小型直流電源激發慢軸流式CO2 雷射之設計與製作

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1、遠東學報第十九期中華民國九十年十月出版小型直流電源激發慢軸流式CO2雷射之設計與製作ThedesignandfabricationofasmalltypeCO2laserwithslowaxialflowandDCdischarge張勝雄洪美玲邱明誠遠東技術學院電機系摘要二氧化碳雷射在工業應用上至為重要，而製成優秀的小型的二氧化碳雷射為雷射製作工藝的基礎。本文擬從雷射物理的探討而考慮雷射的製作原理，包括如何激發雷射介質及如何設計的雷射共振腔以取得最佳輸出以及控制輸出模式。進而設計小型雷射整體架構的製作程序，最後實驗得到雷射輸出的特性。關鍵詞：CO2雷射，直流放電，慢速水流，居量反轉325遠東

2、學報第十九期中華民國九十年十月出版射所產生的光，和外來光子可以相輔相加，而有了一、前言增強的作用。近二十年來，雷射技術得以迅速的發展，是(2)自發放射,是隨机的沒有方向和相位一致由於雷射光束具有高亮度、準直性、方向性、同調性，於是沒有增強的作用。是以能有效增強光波的性之特點，因此在許多方面獲得了廣泛的應用，而介質，必須是自發放射性較弱，使其有机會受到外在眾多種雷射以CO2雷射的製作與應用為較早且較來光子誘導而放出加強性光子。愛因斯坦導出發受多，尤其是工業界及醫療單位，近年來CO2雷射在激放射和自發放射的机率，正比於光子密度乘以波國內已被接受和引進，雖然已經漸趨普及，但雷射長的三次方。因此波長

3、較長的紅外線雷射，要比波畢竟是一種新的工具，還有許多地方等待我們去發長較短的可見光或紫外線雷射更容易引起激發放掘及改進。射並產生強化作用，二氧化碳雷射波長頗長二氧化碳雷射在工業應用上至為重要：例如金(10.6µm)，所以受激放射的机率大而使其效率可高屬與陶瓷材料上的鑽孔、切割或焊接，鋼材的表面達15%甚至20%。處理，半導體或絕緣材料化學磊晶成膜，以及高溫超導材料之蒸度或退火等。而製成優秀的小型的二(B)二氧化碳的能級氧化碳雷射為雷射製作工藝的基礎。二氧化碳可輸出10.6微米的原因，在於其能態間的躍遷。二氧化碳產生雷射躍遷的能級，都是振動級。什麼是振動能級呢?二氧化碳是線形的分二、理論與方法

4、子，碳原子核居中而氧原子核分居兩側。至於電子雷射的製作工藝有賴雷射物理充份瞭解。雷它包圍整個分子。就帶電的分佈來說，外層電子在射物理所探討的範圍，包括碳核外圍的机率較低而在氧核外圍的机率較高，所1.如何激發雷射介質-如二氧化碳-進入產生以二氧化碳帶電的方式是碳帶正而氧帶負電，因庫雷射的必要條件:居量反轉(population倫引力而組合在一起。此一帶電所產生的庫倫力，inversion)非常態分佈;又和原子核之間的庫倫斥力平衡，使得核之間保持2.如何設計的雷射共振腔以取得最佳輸出以及控了相對的距離。此情況，就像碳核和兩個氧之間，制輸出模式。激發方式和效率，涉及了量子力以彈簧相互繫住一樣。如此

5、一來，我們可以把二氧學、放電與熱力學;共振腔設計又涉及光學。又化碳當做一個高諧振動子來處理:它的振動模式如由此可見雷射物理實在是既深入又廣闊。圖一所示共有三個，分別(B)是以頻率ν1=13134.165x10Hz振動的對稱伸縮;(C)以ν2=2x10Hz13二氧化碳雷射，又可以說是各型雷射中，與形變振動的彎曲;(D)以及以ν3=7.042x10Hz振動物理關係最密切的，其主要的物理機制為的反對稱伸縮模式。按照量子力學中高諧振動理論，二氧化碳的振動能量Evib是:(A)二氧化雷射的自發與受激放射Evib=(v1+1/2)hν1+(v2+1/2)hν2+(v3+1/2)hν3…………………(1)

6、(1)受激放射，是謂可放射的介質在受到外來在(1)式中，v1，v2和v3分別是ν1，ν2和ν3的振動量電磁波或光子的誘導之下，發出同一波長、相位和子數，都可以取0，1，2…等整數值。當v1=v2=v3=0極化及傳播方向的光子。的時候，Evib=1/2hν1+1/2hν2+1/2hν3，這就是零當然，產生此一作用的前題是介質必須有能點能量(zero-pointenergy)。至於每一振動能力發出此一波長，或有適當的能階躍遷時得以放射態，階別以(v1，v2，v3)表示之:例如v1=1，v2=v3=0或吸收此一波長的光子。除此之以外，經由受激放的時候，以(1，0，0)表示，它的振動能量是3/2hν

7、1326遠東學報第十九期中華民國九十年十月出版13+1/2hν2+1/2hν3，也就是以ν1或4.165x10Hz位於零以上。因頻率之值以Hz表示時甚大，我們慣以-110-1cm=3x10Hz來表示:此時ν1=1388.3cm，ν2-1-1-1=667.3cm而ν3=234.7cm。利用cm為頻率單位-1有其方便之處，例如ν3是以234.7cm在ν1之上，將此取倒數，就知道ν3到ν1的躍遷可放出1/(959-