由粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布闕值條件可知，對激光切割加工激光上能級，我們希望激發(fā)速率大消激發(fā)要盡量少，以保上能級有較大的粒子集居數(shù)。對于激光切割加工激光下能級則相反，希望激發(fā)速率小，弛豫速度快使下能級處于排空狀態(tài)。在CO2激光器中，引起激發(fā)態(tài)能級粒子弛豫的原因除對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散到管壁處與管壁碰撞而弛豫的管壁弛豫（又稱管壁效應）。
激光切割加工激光下能級的激發(fā)CO2分子100020能級是CO2激光器的激光下能級。這兩能級上的粒子有以下四個來電子碰撞激發(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CO2（000）+e→CO2（100或020）+e根據(jù)量子力學中與基態(tài)無光學聯(lián)系的能級電子碰撞激發(fā)概率較小的論點，電子對CO2分子100與020兩能級直接激發(fā)概率很小，因為它們對基態(tài)是禁戒躍遷的2）逐級激發(fā)—電子先將CO2分子由基態(tài)激到010能級然后電子再與010能級上的分子碰撞，使它躍到100或020能級CO2（O00）+e→CO2（01'0）+e（1-10）O2（010）+e→CO2（100或020）+e由于100020能級與010能級間以及010能級與基態(tài)間都存在光學聯(lián)系，根據(jù)電子碰童激發(fā)速率的規(guī)律，逐級激發(fā)的概率較前者要大，串能激發(fā)這是由高能級（包括010能級）上的粒子輻射躍遷或碰撞弛豫到10°0或02°0能級的激發(fā)，這種激發(fā)概率較小，分子碰撞激發(fā)兩個處于010能級的CO2分子相互碰撞后，其中一個激發(fā)至100能級或020能級，另一個回到基態(tài)，即軸快流激光器的弛豫過程氣體放電時激光器內(nèi)氣體的各個能級除有激發(fā)過程外，同時還有弛豫（消激發(fā)）過程。
由粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布闕值條件可知，對激光切割加工激光上能級，我們希望激發(fā)速率大消激發(fā)要盡量少，以保上能級有較大的粒子集居數(shù)。對于激光切割加工激光下能級則相反，希望激發(fā)速率小，弛豫速度快使下能級處于排空狀態(tài)。在CO2激光器中，引起激發(fā)態(tài)能級粒子弛豫的原因除對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散到管壁處與管壁碰撞而弛豫的管壁弛豫（又稱管壁效應）。對不同能級這兩種弛豫隨氣體種類氣體壓強和氣體溫度改變產(chǎn)生的效果是不同的1.激光上能級的弛豫CO2激光器的上能級001能級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，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001能級弛豫速率較大不利于001粒子的積累。要減弱對上能級粒子的弛豫就要對充人放電管內(nèi)的氣體種類以及它們的含量和純度加以選擇和控制。因上能級主要是靠N2選擇激發(fā)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，所以氣體溫度下降所造成上能級粒子數(shù)的減少與其相比可略而不計。
激光切割加工激光下能級的弛豫CO2激光器100290兩能級對基態(tài)是禁戒躍遷的它們只能輻射躍遷到010能級，再由10能級輻射躍遷到基態(tài)。這三個能級壽命都很長，輻射弛豫速率很小，遠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能級但這一過程不能完全解決下能級的弛豫問題。因為CO2（010）粒子與基態(tài)CO2分子的碰撞弛豫是振動能轉(zhuǎn)化為平動動能的過程（常稱V-T過程）CO2（010）+CO2（00）→2CO2（00）+667cm這一過程△E>h7，反應速率常數(shù)較小，所以在010能級上出現(xiàn)了粒子的“堆積”（常稱這種低能級阻塞現(xiàn)象為瓶頸效應）。“堆積”的010粒子是很活躍的，它可以俘獲輻射的光子躍回100020能級，又可以通過弛豫逆過程而使100和020能級粒子增多，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少。嚴重時，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，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。同時降低管內(nèi)氣體的溫度使下能級粒子減少。CO2（010）+MCO2（O0°0）+M+△E氣體種類M不同，反應的截面差別很大，表1-4列出不同氣體弛豫010粒子的速率常數(shù)k3及CO2（010）對應的弛豫時間。由表可以看出，H2O對下能級010弛豫要比CO2大100倍，倘若增高管內(nèi)氣壓，下能級的弛豫效果會更好。但對激光上能級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、下能級對粒子數(shù)的要求及各種氣體對它們的影響來綜合考慮。在CO2激光器激光下能級的排空主要靠氣體碰撞，它對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。
文章由：激光切割加工 http://cnditron.cn 佛山市凱利特五金制品有限公司整理提供，此文觀點不代表本站觀點
