氦－氖气体激光器PPT

1、氦氖气体激光器 基本内容 回顾：激光器的基本结构 1激光器的基本知识 2氦氖激光器的工作原理介绍 回顾：激光器的基本结构 所有激光器的基本组成都包括三大部分： 一 气体激光器的基本知识 气体激光器的优点： 1. 工作物质均匀性好，输出激光光束质量好 2. 谱线宽，从远红外到紫外 3. 输出功率大，转换效率高（电光转换） 4. 结构简单，成本低 1.1 气体放电基本原理 气体放电粒子种类： 1）中性粒子 CO2, HeNe 2）带电粒子 Ar+ 3）激发粒子 A 碰撞规律： 弹性碰撞 非弹性碰撞 1.2 激发与电离 e + A e + A （原子激发） 高速电子 基态原子 低速电子 激发态原子

2、e + A e + A+ + e （原子电离） 电子能量 激发能（电离能） 1.3 共振能量转移 A* + B A + B* +/- e 亚稳态原子 基态原子 1.4气体放电的方式 图： 图中：D点以前，非自持放电 （D点为气体放电的着火点） DE段： 辉光放电过渡区 EF段： 正常辉光放电区 FG段： 反常辉光放电区 GH段： 弧光放电过渡区 （G点为弧光着火电压点） H点以后： 稳定弧光放电区 2.1氦氖激光器的结构 工作物质： He-Ne气体（He为辅助气体），气压比为5：17：1 谐振腔： 一般用平凹腔，平面镜为输出镜，透过率约12，凹面镜 为全反射镜 泵浦系统： 一般采用放电激励 激

3、光管结构： 按谐振腔与放电管的放置方式分为内腔式 外腔式 半内腔式 按阴极及贮气室的位置不同分为 同轴式 旁轴式 单细管式 2.2 HeNe激光器的特点 典型谱线： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他谱线： 612nm 594nm 543nm 优点：1. 光束质量好 1mrad 2.单色质量好，带宽22Hz 3.稳定性高 功率稳定（ 2） 频率稳定（ 510-15） 4.在可见光区 HeNe激光器实例 电源和激光管封装在一起普通氦氖激光器 2.3 HeNe激光器的工作能级 典型的四能级系统 图： 共振转移： He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S2S态靠得很近 He +

4、e He（21S0）+ e He + e He（23S1）+ e He（21S0）+ Ne He + Ne（3S2)+0.048ev He（23S1）+ Ne He + Ne（2S2)+0.039ev 电子碰撞激发：（与共振转移相比，此过程的激发速 率要小得多） e + Ne e + Ne（2S) e + Ne e + Ne（3S) 串级跃迁：Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃 迁到2S和3S态，此过程贡献最小 复合激发： 先形成分子离子，再与电子碰撞获得激发态Ne分子 2.4 HeNe激光器的最佳放电条件 2.4.1 求粒子反转数nn3-n2 Ne（3S2）能级上粒子数密度n3 3 3

5、 3041 3 n nKnnKn dt dn 2.4.1 稳态时，dn3/dt0，由上式有 30 41 3 /1 Kn nKn n 同理，He（21S0）能级上的粒子数密度n4的 速率方程为： )( 444040 4 AnSnnSnn dt dn ee 稳态后，dn4/dt0，由2.4.3可得 )/( 40404 ASnSnnn ee 2.4.2 2.4.3 2.4.4 n0：He基态（11S0）上的粒子数密度 n1：Ne基态（11S0）上的粒子数密度 n2：Ne（2P4）能级上的粒子数密度 n3：Ne（3S2）能级上的粒子数密度 n4：He（21S0）能级上的粒子数密度 K: 转移速率常数

6、Ne（3S2）的粒子数驰豫到其他能 级的驰豫时间 ne： 电子密度 S04： He基态（11S0）到He（21S0）的 电子激发速率常数 A：衰减几率 S4: 消激发速率常数 S02：电子激发速率常数 A： 自发辐射几率 3 将2.4.4式代入2.4.2式，有 )(/1( 430 0401 3 ASnKn SnnKn n e e 同样，Ne的2P4能级的粒子密度n2的速率方程为 AnSnnSnn dt dn ee222021 2 稳态后，dn2/dt0，得 )/( 20212 ASnSnnn ee 因自发辐射几率A很大，故上式可变为： ASnnn e / 0212 2.4.5 2.4.6 2.

7、4.7 2.4.8 根据2.4.5和2.4.8两式，就可以分析粒子反转数n与放电条件的关系 2.4.2 n与放电电流的关系 在充气压和充气比例一定的情况下，电子密度与放电电流i 成正比，neKi，K为比例系数；而n0n1A 等均与 放电电流无关，因此2.4.5和2.4.8式可表示为： 3 )/( 213 AiKiKn iKn 32 其中 )/1/( 3004011 KnSnKnKK 42 SKK ASnKK/ 0213 粒子数密度与放电电流的关系图 2.4.3 n与HeNe气压的关系 n2通常比n3小得多，因此反转粒子数主要取决于n3 当HeNe气压比一定时： 总气压较低，n0和n1减少，n3

8、随之减小 总气压很高时，n0n1可增加，但电子与原子碰撞次数增加 ，电子的动能减小，电子温度降低，S04降低，导致n3下降 可见，存在一最佳总气压，使反转粒子数最高 当总气压一定时： Ne气含量过少，n1减少，使n3减少 Ne含量过多，因Ne比He易电离而导致电子能量和温度降 低，使S04和n3减小 可见，He和Ne的气压比也存在最佳值 2.5 He-Ne激光器的输出功率 1.1 He-Ne激光器的增益系数 He-Ne激光器属于以非均匀加宽为主但又不能忽略均匀加宽 影响的综合加宽线型，按照综合加宽的情况计算其输出功 率。 Ne原子在 到 +d 范围内的小信号反转粒子密度按多普勒 非均匀展宽公式

9、为 式中 为原子的总反转粒子密度， 为Ne原子辐射的中心频 率， 为非均匀展宽线型函数，表示式为 为多普勒线宽，T为绝对温度，M为原子量， 为中心频率 。 dgndn D ),()( 0 00 0 n 0 ),( 0 D g 2ln2/ )(42/1 0 0 ) 2ln ( 2 ),( D eg D D 0 2/17 )(1016. 7 M T D D 0 这部分粒子发射中心频率为 ，线宽为 的均匀加宽谱线 。若有频率为 ，强度为 的强光入射，则这部分粒子对 增益的贡献为 B21为受激辐射系数，c为光速，h为普朗克常数。 总增益为全部粒子对频率 的光的增益贡献之和，将上式积 分整理后得到 dg

10、n I I c hB IdG D s H H H ),( )1 () 2 ()( ) 2 ( 2 ),( 00 2 2 021 H I dx x e I I G IGdIG x s i 22 0 0 )( 1 1 )( ),(),( 2 D x )(2ln2 0 D )(2ln2 0 D Hs II )/(12ln 00210 2ln2 )0(n c hB G D i 用复变误差函数定义 表示，综合加宽大信号增益系数 表示为 )(iW )( 1 )( ),( 0 0 iW I I G IG R s i 1.2 输出功率公式 1.2.1 单模激光器的输出功率 激光稳定后，其饱和增益系数应等于总损

11、耗系数，即 a为除反射镜损耗外其他的总损耗系数，；l为放电管长度， R1R2为两反射镜的反射率。 一般情况下，He-Ne激光器的一端为全反射，另一端为部 分反射，设透过率为T，忽略反射镜的吸收和散射损耗时 ，R21-T。由于He-Ne激光器的T和a都很小，故有 )ln( 2 1 ),( 21R R l aIG TTRR)1ln()ln( 21 alea al c 21 2 ac是除透射损耗外，光在谐振腔内往返一次的总损耗百分数 。He-Ne激光器中，包括以下损耗： 1谐振腔反射镜的吸收和散射损耗 2全发射镜的透射损耗 3腔内光学元件（入布儒斯特窗片）带来的附加损耗 4光通过毛细管后的衍射损耗

12、5谐振腔调整得不好造成的损耗 做近似代换后得到 将此式带入到上节的增益系数公式，就可以在ac和T已知的 情况下求出。于是输出功率也就确定了。 TalIG c ),(2 由于该式不容易求解，因此引入图解法，引入激发参量 。 由 能图解法计算出 ，再根据下式计算出输出功率P A为光束的有效横截面积。一般情况下，激光束受谐振腔 内振荡光束模体积的限制，不能充满整个放电毛细管。 对激光又贡献的只是模体积内的那部分气体原子。因此 A应为毛细管的截面积乘以一个系数。 ：工作在中心频率处沿着激光输出方向传播的光 0 ATIP 0 I TalG cm /2 0 I 1.3 提高0.6328m输出功率的一些方法

13、 从上节推导的输出功率公式看，影响He-He激光器输出功率的因素很多，主要的 方面如下： 1增加毛细管长度l可使输出功率增加。但l过长，谐振腔易变形，影响功率 输出。毛细管内径小，有利于提高Gm，但太小时Gm反而降低，这是因为 在长度固定时，内径小则总粒子数少，而且谐振腔容易失调。 2选择最佳放电条件。输出功率随着增益系数Gm增大而提高，而Gm有最佳 放电条件，所以必须选择最佳放电条件以得到尽量大的Gm。 3减小腔内损耗。减小腔内损耗ac对增加输出功率非常有意义，因为He-He激 光器的增益比较低，输出镜的透过率T比较小，损耗的影响非常明显。为 减小损耗，要选用损耗小，易于调整的双凹腔或者平凹

14、稳定腔，并合理设 计谐振腔长，凹面镜曲率半径和毛细管内径。 4抑制3.39m的辐射，0.6328m和3.39m两条激光谱线有共同的激光上能 级，而后者增益系数比较高，如果不进行抑制，3.39m的辐射将在腔内振 荡中消耗大量的激发态原子。抑制3.39m辐射的办法有 加色散棱镜，使3.39m的光无法起振 腔内放置甲烷吸收盒，甲烷对3.39m的光有吸收作用 外加非均匀磁场 几种方法一般同时使用才能起到有效的抑制作用 5使用氦的同位素氦3。通常充入的氦气为氦4，用氦3输出功率可提高 25。因为氦3比氦4轻，运动速度比氦4大，与氖原子叫唤能量的 速率加大，同时更有利于共振转移。但是由于其价格太高，一般不

15、轻易使 用此方法。 6选取最佳透过率。一般用实验的方法选取最佳透过率。不过对最佳透过率的 精确度不必做过高的要求。 1.4 输出功率的稳定性 He-He激光器在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或 随即的波动。 波动频率1Hz以下的为功率漂移 波动频率1Hz以上的为噪声 产生噪声的原因有：自发辐射的随即性 振荡模的不稳定性 谐振腔的振动 激光电源的变化 放电噪声等 造成漂移的原因有： 1 放电电流波动造成输出功率的波动； 2谐振腔光轴与毛细管轴线相对位置发生变化引起功率波动 ； 3纵模的变化引起输出功率的波动。在只有少数几个纵模振荡 的短腔激光器中，温度的变化或其他原因导致腔长发生了 变化

16、，谐振腔的纵模也要发生改变，将造成增益曲线的烧 孔面积变化，从而引起输出功率的波动。 减小功率漂移的措施： 一 根据产生漂移的原因，在器件结构和工艺上采取改进措 施； 尽量提高器件的净增益；减小热变形，采用热胀系数小 的材料做放电管；抑制3.39m的振荡或采取稳频措施，减 小纵模变化的影响；尽量减小放电管的应力，应力越大， 热变形越大。 二 外部控制的办法减小功率漂移； 主动控制法：利用输出功率的变化取控制激光器本身产 生激光。如将输出功率的变化与给定的基准比较，其差值 放大后去控制激光管的放电电流或控制激光管周围的非均 匀磁场强度。 被动控制法：在激光输出的光路中放入可控衰减器，取 用部分激

17、光功率产生控制信号去控制衰减器。当激光器出 去功率大于稳定功率时，衰减器程度加大，通过衰减器后 的激光功率相应减小。反之亦然，从而达到稳定功率的目 的。 2.6 He-He激光器的频率特性及稳频 2.6.1 He-He激光器的频率特性 在适当的放电条件下，He-He激光器已经获得了100多条谱 线。其中最主要的是0.6328m和3.39m两条。 一般的He-He激光器都是多纵模振荡，为了提高相干性， 应尽量降低激光振荡的线宽，最好是单纵模振荡。方法有 ： 1 缩短腔长，增大纵模间隔，使得只有一个纵模超过阈值 而振荡。但腔长短，单程增益小，输出功率低。 2 选模技术，如在腔内放置F-P标准具，使

18、标准具只允许 一个纵模振荡。 频率的稳定性： 一 频率的稳定度： 一连续点燃工作时间内，频率变化量与平均频率之比。分 短期稳定度和长期稳定度 二 频率的再现性： 不同时间不同地点或不同环境下，激光频率的再现程度 2.6.2 稳频的方法 1. 兰姆凹陷法稳频 把激光振动频率稳定在兰姆凹陷的中心频率v0上。 在谐振腔上加一压电陶瓷，振荡器输出的频率为f的音频电压 信号Vc加到压电陶瓷上，压电陶瓷就在Vc的作用下以同 样的频率伸缩，谐振腔的长度也以同样的频率变化。 频率在v0附近时，IV0成单向脉动变化，其变化频率为2f。若 选频放大器的中心频率放在f上，则产生的2f电压信号不能 被放大，输出为零，

19、压电陶瓷不变，腔长维持不变，振荡 频率维持不变。 当频率移动到了偏离的位置，输出功率的变化频率随之成为f ，其产生的光电信号经过选频放大后，由相敏检波器输出 负极性直流电压，使压电陶瓷伸长，带动谐振腔变短，使 振荡频率恢复到V0。 此方法稳频可达10-910-10稳定度，频率再现性可达10-7 2. 饱和吸收法稳频 用一外腔管内放置吸收管，吸收管内充的气体在激光振 荡频率处有一强的锐吸收峰。这种低气压气体的吸收峰所 对应的频率是十分稳定的，所以稳频精度高。 对于主要由非均匀展宽的谱线来说，只有那些沿激光 管轴方向速度为零（Vz0）的原子吸收频率为v0的光子 ；而对于不在中心频率v0的某一频率V

20、来说，则有 的两群原子吸收频率为v的光子。所以在v0处吸收小而容 易达到饱和，出现了吸收下陷。 CVZ)( 0 0 3 赛曼稳频 横向赛曼稳频和纵向赛曼稳频 （1）横向赛曼稳频 当垂直于He-Ne放电管轴线外加磁场时，中心频率 为的激光谱线就会分裂成频率为三条偏振谱线，分为振 动方向平行于磁场和垂直于磁场两个方向。由于频率牵 引作用，两偏振线分别向各自的中心频率偏移，产生频 差fb。v不同，产生的频差也不同。v与fb的关系呈S形或 倒S形。 如果把工作点选在S曲线的线性段ac间，即以该点f值 （对于纵模频率v）为基准，凡偏离f时都自动调整谐振 腔长度，使回到f，则可达到稳频的目的。 a c f

21、 b v 横向赛曼效应稳频的装置方块图： 450检偏器光电接收放大fbv转换 伺服系统 压电陶瓷 PZT （2）纵向赛曼稳频 沿He-Ne激光放电管轴向加磁场，则引起纵向赛曼效应，即 加上纵向磁场后，原中心频率为的0.6328m谱线会分裂成两 条谱线，一条是左旋圆偏振光，一条是右旋圆偏振光。 若有频率为的单纵模起振，加纵向磁场后产生IL和IR两圆偏 振光。由于频率牵引作用，左旋圆偏振光IL的频率要于v，右 旋圆偏振光的频率低于v，于是产生频率差f。f的大小与v有关 ，与磁场强度和谐振腔品质因素有关。按照横向赛曼稳频的原 理，可以用频差f作为失调量进行稳频。由于产生频率差，两 圆偏振光的功率也发生变化。不同v处，光强差IL-IR也不同， 因此以为稳定工作点，利用与光强差的关系也可以进行纵向赛 曼稳频。 利用拍频原理进行纵向赛曼稳频的装置原理图： 1/4波片450检偏器前置放大器f检偏器 fv变换器差分放大器压电陶瓷 2.7