TEA CO2激光器输出特性与脉冲波形分析

本文主要探讨了瞬态电弧（TEA）二氧化碳（CO2）激光器的输出特性，特别是在不同气体混合物和泵浦水平下的表现。通过对时间变化的电子激发系数进行定量计算，作者们得出了与实验结果相吻合的分析。文章提到了Polanyi提出的部分粒子反转理论，并讨论了CO2分子实现部分粒子反转的条件。对于涉及氮气（N2）的气体混合物，文章解释了输出脉冲单一峰值的原因，这是由于部分粒子反转现象。 TEA CO2激光器自1970年首次被报道以来，因其在多个领域的广泛应用，如激光核聚变、同位素分离、激光加工和激光雷达等，而受到了广泛关注。这类激光器的输出脉冲通常由一个短促的增益开关脉冲和较长的尾部脉冲组成。研究者利用光子牵引检测器对紫外预电离TEA CO2激光器的脉冲波形进行了详细的观测，分析了不同泵浦水平下脉冲波形的变化。 为了更好地理解这些观测结果，研究人员采用了Manes和Seguin的五温度动力学模型进行分析。然而，他们发现该模型中假设的002、N2等分子各振动能级的电子激发系数为常数并不准确。事实上，实际的自持放电过程中，电场强度会随时间变化，从而影响电子激发速率。因此，他们引入了非麦克斯韦的电子分布函数，考虑了电场强度对电子激发速率的影响。 通过这种方式，他们能够更精确地模拟放电过程中的动力学行为，解释了实验观察到的输出脉冲形状的变化。特别是，当气体混合物中含有N2时，由于部分粒子反转，导致激光脉冲出现单一峰值。这部分粒子反转是指并非所有CO2分子都处于相同的激发状态，而是有一部分分子处在介于基态和激发态之间的中间状态，这种状态有利于形成激光。 这篇文章深入研究了TEA CO2激光器的工作机制，尤其是在不同工况下的性能变化，揭示了电子激发过程的时间依赖性和部分粒子反转在激光脉冲形成中的关键作用。这些研究结果不仅有助于优化激光器的设计和性能，也为理解和控制此类激光器提供了理论基础。