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准分子激光器特点、工作原理、分类介绍-飞越激光

准分子激光器输出的脉冲激光是紫光或紫外线,短波长激光输出是准分子激光器应用于激光加工的突出优点。准分子激光器输出紫外激光的波长短、频率高。因而光子能量大,可以直接深入到材料内部进行加工,得到极好的加工质量。

准分子是一种在激发态能暂时结合成不稳定分子,而在基态又迅速离解成原子的缔合物,因而也称为“受激准分子”。准分子激光器与CO₂激光器等其他激光器不同,后者的跃迁发生在束缚态之间,而准分子的激光跃迁则是发生在束缚的激发态和排斥的基态(或弱束缚)之间,属于束缚一自由跃迁。

1.准分子激光器的特点

(1)准分子以激发态形式存在,寿命很短,仅有10¯8s量级,基态为10¯13s量级,跃迁发生在低激发态和排斥的基态(或弱束缚)之间,其荧光谱为一连续带。

(2)由于其荧光谱为一连续带,故可以实现波长可调谐运转。

(3)由于激光跃迁的下能级(基态)的离子迅速离解,激光下能级基本为空的,极易实现粒子数反转,因此量子效率很高,接近100%,且可以高重复频率运转。

(4)输出激光波长主要在紫外线到可见光段,波长短、频率高、能量大、焦斑小、加工分辨率高,更适合用于高质量的激光加工。

2.准分子激光器工作原理

准分子激光器中的激光跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态(或弱束缚)之间。准分子激光器大多采用强的快电子束或强的快速放电激励。前者的稳定性较好,但能量转换效率较低;后者可以提供很高的脉冲能量,但放电不够稳定。现以放电激励氟化氮KrF’准分子激光器为例,说明激光器的激励过程:在放电过程中,被电场加速的自由电子e和氮Kr原子碰撞后,产生大量的受激氪原子,氪原子与含卤素分子NF₃碰撞,产生Kr*准分子。

这一过程可表示为:

e+Kr→Kr*+e

Kr*+NF₃→KrF*+NF₂

在准分子激光器中常充气体使其温度下降,如充He、Ne或Ar等气体,可以在碰撞时产生更多的激发态粒子,如Kr*

放电泵浦准分子激光器的结构如图2-3所示,激光器由放电室、光学谐振腔、预电离针、放电电路等组成。高压恒流电源给储能电容充电至所需电压,触发信号使闸流管导通后,储能电容向脉冲形成线(Blunlein线)放电至峰值电压时,指令触发信号使轨道开关接通,则Blumlein线形成的陡的前沿高压脉冲加在放电电极两端,在提前触发的紫外预电离情况下,使气体在50ns左右的时间内均匀放电,输出准分子激光。

准分子激光器上能级的寿命很短。如KrF*上能级的寿命为9ns,XeCl*为40ns,不适于存储能量,因此准分子激光器一般输出脉宽为10~100ns的脉冲激光。目前准分子激光器的脉冲输出能量可达数百焦耳量级,峰值功率已达千兆瓦以上,平均功率高于200W,重复频率高达1kHz.准分子激光器已在医学、显像管制造、半导体和微电子领域得到广泛应用,尤其是对脆性材料和高分子材料的加工、更显示出其优越性,准分子激光微钻孔是目前用于喷墨打印机油墨喷嘴生产中的一种有效的方法。

3.准分于漱光器的分类

准分于激光器按准分子的种类不同,可以分为以下几类(*表示准分子):

(1)情性气体准分子激光器:氙(Xe*)、氩(Ar*)等激光器。

(2)惰性气体原子和卤素气体原子结合成的准分子激光器:氟化氙XeF*)、氟化氯(ArF*)、氯化氙(XeCl*)等激光器。

(3)金属原子和卤素原子结合成的准分子激光器:氯化汞(HgCl*)、溴化汞(HgBr*)等激光器。


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