氦氖激光器简介

1、氨-覆(He-Ne)激光器摘 要：本文介绍了 He-Ne激光器的工作原理，结构及谐振腔， He和Ne原子的能级图， He-Ne激光器的速度方程， 激发进程和输出特性， 阻碍其寿命的因素， 并简单介绍了其应用 和优势。关键词：He-Ne激光器；激发原理；结构及谐振腔；速度方程；激发进程；输出特性；寿命一.M-M (He-Ne)激光器简介气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器。由于气态工作物质的光学均匀性远比固体好，因此气体激光器易于取得衍射极限的高斯光束，方向性好。气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因此激光的单色性好。 但由于气体的激活粒子密度远较固体为小，需要较大体积的工作物质才能取得足够

2、的功率输出，因此气体激光器的体积一样比较庞大。由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采纳光源泵浦，通常采纳气体放电泵浦方式。在放电进程中，受电场加速而取得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，因此在某一对能级间形成了集居数反转散布。除气体放电泵浦外，气体激光器还可采纳化学泵浦，热泵浦及核泵浦等方式。科科m三条谱线。放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长(12) m的激光器输出功率可达数十毫瓦。由于它能输出优质的持续运转可见光，而且具 有结构简单、体积较小、价钱低廉等优势，在准直、定位、全息照相、测量、周密计量等方 面取得普遍应用。二.M-M(He-Ne)激光器

3、的工作原理氮就激光器的激光放电管内的气体在涌有必然高的电压及电流(在电场作用下气体放电)，放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氯原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态就原子与两能级上的氯原子相碰，氨原子的能量传递给速原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氨原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流持续不断供给，原子不断地发生碰撞。 这就产生了激光必需具有的大体条件。在发生受激辐射时， 别离发出波长3.39科叫632.8nm, 1.53三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红

4、外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波 632.8nm的激光。Mirrorg词伸 high sslaclMtyHui It in sh.JltPi prerfl nls inidwertEin exposureMetallic spnng for tor? centralizatiori 4rd bstt nrtaTionsI slsbiltyPfp r sun borosi icatp hors - npljmijm mgds filling - boiler snguilar stabiilrlylEp口md g3它 mixture for powi perfoim-an

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7、器结构及谐振腔HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、 电极和光学谐振腔组成。放电管是氨一速激光器的心脏，它是产生激光的地址。放电管通常由毛细管和贮气室组成。放电管中充入必然比例的氨（He）、窟（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使速原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连， 那个地址不发动气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的转变，延长器件的寿命。放电管一样是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳固 性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。He-Ne激光管的阳极一样用鸨棒制成，

8、阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合 金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一样都把阴极做成圆筒状，然后用鸨棒引到管外。He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一样用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%2%, 凹面镜为全反射镜。He-Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔 式、外腔式和半内腔式。内腔式如图中（a）所示，将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两头，其 优势是利历时没必要进行调整，超级方便，阴极与毛细管同轴放置， 其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。缺点是在工作进程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离彼此平行位置，造 成器件损耗增加，输出

9、下降。激光管越长，其热稳固性越差，所之内腔式激光管的长度一样不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易改换，反射镜内表面污染后也无法清除。而 且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片， 利用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发烧，使同轴式激光管功率的稳固性不如旁轴式。全区镜阳极内腔式部分反射镜外腔式如图中（b）所示，优势：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，因此寿命比同轴式长， 放电管的热变形对谐振腔阻碍较小，加上谐振腔能够调整， 因此长期利用中能维持稳固输出。放电管的两头贴有布儒斯特窗片，还可使激光取得线偏振的激光输出。缺点：由于反射

10、镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要常常调整，利用不方便，体积大，安装利用不方便，易破碎。由极四.氨和覆原子的能级图激光器的工作气体是 He和Ne,其中产生激光跃迁的是Ne气。He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速度。图（1）为He和Ne的能级图。He原子有两个电子，没激发时这两个原子都散布在IS。壳层上，He原子处于基态。当 He原子受激时，使其中一个电子从3_ 1 _1S激发到2s , He原子成为激发态。He原子有两个亚稳态能级， 别离记为2 s、2 S。Ne原子有10个电子，基态1S0 （电子散布为1S22S22P6）。激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态

11、别离为2P53S、2P54S、2P55S、2P53P、2P54P 。图1与激光跃迁有关的 He原子和Ne原子的部份能级图由广阳掩激V五.氨-覆(He-Ne)激光器的速度方程如下图是氮速激光器的四能级结构示用意，图2氮-速(He-Ne)激光器四能级结构示用意如下图，在这四种能级系统中，E2并非是激光上能级，最高工彳能级 E3是激光上能级。 泵浦源将工作原子从 E0基态能级抽运到 E3激光上能级，E3的寿命长，为亚稳态。一样， 在亚年I态E3于激发态E2激光下能级之间较易实现粒子数反转。通过激光辐射跃迁抵达E2激光下能级的粒子数需要通过E1下泻能级才能回到 E0基态，才能完成产生激光进程的循环。因

12、此，在该种结构中，E1下泻能级向E0基态跃迁的速度要求在技术上加以保证，在He-Ne激光器中利用毛细放电管增强E1下泻能级于管壁的碰撞加速下泻。激光进程中发生在要紧能级之间的要紧跃迁有三种， 论。一种是自发辐射跃迁，发生速度由自发辐射速度 以受激跃迁速度 W标示；三是无辐射跃迁，又叫弛豫,常常采纳跃迁图示的方式进行讨A决定，以 用弛豫速度A标示；二是受激跃迁，s标示；下脚标标示发生跃迁的始末能级。在上图中，设各能级上的原子集居密度别离为n0 ，n1, n2和n3,介质中总的原子集居数密度为 n,那么能够写出四能级的速度方程为:dtn3 A32n3 A31n3 A30n3W32n3W31n3W3

13、0n3 S32n3s31n3s30dn2dn1dnodtn2W23n1W13n0W03n2 A21n2 A20n2 s21n2 s20n2W21n2W20n2W23n3 A32n3W32n1W12n1A10n0W01noWoin0n1n0W02n3 s32n1s10n3 s31n°W02n2n3n1W10n1W12n1W13n3 A31n2 A21n3W31n2W21n2 s21n°W03ns。n2s20n3 50n1 A10n2 A20n3 A30六.He-Ne激光器的激发进程在HeNe激光器中，实现粒子数反转的要紧激发进程如下:第一是共振转移。由能级图可见，态靠得很近，

14、二者很容易进行能量转移,He 原子的 2is0、 23si而且转移概率很高，可达态别离与Ne原子的3s、2s95%,其转移进程如下：1 _He(1 s0) 1 -He(1 s0)1He (2飞)3 一He (23s1)1 _He(1 s0) HedS) He (2&)*3 He (2 s1)e Hee He_1 _(2 s0)(23&)Ne(1s0) Neg)Ne(1s0)Ne* _ 1 _e He (2 s0)3e He (23s1)Ne(1s0)Ne(202)He(11s0)1 _He(1 s0)0.048eV0.039eVg)Ne(1s0) Ne* _(2s2)He(11

15、 s0)1 _He(1 s0)0.048eV0.039eV11式中，He(1 So)表示He的1 S。能级；He和Ne表示激发态的He和Ne； e表示碰撞前的 '电子，e表示碰撞后能量(或速度)变小的电子。第二是电子直接碰撞激发。在气体放电进程中，基态Ne原子与具有必然动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2s和3s态，与共振转移相较，这种进程激发的速度要小得多。第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2s和3s态，与前述两进程相较，此进程奉献最小。依照能量跃迁选择定那么，Ne原子能够产生很多条谱线，其中最强的谱线有三条，即、和，对应跃迁能级别离为3S2-2P4,3

16、S23P4和2S22P4 。2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁专门快。1S态向基态的跃迁是被选择定那么禁止的，不能自 发地回到基态，但它与管壁碰撞时， 可把能量交给管壁， 自己回到基态。这确实是什么缘故 He-Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的缘故。从能级图可见，He-Ne激光器是典型的四能级系统。七、He-Ne激光器的输出特性(1)谱线竞争：He-Ne激光器三条强的激光谱线：3S 2P 0.6328 m , 2s 2P 1.15 m , 3s 3P 3.39 m 中哪一条谱线起振完全 取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。如图2所示，和两条激光谱线有一起的激光上能级3s,而后

17、者增益系数比较高 ，若是不进行抑制，则的辐射在腔内振荡进程中将消耗大量的 3s2态原子。抑制辐射的方法要紧有：选用对的光具有低反射率的谐振腔反射镜，使达不到阈值条件，如以下图所示，在腔内加色散棱镜，将两谱线分开，通过调整谐振腔反射镜的位置，只许诺的辐射起振，而使的辐射偏腔内放置甲烷吸收盒 ，因为甲烷对的光具有强吸收而对的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um 振荡;外加非均匀磁场也能抑制振荡。依照塞曼效应，磁场可引发谱线割裂，割裂的大小与磁场强度成正比。若是激光管内磁场散布不均匀，那么遍地谱线割裂程度不同并连成一片，相当于谱线变宽。300高斯非均匀磁场中，两谱线加宽均约原谱线半宽度约1500MH

18、z,非均匀磁场对它展宽的比例不大。但原谱线宽只有300MHz左右，非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽，所之外加非均匀磁场后的增益系数急剧下降，而pm的增益系数却下降很少.结果提高了的竞争能力那么被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示，沿放电管轴向放置许多小磁铁，相邻的极性相同，如此就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。口回回尽回E酸恢图4（2）输出功率特性：He-Ne激光器的放电电流对输出功率阻碍专门大。He-Ne激光器的输出功率并非随着气体放电电流的增加而单调上升，期间存在某个使输出功率最大的最正确放电电流。这是因为在放电管中，不仅存在激发进程，同时还存在着消13激发进程。Ne的

19、激光跃迁上能级集居数密度n2正比于He的亚稳态（2 S。或2 S1）集居dn3 dt 式中，J为放电电流密度；等号右边第数密度%。描述心转变的速度方程可近似表示为KJnHe K2n3 K3J”项对应电子碰撞激发进程；第二项对应于与管壁碰 一一 、 - 、 *撞及共振能量转移引发的消激发进程；第三项对应于电子与亚稳态原子He碰撞使其回归基态的消激发进程；Ki、K2和K3为与以上三种进程相应的常数；nHe为基态He原子密度。在稳固情形下，由上式可得n3nHeK1JK2 K3J当放电电流较小时，n3正比于Jo随着放电电流的增加，n3及与它成正比的n2趋于饱和。另一方面。从实验发觉激光跃迁下能级的粒子

20、数密度n1正比于Jo这是因为下能级粒子的激发（电子碰撞引发的直接激发和级联激发）速度和放电电流密度成正比，而消鼓励却要紧通过2P4 1S的自发辐射，其速度与放电电流无关。上、下能级的集居数密度随着电流增加而增加，在反转集居数达到最大值后，却随着电流增加而减少。电流密度图5 Ne的激光上、下能级集居数密度随放点电流密度转变的曲线图6为表示输出功率与放电电流的关系曲线。曲线说明：在气压比为定值时，每一个总气压都存在一个输出最大的放电电流，其大小随着总气压的升高而降低，这是因为气压升高，只需要较小的放电电流就能够取得相同的电子密度。在最正确充气条件下， 使输出功率最大的放电电流叫最正确放电电流。-&

21、#169;英妄)姆集田图图6输出功率与放电电流的关系曲线He-Ne激光器存在着最正确混合比和最正确充气总压强，即存在最正确充气条件。产生激光的Ne原子比例过小无疑会使输出功率减小。另一方面，由于Ne的电离电位较低，其比例过大会因为电离过量而使电子离子数量增加，在较低的电场下就能够维持必然的 放电电流，低电场致使的电子温度下降使激发速度降低，输出功率随之下降。实验发觉，氨气与窟气的分压比为7/1时是最正确分压比。而总压强在100Pa400Pa。选用He气作辅助气体的缘故：Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级 He*与Ne*能级极相近,易发生能量共振转移假设放电毛细管的直径为d,充气压强为

22、p,那么存在一个使输出功率最大的最正确pd值。产生这一现象的缘故是：一方面压强的下降使电子与原子的碰撞减少，从而致使电子温 度（平均动能）上升，激发速度升高；毛细管管径的减小那么使电子和粒子的管壁复合加重， 为了维持放电电流不变必需加大电场，由此造成的电子温度升高有利于激发。另一方面，pd值太低又会因He、Ne原子数量的减少而使输出功率减少。图7给出了在不同的毛细管内径d和长度l时,输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线。由图7可见，内径d不同，最正确充气压和气压比也不同。计算可得：当取最正确充气条件时，最正 确气压 Popt与 毛细管内径的 乘积约 为一常数，一样Poptd=480533Pa

23、mm.I 3E石（5由门作5 33666稳压W4<Pa y图7输出功率与充气总气压和气压比的实验曲线在最正确放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。通过受激辐射跃迁到激光跃迁下能级的Ne原子借助自发辐射转移到亚稳态的1S能级,然后通过与管壁碰撞释放能量的途经返回基态。若是管径d增大，原子与管壁碰撞的机遇减少、滞留在1S能级的Ne原子可能吸收自发辐射的光子从头返回激光下能级，从而致使反 转集居数的减少。毛细管直径的选择应综合考虑对输出功率和模式的要求和增益、衍射损耗及模体积对功率的阻碍。八、He-Ne激光器的寿命He-Ne激光器利用一段时刻或寄存一段时刻后，它的输出功率会慢慢降

24、低，以致最 后没有激光输出。此刻一样规定输出功率下降到最高功率的1/e的工作时刻为器件的寿命。阻碍器件寿命的因素大致有以下几方面：1 .慢漏气当放电管密封不周密时，空气中的氮、氢等气体分子会渗透到管内，使放电条件改变 并加速氨、就原子激发态的消失速度，无疑，这将阻碍器件输出功率。显现慢漏气时，激光 器的放电颜色将由正常放电时的橙红色变成紫色（紫色是氮分子辉光放电产生的）。容易显现慢漏气的地址有： 电极与玻璃封接处； 谐振腔反射镜或布儒斯特窗与放电管粘合处和吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。 为避免慢漏气， 要提高封接工艺水平并改革现有封接方式。2 放电管内元件放气放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，若是除气不完全，以后就会慢慢释放出来。 同时激光管清洗得不干净时， 污物和洗液也会放出大量杂质气体， 这些杂质气体会改变原充气的气体成份， 阻碍输出功率。 为克服放气， 要对放电管及其内部元件进行认真清洁处置和除气。另外，在放电管内可放置