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激光切割加工如何激发态粒子?

发布时间:2020-10-21人气:5

由粒子数反转分布阙值条件可知,对激光切割加工激光上能级,我们希望激发速率大消激发要尽量少,以保上能级有较大的粒子集居数。对于激光切割加工激光下能级则相反,希望激发速率小,弛豫速度快使下能级处于排空状态。在CO2激光器中,引起激发态能级粒子弛豫的原因除对激光输出有益的自发辐射、受激辐射之外,还有与气体碰撞而弛豫的体积弛豫和因扩散到管壁处与管壁碰撞而弛豫的管壁弛豫(又称管壁效应)。

激光切割加工激光下能级的激发CO2分子100020能级是CO2激光器的激光下能级。这两能级上的粒子有以下四个来电子碰撞激发电子碰撞基态CO2分子使其跃到10°0020能级有两种激发途径。直接激发电子使基态CO2分子一次跃迁到100020能级CO2000+e→CO2100020+e根据量子力学中与基态无光学联系的能级电子碰撞激发概率较小的论点,电子对CO2分子100020两能级直接激发概率很小,因为它们对基态是禁戒跃迁的2)逐级激发电子先将CO2分子由基态激到010能级然后电子再与010能级上的分子碰撞,使它跃到100020能级CO2O00+e→CO201'0+e1-10O2010+e→CO2100020+e由于100020能级与010能级间以及010能级与基态间都存在光学联系,根据电子碰童激发速率的规律,逐级激发的概率较前者要大,串能激发这是由高能级(包括010能级)上的粒子辐射跃迁或碰撞弛豫到10°002°0能级的激发,这种激发概率较小,分子碰撞激发两个处于010能级的CO2分子相互碰撞后,其中一个激发至100能级或020能级,另一个回到基态,即轴快流激光器的弛豫过程气体放电时激光器内气体的各个能级除有激发过程外,同时还有弛豫(消激发)过程。

 

由粒子数反转分布阙值条件可知,对激光切割加工激光上能级,我们希望激发速率大消激发要尽量少,以保上能级有较大的粒子集居数。对于激光切割加工激光下能级则相反,希望激发速率小,弛豫速度快使下能级处于排空状态。在CO2激光器中,引起激发态能级粒子弛豫的原因除对激光输出有益的自发辐射、受激辐射之外,还有与气体碰撞而弛豫的体积弛豫和因扩散到管壁处与管壁碰撞而弛豫的管壁弛豫(又称管壁效应)。对不同能级这两种弛豫随气体种类气体压强和气体温度改变产生的效果是不同的1.激光上能级的弛豫CO2激光器的上能级001能级的弛豫是由体积弛豫和管壁弛豫两部分合成的,即其弛豫速率关系为Kn=Ky+K1-16)在CO2气压较低时,放电管内管壁弛豫速率较大。随CO2气体气压增高,激发态粒子因与气体碰撞而不易扩散到管壁,使管壁弛豫速率大大下降。而体积弛豫则随气压的增大而线性增长。CO2激光器中的体积弛豫速率不仅与管内的CO2气体本身有关,还与充人管内的辅助气体的种类及气压有关。表1-2列出不同的混合气体中CO2001)的弛豫速率常数k1.从表中看到H2H2O001能级弛豫速率较大不利于001粒子的积累。要减弱对上能级粒子的弛豫就要对充人放电管内的气体种类以及它们的含量和纯度加以选择和控制。因上能级主要是靠N2选择激发实现粒子数反转的,所以气体温度下降所造成上能级粒子数的减少与其相比可略而不计。

 

激光切割加工激光下能级的弛豫CO2激光器100290两能级对基态是禁戒跃迁的它们只能辐射跃迁到010能级,再由10能级辐射跃迁到基态。这三个能级寿命都很长,辐射弛豫速率很小,远不及与气体分子碰撞而弛豫的过程(见表1-3)。因能量近似共振10020粒子与基态CO2分子碰撞,极易豫到010能级但这一过程不能完全解决下能级的弛豫问题。因为CO2010)粒子与基态CO2分子的碰撞弛豫是振动能转化为平动动能的过程(常称V-T过程)CO2010+CO200→2CO200+667cm这一过程△E>h7,反应速率常数较小,所以在010能级上出现了粒子的堆积(常称这种低能级阻塞现象为瓶颈效应)。堆积010粒子是很活跃的,它可以俘获辐射的光子跃回100020能级,又可以通过弛豫逆过程而使100020能级粒子增多,反转粒子数减少。严重时,还可以使激光停止振荡。为了解决粒子的堆积,排空激光下能级,常用的方法是在激光器内加适量的辅助气体M,通过它们与CO2010)分子碰撞来消耗010粒子的能量,使它弛豫。同时降低管内气体的温度使下能级粒子减少。CO2010+MCO2O0°0+M+△E气体种类M不同,反应的截面差别很大,表1-4列出不同气体弛豫010粒子的速率常数k3CO2010)对应的弛豫时间。由表可以看出,H2O对下能级010弛豫要比CO2100倍,倘若增高管内气压,下能级的弛豫效果会更好。但对激光上能级H2O产生的影响也比其他气体要高10~1000倍。 激光切割加工如何激发态粒子?

因此,确定哪种气体作激光器的辅助气体要从上、下能级对粒子数的要求及各种气体对它们的影响来综合考虑。在CO2激光器激光下能级的排空主要靠气体碰撞,它对管壁弛豫的要求不同于He-Ne激光器故它能在放电管管径较粗(几毫米-几十毫米),管内气压在较高的情况下获得大的输出功率。


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