由粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布闕值條件可知，對(duì)激光切割加工激光上能級(jí)，我們希望激發(fā)速率大消激發(fā)要盡量少，以保上能級(jí)有較大的粒子集居數(shù)。對(duì)于激光切割加工激光下能級(jí)則相反，希望激發(fā)速率小，弛豫速度快使下能級(jí)處于排空狀態(tài)。在CO2激光器中，引起激發(fā)態(tài)能級(jí)粒子弛豫的原因除對(duì)激光輸出有益的自發(fā)輻射、受激輻射之外，還有與氣體碰撞而弛豫的體積弛豫和因擴(kuò)散到管壁處與管壁碰撞而弛豫的管壁弛豫（又稱管壁效應(yīng)）。
激光切割加工激光下能級(jí)的激發(fā)CO2分子100020能級(jí)是CO2激光器的激光下能級(jí)。這兩能級(jí)上的粒子有以下四個(gè)來電子碰撞激發(fā)電子碰撞基態(tài)CO2分子使其躍到10°0和020能級(jí)有兩種激發(fā)途徑。直接激發(fā)—電子使基態(tài)CO2分子一次躍遷到100或020能級(jí)CO2（000）+e→CO2（100或020）+e根據(jù)量子力學(xué)中與基態(tài)無光學(xué)聯(lián)系的能級(jí)電子碰撞激發(fā)概率較小的論點(diǎn)，電子對(duì)CO2分子100與020兩能級(jí)直接激發(fā)概率很小，因?yàn)樗鼈儗?duì)基態(tài)是禁戒躍遷的2）逐級(jí)激發(fā)—電子先將CO2分子由基態(tài)激到010能級(jí)然后電子再與010能級(jí)上的分子碰撞，使它躍到100或020能級(jí)CO2（O00）+e→CO2（01'0）+e（1-10）O2（010）+e→CO2（100或020）+e由于100020能級(jí)與010能級(jí)間以及010能級(jí)與基態(tài)間都存在光學(xué)聯(lián)系，根據(jù)電子碰童激發(fā)速率的規(guī)律，逐級(jí)激發(fā)的概率較前者要大，串能激發(fā)這是由高能級(jí)（包括010能級(jí)）上的粒子輻射躍遷或碰撞弛豫到10°0或02°0能級(jí)的激發(fā)，這種激發(fā)概率較小，分子碰撞激發(fā)兩個(gè)處于010能級(jí)的CO2分子相互碰撞后，其中一個(gè)激發(fā)至100能級(jí)或020能級(jí)，另一個(gè)回到基態(tài)，即軸快流激光器的弛豫過程氣體放電時(shí)激光器內(nèi)氣體的各個(gè)能級(jí)除有激發(fā)過程外，同時(shí)還有弛豫（消激發(fā)）過程。
由粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布闕值條件可知，對(duì)激光切割加工激光上能級(jí)，我們希望激發(fā)速率大消激發(fā)要盡量少，以保上能級(jí)有較大的粒子集居數(shù)。對(duì)于激光切割加工激光下能級(jí)則相反，希望激發(fā)速率小，弛豫速度快使下能級(jí)處于排空狀態(tài)。在CO2激光器中，引起激發(fā)態(tài)能級(jí)粒子弛豫的原因除對(duì)激光輸出有益的自發(fā)輻射、受激輻射之外，還有與氣體碰撞而弛豫的體積弛豫和因擴(kuò)散到管壁處與管壁碰撞而弛豫的管壁弛豫（又稱管壁效應(yīng)）。對(duì)不同能級(jí)這兩種弛豫隨氣體種類氣體壓強(qiáng)和氣體溫度改變產(chǎn)生的效果是不同的1.激光上能級(jí)的弛豫CO2激光器的上能級(jí)001能級(jí)的弛豫是由體積弛豫和管壁弛豫兩部分合成的，即其弛豫速率關(guān)系為Kn=Ky+K（1-16）在CO2氣壓較低時(shí)，放電管內(nèi)管壁弛豫速率較大。隨CO2氣體氣壓增高，激發(fā)態(tài)粒子因與氣體碰撞而不易擴(kuò)散到管壁，使管壁弛豫速率大大下降。而體積弛豫則隨氣壓的增大而線性增長。CO2激光器中的體積弛豫速率不僅與管內(nèi)的CO2氣體本身有關(guān)，還與充人管內(nèi)的輔助氣體的種類及氣壓有關(guān)。表1-2列出不同的混合氣體中CO2（001）的弛豫速率常數(shù)k1.從表中看到H2、H2O對(duì)001能級(jí)弛豫速率較大不利于001粒子的積累。要減弱對(duì)上能級(jí)粒子的弛豫就要對(duì)充人放電管內(nèi)的氣體種類以及它們的含量和純度加以選擇和控制。因上能級(jí)主要是靠N2選擇激發(fā)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，所以氣體溫度下降所造成上能級(jí)粒子數(shù)的減少與其相比可略而不計(jì)。
激光切割加工激光下能級(jí)的弛豫CO2激光器100290兩能級(jí)對(duì)基態(tài)是禁戒躍遷的它們只能輻射躍遷到010能級(jí)，再由10能級(jí)輻射躍遷到基態(tài)。這三個(gè)能級(jí)壽命都很長，輻射弛豫速率很小，遠(yuǎn)不及與氣體分子碰撞而弛豫的過程（見表1-3）。因能量近似共振10020粒子與基態(tài)CO2分子碰撞，極易豫到010能級(jí)但這一過程不能完全解決下能級(jí)的弛豫問題。因?yàn)镃O2（010）粒子與基態(tài)CO2分子的碰撞弛豫是振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為平動(dòng)動(dòng)能的過程（常稱V-T過程）CO2（010）+CO2（00）→2CO2（00）+667cm這一過程△E>h7，反應(yīng)速率常數(shù)較小，所以在010能級(jí)上出現(xiàn)了粒子的“堆積”（常稱這種低能級(jí)阻塞現(xiàn)象為瓶頸效應(yīng)）?！岸逊e”的010粒子是很活躍的，它可以俘獲輻射的光子躍回100020能級(jí)，又可以通過弛豫逆過程而使100和020能級(jí)粒子增多，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少。嚴(yán)重時(shí)，還可以使激光停止振蕩。為了解決粒子的“堆積”，排空激光下能級(jí)，常用的方法是在激光器內(nèi)加適量的輔助氣體M，通過它們與CO2（010）分子碰撞來消耗010粒子的能量，使它弛豫。同時(shí)降低管內(nèi)氣體的溫度使下能級(jí)粒子減少。CO2（010）+MCO2（O0°0）+M+△E氣體種類M不同，反應(yīng)的截面差別很大，表1-4列出不同氣體弛豫010粒子的速率常數(shù)k3及CO2（010）對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間。由表可以看出，H2O對(duì)下能級(jí)010弛豫要比CO2大100倍，倘若增高管內(nèi)氣壓，下能級(jí)的弛豫效果會(huì)更好。但對(duì)激光上能級(jí)H2O產(chǎn)生的影響也比其他氣體要高10~1000倍。
因此，確定哪種氣體作激光器的輔助氣體要從上、下能級(jí)對(duì)粒子數(shù)的要求及各種氣體對(duì)它們的影響來綜合考慮。在CO2激光器激光下能級(jí)的排空主要靠氣體碰撞，它對(duì)管壁弛豫的要求不同于He-Ne激光器故它能在放電管管徑較粗（幾毫米-幾十毫米），管內(nèi)氣壓在較高的情況下獲得大的輸出功率。
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