激光器件ii1w

1、第二讲第二讲 气体激光器气体激光器 气体放电基本原理气体放电基本原理 he-ne激光器激光器 ar+激光器激光器 co2 激光器激光器 v以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质。以单一气体、混合气体或蒸气作为激光工作物质。可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大可分为原子激光器、分子激光器和离子激光器三大类。类。优点：优点： 1. 1. 工作物质均匀一致。保证了激光束光束质量，大部分工作物质均匀一致。保证了激光束光束质量，大部分气体激光器产生接近高斯分布的光束模式。激光束气体激光器产生接近高斯分布的光束模式。激光束的相干性和单色性优于固体、半导体激光器。的相干性和单色性优于固体、半导体

2、激光器。 2. 2. 谱线范围宽。有数百种气体和蒸气可以产生激光，已谱线范围宽。有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条。谱线范围从亚毫米经观测到的激光谱线近万余条。谱线范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至波到真空紫外波段，甚至x x射线、射线、射线波段。射线波段。v发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化发展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化气体激光器的特点气体激光器的特点气体激光器的泵浦气体激光器的泵浦 由于气体工作物质的吸收谱线宽度小，不宜采用发射连由于气体工作物质的吸收谱线宽度小，不宜采用发射连续谱的非相干光源泵浦，续谱的非相干光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式

3、。通常采用气体放电泵浦方式。 在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，在某一对能级间形成了粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，在某一对能级间形成了粒子数反转分布。粒子数反转分布。 还可以采用还可以采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦化学泵浦、热泵浦和核泵浦。应用应用 与其它种类的激光器比较，气体激光器的突出优点是输与其它种类的激光器比较，气体激光器的突出优点是输出激光的质量好。因此，气体激光器在各个领域得到了愈来出激光的质量好。因此，气体激光器在各个领域得到了愈来愈多的应用。愈多的应用。第一章第一章 气体放电基本原理气

4、体放电基本原理（一）（一） 气体放电基本过程气体放电基本过程v 在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离在外加电场作用下，气体中产生电流形成电离气体称之为气体称之为气体放电现象气体放电现象。v常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体常用的气体激光器属于弱电离气体放电，气体电离度很少有超过电离度很少有超过0.1的。的。v气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间的气体放电过程中会产生多种粒子，它们之间的相互作用过程是一个复杂的电、光、化学作用相互作用过程是一个复杂的电、光、化学作用的系统。的系统。 1、气体放电粒子种类、气体放电粒子种类 （1）中性气体粒子中性气体粒子：没有电离前已存在粒子，激光工作

5、：没有电离前已存在粒子，激光工作物质及其辅助气体。物质及其辅助气体。 （2）带电粒子带电粒子：电子、负离子、正离子；其中电子对放：电子、负离子、正离子；其中电子对放电起主导作用。电起主导作用。 （3）受激粒子和光子受激粒子和光子：带电粒子在电场力的作用下，产：带电粒子在电场力的作用下，产生运动和碰撞，使其能级发生变化，由基态跃迁生运动和碰撞，使其能级发生变化，由基态跃迁到激发态，成为激发态粒子，激发态粒子从上能到激发态，成为激发态粒子，激发态粒子从上能级向下能级跃迁时，会辐射光子。级向下能级跃迁时，会辐射光子。 一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律一、气体放电粒子种类及其碰撞的基本规律（1）

6、弹性碰撞和非弹性碰撞）弹性碰撞和非弹性碰撞 a) 弹性碰撞弹性碰撞：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不：碰撞的粒子间只交换动能和动量，不交换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。交换内能，粒子间遵守动能和动量守恒定律。 弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要弹性碰撞在确定气体放电的传递系数中起主要作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数。 b) 非弹性碰撞非弹性碰撞：碰撞的粒子间既交换动能也交换内：碰撞的粒子间既交换动能也交换内能，粒子间遵守能量和动量守恒定律。能，粒子间遵守能量和动量守恒定律。 非弹性碰撞在确定气体放电的电参量和光参量非弹性碰撞在确定气

7、体放电的电参量和光参量中起主要作用，如电子温度或能量、电子密度、中起主要作用，如电子温度或能量、电子密度、受激能级的粒子数分布等。受激能级的粒子数分布等。 2、粒子碰撞的基本规律、粒子碰撞的基本规律 （2）碰撞能量转移）碰撞能量转移 a. 弹性碰撞弹性碰撞 特点：碰撞前后动能和动量不变特点：碰撞前后动能和动量不变 结果：平均能量损失率为结果：平均能量损失率为若若m1 16ev1s52p53p(2p) 18ev2p102p54p(3p)20ev3p101s42p93p91s32p83p81s22p73p72p54s(2s) 19ev2s52p63p62s42p53p52s32p43p42s22p

8、33p32p55s(3s)20ev3s52p23p23s42p13p13s33s22.he-ne激光器的激发机理激光器的激发机理(1)电子直接碰撞激发电子直接碰撞激发 放电空间的快速电子放电空间的快速电子e*和氖原子发生非弹性碰撞，使得氖原和氖原子发生非弹性碰撞，使得氖原子直接被激发到激发态。子直接被激发到激发态。 e*+nee + ne* (2s, 2p54s; 3s, 2p55s)。 激发到激发到3s和和2s上的几率非常小（和激发到上的几率非常小（和激发到1s和和2p相比），相比），所以通过这种方法激发的粒子数很少，不能实现粒子数反转分所以通过这种方法激发的粒子数很少，不能实现粒子数反转分

9、布。布。 (2)共振能量转移激发共振能量转移激发 he原子的激发原子的激发 在一定放电条件下，具有一定能量的电子和基态的氦原子发在一定放电条件下，具有一定能量的电子和基态的氦原子发生非弹性碰撞时将氦原子激发到激发态生非弹性碰撞时将氦原子激发到激发态23s1和和21s0，23s1(10-4秒秒)和和21s0(10-2秒秒)是亚稳态，寿命较长，因此是亚稳态，寿命较长，因此, 可以积聚大量的激发态的可以积聚大量的激发态的氦原子。氦原子。 he(11s0)+e*he*(21s0)+e he(11s0)+e*he*(23s1)+e 能量共振转移能量共振转移 由于由于23s1和和21s0上的氦原子的能量与

10、上的氦原子的能量与3s、2s能级上氖原子的能能级上氖原子的能量几乎相等，两者碰撞很容发生能量转移，两者都是亚稳态，电量几乎相等，两者碰撞很容发生能量转移，两者都是亚稳态，电子碰撞截面大，转移几率很高，可达子碰撞截面大，转移几率很高，可达95。当二者发生非弹性碰。当二者发生非弹性碰撞时，将把能量传递给氖原子，并把氖原子激发到撞时，将把能量传递给氖原子，并把氖原子激发到3s和和2s能级上能级上，这个过程称为能量共振转移，这个过程称为能量共振转移 he*(21s0)+ne(11s0)ne*(3s)+he(11s0)+0.048ev he*(23s1)+ne(11s0)ne* (2s)+he(11s0

11、)+0.039ev配气比例配气比例phe: pne= 6:1，加大共振转移几率，加大共振转移几率 (3) 串级激发串级激发 基态基态ne与电子碰撞跃迁到更高的能级，然后再跃迁到与电子碰撞跃迁到更高的能级，然后再跃迁到2s和和3s能级，和前面两种激发相比要小得多。能级，和前面两种激发相比要小得多。 (4) 激光下能级的激发与驰豫激光下能级的激发与驰豫下能级下能级ne(2p、3p)激发激发主要是电子碰撞激发。主要是电子碰撞激发。 ne(11s0)+e*ne(2p、3p)+e驰豫驰豫由辐射选择定则知道，由辐射选择定则知道，2p、3p与基态之间禁戒跃迁与基态之间禁戒跃迁，这些能级上的粒子主要通过这些能

12、级上的粒子主要通过自发辐射自发辐射向向ne(1s)能级驰豫，且驰能级驰豫，且驰豫速度非常快。它们的平均寿命只有豫速度非常快。它们的平均寿命只有10-8s。ne(1s)上的粒子主上的粒子主要通过与其他粒子及要通过与其他粒子及管壁碰撞管壁碰撞而回到基态。而回到基态。 3.he-ne激光器的激光辐射激光器的激光辐射(1)粒子数反转粒子数反转 由于由于3s寿命寿命(10-6s)比比3p和和2p的寿命的寿命(10-8s)长，长，2s寿命寿命(10-6s)比比2p的寿命的寿命(10-8s)长，因此，当长，因此，当3s和和2s积聚的氖原子足够多时，积聚的氖原子足够多时，会在会在3s和和3p、3s和和2p、2

13、s和和2p能级之间形成粒子数反转，通过能级之间形成粒子数反转，通过受激辐射产生激光输出。由于受激辐射产生激光输出。由于s能级和能级和p能级都是由多条能级组成，能级都是由多条能级组成，所以可产生上百条谱线。所以可产生上百条谱线。 he ne012 s)52(35sps）（ppp4235132 s)42(25sps)32(25ppp)32(15sps011 s电子碰撞激励电子碰撞激励m 39. 3nm8 .632m 15. 1nm3 .543)4 .5946 .6098 .667(nm、自发辐射自发辐射共振转移共振转移共振转移共振转移扩扩散散管管壁壁效效应应弛弛豫豫原子基态原子基态 he-ne原子

14、能级分布示意图原子能级分布示意图s210 s410 s610 s610 s810 s810 (2)he-ne激光器主要激光谱线激光器主要激光谱线 主要的激光谱线有三条：主要的激光谱线有三条：3s2p，输出激光波长为，输出激光波长为632.8nm，为红色激光。，为红色激光。(有十条谱线有十条谱线输出输出)2s2p，输出激光波长为，输出激光波长为1150nm，为红外激光。，为红外激光。3s3p，输出激光波长为，输出激光波长为3390nm，为红外激光。，为红外激光。 目前商用的目前商用的he-ne激光器的主要谱线是激光器的主要谱线是632.8nm，为红色激，为红色激光。除此之外还有黄色光。除此之外还

15、有黄色(594nm)、绿色、绿色(543nm)、橙色、橙色(606nm、612nm) 。三、氦氖激光器的工作特性三、氦氖激光器的工作特性1. 工作特性工作特性（1）电子温度）电子温度u 一定一定he、ne比例下，放电管内电子温度随比例下，放电管内电子温度随pd值增大而下降；值增大而下降；pd值不变，电子温度也不变。值不变，电子温度也不变。u 对一种气体而言，存在一个最佳电子温度，这时的电子平均能对一种气体而言，存在一个最佳电子温度，这时的电子平均能量最有利于量最有利于激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。 pd值过大，电子温度过低，不易将值过大，电子温度过低，

16、不易将he原子激发到上能级；原子激发到上能级； pd值过小，激光物质少，模体积小，衍射损耗大，电流密度过值过小，激光物质少，模体积小，衍射损耗大，电流密度过高，激光输出减小。高，激光输出减小。u 应综合考虑各方面因素，寻求最佳电子温度。应综合考虑各方面因素，寻求最佳电子温度。v 对对hene激光器一般选取的激光器一般选取的pd值为值为 41026.6102(pamm)。v 对于不同成分的气体相同对于不同成分的气体相同pd值对应的电子温度是不值对应的电子温度是不同的。越易电离的气体，电子温度越低。同的。越易电离的气体，电子温度越低。ne的电离电位较的电离电位较he低，其电离截面为低，其电离截面为

17、he的两倍。所以在纯的两倍。所以在纯ne气体中的电子气体中的电子温度低于温度低于he以及以及he、ne混合气中的电子温度。混合气中的电子温度。（2）增益：）增益：光在单位距离内光强增加的百分比。光在单位距离内光强增加的百分比。 a. 放电参数的影响：放电参数的影响：增益增益g正比于粒子反转数。正比于粒子反转数。 放电电流与增益关系式放电电流与增益关系式 ： k0、k1、k2、k3、k4是与激光器的谱线、结构尺寸是与激光器的谱线、结构尺寸及放电参数有关的系数。可通过实验测定。及放电参数有关的系数。可通过实验测定。 ikkikikkg43210 在电流逐渐增大、电子密度增强的过程中，在电流逐渐增大

18、、电子密度增强的过程中，激光上能级激光上能级的粒子的粒子最初呈线性增长。随着电子碰撞消激发加剧，粒子增长速度减缓，最初呈线性增长。随着电子碰撞消激发加剧，粒子增长速度减缓，最后达到饱和状态。而最后达到饱和状态。而激光下能级激光下能级的粒子在此过程中始终保持着线的粒子在此过程中始终保持着线性增长的关系，故而使粒子数反转值在某一放电电流条件下，出现性增长的关系，故而使粒子数反转值在某一放电电流条件下，出现最大值。从图中可看到，随放电电流变化，增益存在一个最佳值。最大值。从图中可看到，随放电电流变化，增益存在一个最佳值。 最佳总气压：最佳总气压：气压过低，上能级粒子数减少，增益小。气气压过低，上能级

19、粒子数减少，增益小。气压过高，电子与原子碰撞增多，电子平均能量下降，上能压过高，电子与原子碰撞增多，电子平均能量下降，上能级粒子数减少，增益小。级粒子数减少，增益小。 最佳气体比例：最佳气体比例：he-ne激光器中激光器中ne的激发主要靠的激发主要靠he的亚稳的亚稳态粒子能量的共振转移，所以态粒子能量的共振转移，所以he气压高于气压高于ne气压。气压。 为获得最大增益，激光器应在最佳放电条件（放电电流、为获得最大增益，激光器应在最佳放电条件（放电电流、总气压、气体混合比）下工作。总气压、气体混合比）下工作。 b. 增益分布：增益分布：增益沿放电管轴向分布均匀，径向分布不均匀增益沿放电管轴向分布

20、均匀，径向分布不均匀 影响因素：放电电流、总气压和气体影响因素：放电电流、总气压和气体混合比。混合比。 随电流增大，管轴中心出现增益饱和随电流增大，管轴中心出现增益饱和并下降；电流继续增大，管壁附近出并下降；电流继续增大，管壁附近出现增益下降。现增益下降。 在一定电流下，气压增大，管轴中心在一定电流下，气压增大，管轴中心出现增益饱和并下降。这是因中心处出现增益饱和并下降。这是因中心处ne(1s)粒子在气压较大时不易扩散到管粒子在气压较大时不易扩散到管壁碰撞弛豫，导致壁碰撞弛豫，导致n减小，增益下降。减小，增益下降。 ne增多，增益下降且径向分布加宽。增多，增益下降且径向分布加宽。(3) 输出功

21、率输出功率 he-ne激光器输出功率和输出模式紧密相关。激光器输出功率和输出模式紧密相关。 a）单纵模基横模）单纵模基横模 a为光束有效面积，一般为放电管截面积的为光束有效面积，一般为放电管截面积的1/5。 atipw输出镜透过率输出镜透过率沿光轴方向沿光轴方向传播的光强传播的光强2251 da b）多纵模基横模）多纵模基横模v k为比例系数；为比例系数；is为饱和光强；为饱和光强； 对于对于0.6328um波长红光，波长红光，k is=303（w/cm2）v g0：小信号增益系数；：小信号增益系数；v ：除透过率损耗外的其它光学损耗之和。：除透过率损耗外的其它光学损耗之和。v l ：有效放电

22、长度。：有效放电长度。v he-ne激光器多为多纵模基横模光束，只有当腔长足够短激光器多为多纵模基横模光束，只有当腔长足够短（ 10cm），纵模间隔与谱线宽度满足），纵模间隔与谱线宽度满足c/2l，才能输，才能输出单纵模基横模光束。出单纵模基横模光束。 a a 120tlgatkipsw2. 输出功率的影响因素输出功率的影响因素 影响影响he-ne激光器输出功率的因素很多，例如：激光器输出功率的因素很多，例如：毛细管的长度和直径、谐振腔的损耗、输出耦合、放毛细管的长度和直径、谐振腔的损耗、输出耦合、放电电流、电电流、he和和ne的比例以及气体的压强都会影响工作的比例以及气体的压强都会影响工作物

23、质的增益吸数，从而影响物质的增益吸数，从而影响he-ne激光器的输出功率。激光器的输出功率。 下面仅就下面仅就毛细管的长度和直径毛细管的长度和直径、放电电流放电电流、he和和ne比例比例以及以及气体压强气体压强对输出功率的影响作一简要分析。对输出功率的影响作一简要分析。(1) 放电管长度放电管长度对输出功率的影响对输出功率的影响 he-ne激光器输出功率通常在毫瓦量级。激光器输出功率通常在毫瓦量级。它的输出功率主要它的输出功率主要取决于放电毛细管的长度。取决于放电毛细管的长度。 例如：毛细管长度为例如：毛细管长度为10cm时，时，632.8nm激光的单模输出功激光的单模输出功率为率为0.5mw

24、; 毛细管的长度为毛细管的长度为(2530)cm时，单模输出功率约时，单模输出功率约为为(24)mw; 毛细管的长度为毛细管的长度为(150200)cm时，输出功率约时，输出功率约为为50mw。 由公式由公式可以看出：放电管长度可以看出：放电管长度l 越长，激光介质区越长，越长，激光介质区越长，pw 越大。越大。 a a 120tlgatkipsw (2)放电电流对输出功率的影响放电电流对输出功率的影响 he-ne激光器的放电电流对输出功率有很大的影响。激光器的放电电流对输出功率有很大的影响。 输出功率并不是随气体放电电流的增加而单调增加，对于输出功率并不是随气体放电电流的增加而单调增加，对于

25、每一种充气总压强，其间存在某个使输出功率最大的放电电流，每一种充气总压强，其间存在某个使输出功率最大的放电电流，如图所示。放电电流与混合气体的比例和总压强有关。在最佳充如图所示。放电电流与混合气体的比例和总压强有关。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流称为最佳放电电流。气条件下，使输出功率最大的放电电流称为最佳放电电流。1:6:nehe pppa200pa160pa12010 20 30 40 50 60 70 (ma)5040302010 0 输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系pa90pa70 mwp 输出功率为什么会如此变化呢？这是因为在放电管中不输出功率为什么会如此变

26、化呢？这是因为在放电管中不仅存在着仅存在着激发过程激发过程，而且同时还存在着，而且同时还存在着消激发过程消激发过程。氖的激光。氖的激光跃迁上能级跃迁上能级(3s和和2s)的粒子数密度的粒子数密度n2正比于氦的亚稳态正比于氦的亚稳态(23s1和和21s0)上的粒子数上的粒子数n3。 在稳定的情况下，在稳定的情况下，n3可以近似表示为：可以近似表示为： jkkjknn321he3 式中：式中：j 为放电电流密度，为放电电流密度，k1、k2、k3为常数，为常数，nhe 为基态氦原为基态氦原子密度。子密度。 he ne012 s)52(35sps）（ppp4235132 s)42(25sps)32(2

27、5ppp)32(15sps011 snm8 .632扩扩散散管管壁壁效效应应弛弛豫豫原子基态原子基态s210 s410 2n3nhen1n 当放电电流较小时，当放电电流较小时，n3 正比于正比于j。随着放电电流的增加，。随着放电电流的增加，n3 逐逐渐趋于饱和。渐趋于饱和。 由于由于n2 正比于正比于n3，所以随着放电电流的增加，所以随着放电电流的增加，n2 也将趋于饱和。也将趋于饱和。 另一方面，激光跃迁下能级另一方面，激光跃迁下能级(2p)的粒子数的粒子数n1正比于正比于j。因此，当。因此，当放电电流较小时，反转粒子数随放电电流的增加而增加，达到最放电电流较小时，反转粒子数随放电电流的增加

28、而增加，达到最大值后，却随放电电流的增加而减少。如图所示。大值后，却随放电电流的增加而减少。如图所示。通过上面的分通过上面的分析可以看出，为什么会有一个最佳放电电流。析可以看出，为什么会有一个最佳放电电流。)23(ss和和上上能能级级)2(p下下能能级级电电流流密密度度粒粒子子数数激光上能级激光上能级3s和和2s、下能级、下能级2p粒子数随放电电流密度的变化粒子数随放电电流密度的变化2n1n (3) 输出功率和氦氖气体比例的关系输出功率和氦氖气体比例的关系 由于激光跃迁是由氖原子产生的，所以，如果氖原子的比例由于激光跃迁是由氖原子产生的，所以，如果氖原子的比例过小，将会降低激光的输出功率。过小

29、，将会降低激光的输出功率。 氖原子的比例是否越大越好呢？由于氖原子的电离电位较低，氖原子的比例是否越大越好呢？由于氖原子的电离电位较低，其比例过大会因电离过多而使离子数目增加，在较低的电场下，其比例过大会因电离过多而使离子数目增加，在较低的电场下，就能维持一定的放电电流，过低的电场将会导致电子的速度就能维持一定的放电电流，过低的电场将会导致电子的速度(能能量量)下降，使得氦原子的激发速率降低，由此导致粒子数下降，下降，使得氦原子的激发速率降低，由此导致粒子数下降，从而导致输出功率的下降。从而导致输出功率的下降。通常取通常取 phe/pne=5 10 (4) 输出功率和充气压强的关系输出功率和充

30、气压强的关系 气体压强的降低，使得电子与气体原子的碰撞减少，从而导气体压强的降低，使得电子与气体原子的碰撞减少，从而导致电子温度致电子温度(平均动能平均动能)增加，使激发速率升高，增加输出功率。增加，使激发速率升高，增加输出功率。 但是，过低的气体压强，将会导致氦氖原子的减少，而使得但是，过低的气体压强，将会导致氦氖原子的减少，而使得输出功率下降。所以，充气压强即不能太高，也不能太低。输出功率下降。所以，充气压强即不能太高，也不能太低。 100 200 300 400 5002.01.51.00.51:51:71:10总压强总压强(pa) mwp(5) 输出功率与放电管直径的关系输出功率与放电

31、管直径的关系 在最佳放电条件下，在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管的直径成工作物质的增益系数和毛细管的直径成反比反比。 g0=3 10-4/d原因：原因：跃迁到跃迁到2p上的氖原子，是借助于自发辐射跃迁到上的氖原子，是借助于自发辐射跃迁到1s能级上，能级上，然后通过与管壁碰撞释放能量的途径返回基态。如果毛细管直径然后通过与管壁碰撞释放能量的途径返回基态。如果毛细管直径增大，原子与管壁碰撞的机会减少，滞留在增大，原子与管壁碰撞的机会减少，滞留在1s上的氖原子可能吸上的氖原子可能吸收自发辐射光子重新返回到收自发辐射光子重新返回到2p上，从而导致集居反转数的减少，上，从而导致集居反转数的减

32、少，使激光输出减少。使激光输出减少。 毛细管过细，又会使得氦氖原子数目减少，从而使激发的原毛细管过细，又会使得氦氖原子数目减少，从而使激发的原子数下降，导致输出功率下降。子数下降，导致输出功率下降。 d应取一个恰当的值，电流与管径经验公式：应取一个恰当的值，电流与管径经验公式： i=19*(d-1) (ma) 抑制抑制3.39um i=3.5+1.5d2 （ma） 不抑制不抑制3.39um(6) 输出功率与输出透镜的关系输出功率与输出透镜的关系 激光器谐振腔的损耗有两种：一种是有用损耗，即激光激光器谐振腔的损耗有两种：一种是有用损耗，即激光器输出透镜的透射；一种是无用损耗器输出透镜的透射；一种

33、是无用损耗(用用a a表示表示)，它包括谐振，它包括谐振腔反射镜的吸收、散射及全反射镜的透射。腔反射镜的吸收、散射及全反射镜的透射。 透射率太大或太小，都使输出功率下降。透射率太大或太小，都使输出功率下降。 透射率小，谐振腔损耗小，腔内激光振荡较强，由于输透射率小，谐振腔损耗小，腔内激光振荡较强，由于输出的比例小，所以输出功率低。出的比例小，所以输出功率低。 透射率大，腔内损耗增大使腔内振荡减弱，功率输出也会透射率大，腔内损耗增大使腔内振荡减弱，功率输出也会减少。只有某一适当的透射率才使输出功率为最大。减少。只有某一适当的透射率才使输出功率为最大。a a a a lgtopt020 1 2 3

34、 4 5 6 7 86.05.04.03.02.01.0%6 . 0 a a%3 . 0 a a输输出出功功率率mw透过率透过率目前，氦氖激光器的输出透镜采用交替镀目前，氦氖激光器的输出透镜采用交替镀zns和和mgf2，短管镀，短管镀11层，长管镀层，长管镀9层；全反射镜镀层；全反射镜镀17层，来实现耦合。层，来实现耦合。 增反射膜增反射膜(高反射膜高反射膜)增加反设光的强度也可以通过增加反设光的强度也可以通过镀膜的方法实现，这时所镀的镀膜的方法实现，这时所镀的光学薄膜称为光学薄膜称为增反射膜增反射膜(或称为或称为高反射膜高反射膜)。40. 2 enzns1 n空气空气50. 1 玻玻玻璃玻璃

35、ni如果在玻璃表面镀上一层硫化锌如果在玻璃表面镀上一层硫化锌(zns,ne=2.4)薄膜，当满足关系薄膜，当满足关系 , 2, 1 22 kkenel ll l 反射光将是干涉加强，这就使反射光增强了，而透射光就将反射光将是干涉加强，这就使反射光增强了，而透射光就将减弱。薄膜的最小厚度应为减弱。薄膜的最小厚度应为(相应于相应于k=1）eeneen4 22l ll ll l 反射率可以提高反射率可以提高30%以上。以上。znsznszns2mgf2mgf2mgf玻玻璃璃为了提高反射率可以采为了提高反射率可以采用多层膜。通常在玻璃用多层膜。通常在玻璃表面上交替镀上高折射表面上交替镀上高折射率的率的

36、zns膜和低折射率膜和低折射率的的mgf2膜，每层厚度膜，每层厚度为为/4ne。一般镀到。一般镀到7层层和和9层，层，13层可使反射层可使反射率达到率达到94%。（7） 输出功率稳定性输出功率稳定性 激光性能检验的重要指标。功率稳定度激光性能检验的重要指标。功率稳定度s表示。一段时间内输出功率变表示。一段时间内输出功率变化的百分数。化的百分数。 是一段时间内输出功率平均值；是一段时间内输出功率平均值； 是这段时间内功率波动值。是这段时间内功率波动值。影响因素：影响因素：（1）放电电流波动：放电电流波动：电网电压波动，放电参数变化。电网电压波动，放电参数变化。（2）工作频率波动工作频率波动：pw

37、g，g1/3。温度变化会引起腔长变化，导致。温度变化会引起腔长变化，导致频率变化。频率变化。（3）腔损耗波动：腔损耗波动：环境气流的影响；外界机械冲击；放电管发热而变形、环境气流的影响；外界机械冲击；放电管发热而变形、伸长或缩短导致腔内损耗改变，输出功率波动。伸长或缩短导致腔内损耗改变，输出功率波动。提高其稳定度的措施：提高其稳定度的措施： 一是在器件材料选取以及结构、工艺等方面加以改进如放电管采用一是在器件材料选取以及结构、工艺等方面加以改进如放电管采用线膨胀系数小的材料，谐振腔一端反射镜装有压电陶瓷等；二是利用线膨胀系数小的材料，谐振腔一端反射镜装有压电陶瓷等；二是利用外部控制的办法如功率

38、反馈、电流反馈的方法来减小输出功率的波动。外部控制的办法如功率反馈、电流反馈的方法来减小输出功率的波动。 wpwpwwpps 3. 输出模式和发散角输出模式和发散角(1)振荡模式振荡模式 he-ne激光器通常采用平凹腔。在实际应用中，一般要求激光器通常采用平凹腔。在实际应用中，一般要求激光器工作于基模激光器工作于基模(tem00)状态。状态。(2)激光束发散角激光束发散角 激光束的方向性由其远场发散角表征：激光束的方向性由其远场发散角表征： 0w l l w0为高斯光束的束腰半径。为高斯光束的束腰半径。 ()越小，光束的方向性越好，越小，光束的方向性越好，表示光束能量在方向上越集中。表示光束能

39、量在方向上越集中。 (3)频率特性频率特性 he-ne激光器是一种以多普勒展宽为主的综合性谱线展宽。激光器是一种以多普勒展宽为主的综合性谱线展宽。 在一般条件下，它的在一般条件下，它的振荡谱线振荡谱线带宽带宽 v1500mhz，包含有多，包含有多个频率间隔为个频率间隔为c/2l的纵模振荡。的纵模振荡。 例如：例如：l=1m时，将可能有十个纵模振荡。此时，相应的波时，将可能有十个纵模振荡。此时，相应的波长范围为长范围为 m10262 l ll l c如果需要单模工作，可以缩短腔长，如果如果需要单模工作，可以缩短腔长，如果l=10cm，就会只有单模，就会只有单模振荡。但是，这样会减少输出功率。为了

40、既单模工作，又保证足振荡。但是，这样会减少输出功率。为了既单模工作，又保证足够的输出功率，可采用各种选纵模技术，以保证单模输出。够的输出功率，可采用各种选纵模技术，以保证单模输出。4. 谱线竞争谱线竞争(1)谱线竞争谱线竞争 在同一个激光器中，可能有多条激光谱线，而有些谱线对应在同一个激光器中，可能有多条激光谱线，而有些谱线对应于同一个于同一个激光上能级激光上能级。因此，它们之间就存在对公有能级上粒子。因此，它们之间就存在对公有能级上粒子数的竞争，其中一条谱线产生振荡以后，因用于其它谱线的反转数的竞争，其中一条谱线产生振荡以后，因用于其它谱线的反转粒子数减少，而使它们的增益和输出功率降低，甚至

41、完全被抑制。粒子数减少，而使它们的增益和输出功率降低，甚至完全被抑制。这种现象称为谱线竞争这种现象称为谱线竞争。特别是那些高增益、谐振腔反射镜对其。特别是那些高增益、谐振腔反射镜对其有高反射的谱线，一旦产生振荡就能使其它谱线被抑制。有高反射的谱线，一旦产生振荡就能使其它谱线被抑制。 (2) he-ne激光器的谱线竞争激光器的谱线竞争 632.8nm和和3390nm的谱线竞争的谱线竞争 在在he-ne激光器中存在着多条激光谱线，竞争最严重的是激光器中存在着多条激光谱线，竞争最严重的是632.8nm和和3390nm的两条激光谱线，因为它们具有相同的激光上的两条激光谱线，因为它们具有相同的激光上能级

42、能级(3s)。 由于增益系数与波长的三次方成正比，所以由于增益系数与波长的三次方成正比，所以3390nm的激光的激光谱线的增益系数远远大于谱线的增益系数远远大于632.8nm激光谱线的增益系数。在输出激光谱线的增益系数。在输出波长为波长为632.8nm的的he-ne激光器中，为了获得激光器中，为了获得632.8nm激光输出，激光输出，要采取一些方法抑制要采取一些方法抑制3390nm辐射的产生。辐射的产生。 he ne012 s)52(35sps）（ppp4235132 s)42(25sps)32(25ppp)32(15sps011 s电子碰撞激励电子碰撞激励m 39. 3nm8 .632m 1

43、5. 1nm3 .543)4 .5946 .6098 .667(nm、自发辐射自发辐射共振转移共振转移共振转移共振转移扩扩散散管管壁壁效效应应弛弛豫豫原子基态原子基态 he-ne原子能级分布示意图原子能级分布示意图s210 s410 s610 s610 s810 s810 543.36nm和和3.39 m、632.8nm的谱线竞争的谱线竞争 当前当前he-ne激光器正向多色方向发展，人们最感兴趣的是激光器正向多色方向发展，人们最感兴趣的是3s2到到2p10跃迁的跃迁的543.36nm的绿光。它接近于人眼最敏感的的绿光。它接近于人眼最敏感的555nm的黄绿光。它与的黄绿光。它与3.39 m 、6

44、32.8nm激光谱线具有共同的激光谱线具有共同的激光上能级。由于它的增益最小，因此要获得激光上能级。由于它的增益最小，因此要获得543.36nm的激光的激光输出，必须想法抑制输出，必须想法抑制3.39m和和632.8nm等与它共上能级的谱线。等与它共上能级的谱线。nm8 .632nm36.5435nm8 .6322m39. 3171/cm105.3/cm104gggg ， (3) 抑制谱线的方法抑制谱线的方法 为了抑制某条或某几条谱线，通常采用的方法是：为了抑制某条或某几条谱线，通常采用的方法是：采用选择采用选择性谐振腔性谐振腔、棱镜色散法棱镜色散法、腔内吸收法腔内吸收法、外加非均匀磁场法外加

45、非均匀磁场法。 采用选择性谐振腔采用选择性谐振腔 只适用于短腔器件。使其谐振腔对所需激光光谱呈高反射，只适用于短腔器件。使其谐振腔对所需激光光谱呈高反射，而对其他谱线为低反射、高损耗。而对其他谱线为低反射、高损耗。 例如：为了输出例如：为了输出543.36nm的激光。要求反射镜对该波长谱线的激光。要求反射镜对该波长谱线的反射率大于的反射率大于99.9%。而对。而对632.8nm谱线低于谱线低于80%，对，对3.39 m谱线谱线要低于要低于2。alalalagagaucu蒸蒸发发膜膜抛抛光光表表面面 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 波长波长 m0 . 19

46、 . 08 . 07 . 06 . 05 . 0率率射射反反几种金属材料的反射率曲线几种金属材料的反射率曲线 棱镜色散法棱镜色散法 利用腔内棱镜色散把利用腔内棱镜色散把3390nm的激光偏转掉，使其不能起振。的激光偏转掉，使其不能起振。在谐振腔内放置一个棱镜，通过调整反射镜使所需要的光在腔内在谐振腔内放置一个棱镜，通过调整反射镜使所需要的光在腔内振荡，而其他光偏离腔外。为了保证光线来回反射，棱镜要制成振荡，而其他光偏离腔外。为了保证光线来回反射，棱镜要制成顶角为顶角为 的等腰三角形。的等腰三角形。 的大小有下式决定：的大小有下式决定： 2112sinn n为棱镜材料在所需振荡光波长时的折射率为

47、棱镜材料在所需振荡光波长时的折射率 。反射镜反射镜放电管放电管棱镜棱镜输出镜输出镜m 39. 3nm8 .632棱镜色散法抑制棱镜色散法抑制3390nm激光谱线示意图激光谱线示意图 腔内吸收法腔内吸收法 谐振腔内加入一个对要抑制谱线有强吸收而对所需振荡谱谐振腔内加入一个对要抑制谱线有强吸收而对所需振荡谱线为透明的元件，来实现若谱线的振荡。腔内插入吸收线为透明的元件，来实现若谱线的振荡。腔内插入吸收3390nm辐射的吸收元件辐射的吸收元件(如甲烷吸收盒、石英等如甲烷吸收盒、石英等)。外加非均匀磁场法外加非均匀磁场法 上述的几种措施都是从增加谱线在腔内的损耗来实现抑制，上述的几种措施都是从增加谱线

48、在腔内的损耗来实现抑制，但是但是对于放电管较长的激光器，这些措施都不足以抑制高增益对于放电管较长的激光器，这些措施都不足以抑制高增益的谱线。的谱线。最有效的方法是采用非均匀磁场，降低介质对谱线的最有效的方法是采用非均匀磁场，降低介质对谱线的增益系数来达到抑制的目的。增益系数来达到抑制的目的。 如图所示，利用塞曼效应即谱线在磁场中会引起分裂，分如图所示，利用塞曼效应即谱线在磁场中会引起分裂，分裂的大小裂的大小 v 随磁场强弱改变。如果在放电管外加一轴向非均随磁场强弱改变。如果在放电管外加一轴向非均匀磁场，由弱到强连续变化，激光器所观察到的谱线就是连续匀磁场，由弱到强连续变化，激光器所观察到的谱线

49、就是连续增宽。该频率等于最强磁场引起谱线分裂的线距：增宽。该频率等于最强磁场引起谱线分裂的线距： s s n n s s n n 放放电电管管非均匀磁场法示意图非均匀磁场法示意图其中：其中： hm 是最强磁场强度；是最强磁场强度； b 是玻尔磁子；是玻尔磁子；h是普郎克常数。是普郎克常数。 g是兰德因子，仅与原子该谱线上能级量子数有关。是兰德因子，仅与原子该谱线上能级量子数有关。若其谱若其谱线上能级的轨道量子数为线上能级的轨道量子数为l、自旋量子数为、自旋量子数为s、内量子数为、内量子数为j，那么那么hhgmbhm 2 ) 1(2) 1() 1() 1(1 jjsslljjg 3.39 m、6

50、32.8nm、543.36nm三条谱线都是共用三条谱线都是共用ne的的3s2能能级，所以它们的级，所以它们的 g 相同。即有相同的塞曼效应。相同。即有相同的塞曼效应。 在在0310-2t非均匀磁场的作用下，塞曼增宽约为非均匀磁场的作用下，塞曼增宽约为900mhz。激光谱线激光谱线(nm)543.36632.83390原谱线线宽原谱线线宽(mhz曼加宽塞曼加宽(mhz)900900900 塞曼加宽塞曼加宽 原谱线线宽原谱线线宽 (倍倍)0.510.603.21 由于增益系数反比于线宽，所以加了非均匀磁场使由于增益系数反比于线宽，所以加了非均匀磁场使3.39 m谱线的增益

51、系数急剧下降，谱线的增益系数急剧下降，632.8nm次之，次之，543.36谱线增益系数谱线增益系数下降最少，从而提高下降最少，从而提高543.36nm谱线的竞争能力。谱线的竞争能力。 对于输出对于输出543.36nm谱线的谱线的he-ne激光器，不管其腔长或腔激光器，不管其腔长或腔短，都要同时采用短，都要同时采用选择性谐振腔选择性谐振腔、棱镜色散棱镜色散、外加非均匀磁场外加非均匀磁场三种措施。三种措施。 对于对于632.8nm器件，只有在腔长为器件，只有在腔长为1m以上，才采用非均匀以上，才采用非均匀磁场方法。磁场方法。 5. he-ne激光器的寿命激光器的寿命 一般规定输出功率下降到最高功

52、率的一般规定输出功率下降到最高功率的1/e的工作时间为激光的工作时间为激光器的寿命。器的寿命。影响激光器寿命的主要因素：影响激光器寿命的主要因素：(1) 慢漏气慢漏气 当放电管密封不严时，空气中的当放电管密封不严时，空气中的氮、氢氮、氢等气体会渗透到管等气体会渗透到管内，使放电条件发生改变并内，使放电条件发生改变并加快氦、氖原子激发态的消失速率加快氦、氖原子激发态的消失速率，因此，将影响输出功率。出现慢漏气时，激光器的放电颜色将由因此，将影响输出功率。出现慢漏气时，激光器的放电颜色将由正常时的橙红色变为紫色正常时的橙红色变为紫色(紫色是氮分子辉光放电产生的紫色是氮分子辉光放电产生的)。出现。出

53、现漏气的地方主要集中在密封处。漏气的地方主要集中在密封处。(2)放电管内元件放气放电管内元件放气 放电管内的元件及放电管壁都会吸附杂质气体，如果除气放电管内的元件及放电管壁都会吸附杂质气体，如果除气不彻底，以后就会慢慢释放出来。将影响原充气成份，影响输出不彻底，以后就会慢慢释放出来。将影响原充气成份，影响输出功率。功率。 在放电管内放置除气剂。如钡钛、钡铝镍，它们可吸收大量在放电管内放置除气剂。如钡钛、钡铝镍，它们可吸收大量氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢，但是不吸收氦、氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢，但是不吸收氦、氖。氖。(3)阴极溅射阴极溅射 阴极在正离子轰击下会产生阴极

54、溅射，溅射出来的金属材阴极在正离子轰击下会产生阴极溅射，溅射出来的金属材料会吸收工作气体，导致管内工作气压降低。同时，溅射物质还料会吸收工作气体，导致管内工作气压降低。同时，溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。(4)工作气体的吸附、吸收和渗透工作气体的吸附、吸收和渗透 放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面，或吸收放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面，或吸收到金属或玻璃内部，甚至透过管壁渗透到大气中去到金属或玻璃内部，甚至透过管壁渗透到大气中去(主要是氦原主要是氦原子子)。可在充气时多充入一些氦气。可在充气时多充入一些氦气。(5)谐振腔反射镜

55、的污染谐振腔反射镜的污染 溅射沉积到反射镜上，使反射率下降。溅射沉积到反射镜上，使反射率下降。 反射镜到阴极的距离要大于反射镜到阴极的距离要大于3cm。 目前，目前，he-ne激光器的最长寿命可达激光器的最长寿命可达10万小时。万小时。四、四、he-ne激光器的设计激光器的设计基本要求：输出功率基本要求：输出功率pw和模式和模式 1. 毛细管长度毛细管长度l 和谐振腔长度和谐振腔长度l 输出功率输出功率pwg，gl （包含长度增加概念）。（包含长度增加概念）。 毛细管长度毛细管长度l=pw/p0 p0为单位长度的功率值，常为经验值。对为单位长度的功率值，常为经验值。对0.6328m激光，激光，p0=20mw/m。 谐振腔长度谐振腔长度l=l+2l 为了防止电极溅射污染镜片以及加工工艺的要求，在放电为了防止电极溅射污染镜片以及加工工艺的要求，在放电毛细管的两端各加长毛细管的两端各加长l3540mm，l为工艺长度。为工艺长度。2. 反射镜曲率半径反射镜曲率半径r he-ne激光器通常采用平凹腔。平面镜作输出镜，凹面镜作反激光器通常采用平凹腔。平面镜作输出镜，凹面镜作反射镜。射镜。 反射镜曲率半径反射镜曲率半径r由腔结构参数由腔结构参数确定。确定。参数参数