壓克力板放置在第二面TRM與Brewster window間，調整第二面TRM使光線的高度打在壓克力板記號處。 5.此時會觀察到光點會經由CO2雷射cavity中心然後打在牆上一個完整的光點，然後微調第一面與第二面TRM使光點更完整。

6.此時完成了單向的光準直，然後放置另一面TRM在CO2雷射cavity後反向調整光的高度使其在第二面TRM與Brewster window間的壓克力板的記號處，此時會發現反向的光點與入射光點大致重合，此時便完成了alignment。 7.此時裝上Breswster與另一邊cavity的鏡子，並在Breswster與第二面TRM間放置雷射功率的detector。

8.請助教檢查光路系統確定無誤後先抽真空一段時間後，打開冷卻水，打開CO2氣瓶，然後打開氣閥，然後打開discharge current,此時便發現cavity內充滿藍色CO2氣體，此時便可做第一項實驗了。

9.第一項實驗做完後，將cavity後的TRM換成裝在馬達上的小旋轉鏡，並將雷射功率計與Hg Cd Te detector換成IR detector 與示波器。

10.先將旋轉鏡對光看示波器上有無lasering出現，因為旋轉平面鏡與鋁座不是密合而是鬆動的(如下圖)，所以我們便在其空隙處墊上紙片，調整其仰角，然後打開powersupply使旋轉鏡旋轉。

11.經由數次調整終於看到示波器上有脈衝的訊號出現，便可以開始做實驗了。

7

四.實驗結果與數據分析:

(I). 針對數個不同的氣壓值，觀察output power 與 discharge current 的關係

gas pressure ( 760mmHg --1 / 格 ) 相差4格 Gas pressure discharge current (2.5mA/單位) output power (Watt)

8

gas presure 差4格0.70.6output power (watt)0.50.40.30.20.10-0.10510152025discharge current (1單位=2.5mA)

Gas pressure discharge current (2.5mA)

相差5格 output power (Watt)

gas presure 差5格1output power (Watt)0.80.60.40.20-0.20510152025discharge current (1單位=2.5mA) 相差5.5格 output power (Watt)

gas pressure discharge current (2.5mA) 9

gaspresure 差5.5格0.4output power (watt)0.30.20.10-0.10510152025discharge current (1單位=2.5mA)

Gas pressure discharge current (2.5mA)

相差7格 output power (Watt) gas presure 差7格output power (Watt)1.510.50-0.50510152025discharge current (1單位=2.5mA)

Gas pressure discharge current (2.5mA)

相差8格 output power (Watt) 10

gas presure 差8格5432100510152025

(II). 固定current 觀察gas pressure 與out power的關係

output power (Watt)discharge current (1單位=2.5mA)current =25mA543210-10output power (Watt)246810 氣壓差的格數

11

current = 30mAoutput power (Watt)6420-20246810氣壓差的格數

current = 15mA output power (Watt)4321005氣壓差的格數10

(III) Q-switching

(1)固定氣壓8格(( 760mmHg --1 / 格 ) 、鏡轉速，觀察不同掃描速率的脈衝圖形

12

(2)固定氣壓8格( 760mmHg --1 / 格 )、固定掃描速率(5u sec)，

改變鏡轉速(改變power supply 的電壓大小)，觀察脈衝圖形。

鏡轉速

V=1.1v V=2.0v V=3.0v

(3)固定氣壓8格( 760mmHg --1 / 格 )、固定鏡轉速(V=2.5v)，掃描速率(5u sec)，

改變放電電壓觀察脈衝圖形。

V放=4 v V放= 3.5v

13

五.問題與討論

1.CO2 氣瓶裡加入少量的Xe和H2O或H2的目是在於提高CO2雷射器件的輸出

功率，但CO2氣体是主體。

2.我們儘量把He-Ne雷射對光的光線對到所有鏡面的正中心處，因為所有鏡面中

心的quality比較好，對出來的光強度較好也較好對光不致偏折。

3.我們發現到He-Ne雷射光源距離桌面的高度與CO2 cavity中心距離桌面的高度不相同，有一點偏差，此一點偏差就增加了對光準直的困難度。

4.我們也觀察到CO2 laser的輸出功率與放電電壓與放電電流並非呈線性關係，

放電電造成放電時會有一個起始電流閥值。

5.我們也觀察到CO2 laser的功率大小跟CO2 laser cavity氣壓也非呈線性關係，它同時跟放電電流與發電電壓有關，也就是說，CO2 laser cavity內的氣壓 越高並不一定得到越高的laser輸出功率，必須與放電的電流與電壓匹配，才

能達到最高的laser 輸出功率。

6. 我們也觀察到CO2 laser cavity氣壓調至最低始有放電產生時，隨著氣壓的調

升，CO2 laser cavity 的藍色氣体會從顆粒狀變成充滿整個cavity，這可能與CO2氣體的解離有關。

14

7.我們觀察到做Q-switching實驗時，平面旋轉鏡鏡面(即仰角)必須與雷射光完

全垂直，只要稍有不垂直，反射光未通過CO2 cavity的中心處，便得不到lasing的輸出。

8.我們觀察Q-switching的脈衝圖形發現脈衝圖形會隨著時間pass而逐漸緩慢

減小這可能與CO2氣體的吸收飽和有關。

9.我們發現不管是什麼條件(改變鏡轉速或放電電流)的Q-switching的脈衝圖形 在極小的掃描速率scale 皆成柱狀一根的脈衝圖形，只有放大掃描速率scale 才能發現脈衝圖形所含的mode數與脈衝寬度。

六.附註

Tunable CO2 laser

15