氦氖激光器论文

1、单模非均匀加宽氨氤激光器姓名：邓凡水 学号B41014031 专业：1（）电科激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发 射的器件。自i960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器和激光放大器的发 展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自 由电子等数百种之多。根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下 几大类：团体激光器（晶体和玻璃）；气体激光器；液体激光器； 半导体激光器；自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器具有 很诱人的前景。气体激光器所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真 正产生受激发射作用之工作粒子姓质的不同，而进一步区分为原

2、子气体激 光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等。我要介 绍的氨氤激光器就属于气体激光器中的原子气体激光器。氨氤激光器于1961 年A.贾文等人研制成功，是股早研制成功的气体激光器。氮氤激光器的结构与特点工作物质：Hu-Nu气体（Hu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1 % 2%,凹面镜为全反 射镜泵浦系统：一般采用放电激励 激光管结构：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、单细管式典型谱线：632.8nm其他谱线：612nmLI 5pm 3.39pm594nm543

3、nm优点：1.光束质量好OVlmrad单色质量好，稳定性高带宽V22Hz功率稳定（V2%）频率稳定（V 5X1（尸I4.在可见光区氨氤激光器的工作原理最简单的光学共振腔是由放置在氨氤激光器两端的两个相互平行的反射镜 组成，当一些氤原子在实现了集聚数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激 光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受 激辐射，很快地产生出相当强的激光，这两个互相平行的反射镜，一个反射率接 近100%,即完全反射，为一个反射率约为98%,激光就是从后一个反射镜射出 的。一、激励机制氨氤激光器是典型的四能级系统，阴极和阳极间通过充有氨氤混合气 的毛细管放电使

4、氤原子的某一对或几对能级间形成集居数反转。虽然混合 气体中氨的含量倍于氤，但激光跃迁只发生于氤原子的能级间，辅助气体 氨的作用是提高泵浦效率。在一定的放电条件下，阴极发射的电子向阳极 运动并被电场加速，快速电子与基态氨原子发生非弹性碰撞时将氨原子激 发到激发态2$）而自身减速。2成。是亚稳态，因而可积聚大量氨原子。当 激发态氨原子和基态氤原子发生非弹姓碰撞时将氤原子激发到3 S?能级。这 一过程称作共振能量转移。共振能量转移碰撞截面随对应激发态能量差的 减小而急剧增加。由于氨原子的2$）和氤原子的3S?能级十分接近，因而具 有很大的共振能量转移栽面。而激光跃迁的下能级2P4上的氤原子仅仅来源

5、于电子碰撞激发和高能级的串级激发，其寿命又比上能级3S2的寿命低一个 量级，所以在氤原子的3S2和2P,能级间很容易建立集居数反转状态并实现 连续激光运转。共振能量转移：Hu原子的2$）和2$态分别与Nc原子的3S、2S态靠得很近He + cHe + cHe (2*S0) +ccHe(2$) +He (2*S0) + NeHe+Nc (3SJ+0.048CVHe (2$) + NcHe+Ne (2S2)+0.039dv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）c + Nec+Ne (2S)C+Nec+Ne (3S)串级跃迁：Nc与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S

6、 态，此过程贡献最小。二、谱线竞争氨氤激光器的三条最强的激光谱线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。632.8nm和3.39pm两条激光谱线具有相同的上 能级，因此这两条谱线之间存在着强烈的竞争。由于增益系数与波长的三次方成 正比，显然3.39pm谱线的增益系数远大于632.8nm谱线。在较长的632.8nm氨 氤激光器中，鱼然介质膜反射镜对632.8nm波长的光具有较高的反射率，仍然会 产生较强的3.39pm波长的放大6勺自发辐射或激光，这将使上能级集居数减少， 从而导致632.8nm激光功率下降。为了获得较强的632.8nm激光输出，可采用下 述方法抑制3.39pm辐

7、射的产生：借助腔内棱镜色散使3.39pni激光不能起振：腔 内插入对3.39pm波长的光吸收的元件：借助轴向非均匀磁场使3.39pm谱线线宽 增加，从而使其增益下降。三、最佳放电条件求粒子反转数 n = n3-n2牛=Eg - Kii0n3 - dtr3稳态时，dn3/dc = 0,由上式有n 一 聆m3 Kii0+l/r3同理，He (2*S0)能级上的粒子数密度的速率方程为：牛=0耳 Sg - (n4ne S4 + n4 A) dt稳态后，dn4/dc = 0n4 =11011/(114+A)n 一 皿甲伊。3(Kii0+l/r3)(neS4 + A)同样，Nc的2P,能级的粒子密度n2的

8、速率方程为1 = lyieS - n2neS2 - n2A 稳态后，dn2/dc = 0,得珥=刑斗/(neS2 +身因自发辐射几率A很大，故上式可变为：n2 =11802/A就可以分析粒子反转数n与放电条件的关系。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，J = K i, K为比例系数；而山、乌、A、 等均与放电电流无关，从而可表示为：n3 = K】i /(KJ + A)n2 = K3i山通常比n5小得多，因此反转粒子数主要取决于n3当He . Nc气压比一定时：总气压较低，R)和nl减少，%随之减小；总气压很 高时，巩四可增加，但电子与原子碰撞次数增加，电子的动能减小，

9、电子温度降 低，降低，导致巧下降，可见，存在一成佳总气压，使反转粒子数放高。当总气压一定时：Nu气含量过少，山减少，使上减少；Nc含量过多，因Nc比He易电离而导致电子能量和温度降低，使S国和减小。可见，He和Nd 6勺气 压比也存在最佳值四、稔出功率氨氤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稔出功率。但揄出功率的公式不容易求解，一 般引入图解法。影响氨氤激光器稔出功率的因素很多，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5、谐振腔调整得不

10、好造成的损耗 所以有必要使用一定的方法提高稔出功率:1、增加毛细管长度可使输出功率增加。但过长，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 度因定时，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Hc-Hc 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稳定腔，并合理设计谐振腔 长，凹面镜曲率

11、半径和毛细管内径。4、抑制3.39pm的辐射，0.6328pm和3.39pm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，3.39pni的辐射将在腔内振荡 中消耗大量的激发态原子。抑制3.39pm辐射的办法有：加色散棱镜，使3.39pm的光无法起振腔内放置甲垸吸收盒，甲烷对3.39pni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、使用氨的同位素氨一3。通常充入的氨气为氨一4,用氨一3输出功率可 提高25%。因为氨一3比氨一4轻，运动速度比氨一4大，与氤原子叫唤能量的 速率加大，同时更有利于共振转移。但是由于其价格太高，一般不轻易使用此方

12、 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。单横模的实现谐振腔中不同横模具有不同的损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，随 着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。激光器以TEM)0模单模运转的充分 条件是：TEH)0模的单程增益至少应能补偿它在腔内的单程损耗，即应有学牌 而瓦(1-6_0。)1而损耗高于基模的相邻横模却应该同时满足 应向项1-5_10)1式中，gBo和g?o分别为工作物质中TEM)。模和TEM1()模的小信号增益系数；8_00 和8_10分别为二模式的单程衍射损耗。在各个横模的增益大体相同的条件下，不同横模间衍射损耗的差

13、别就是进行 横模选择的根据。因此，必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，8_10/ 8_00越大，则横模鉴别力越高。同时还应使衍射 损耗在总损耗中占有足 够的比例。实现横模选择的几种具体方法：1、小孔光阑选模在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的菲涅耳数，增 加衍射损耗，使其滞上面两个公式，从而使激光器实现基横模运行。这一方法 的实质是使光斑尺寸较小的基模无阻挡地通过小孔光阂，而光斑尺寸较大的高阶 横模却受到阻拦而it受较大的损耗。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不同， 所以小孔光阂的大小因其位置而异。为了扩大基横模体积，充分利用激光工作物 质常采用聚焦光阑法选模。2、谐

14、振腔参数g、N选择法适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N值，使谐振腔的衍射损耗满足上面两 个公式，可使激光器的输出基横激光束。3、非稳腔选模非稳腔是高损耗腔，不同的横模的损耗有很大差异。近年来，利用非稳腔在高增 益激光器中选择横模的方法被广泛采用。4、微调谐振腔对于平面腔，当腔镜倾斜时基模损耗增加最显著，腔的偏调有利于高阶模的 优先振荡。对于稳定腔，由于基模体积最小而高阶模的体积较大，当腔镜发生倾 斜时，高阶横模损耗显著增大，基模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。 这样，适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。非均匀加宽一多普勒加宽（多纵模振荡）如果假设能级是无限窄的，则可近似认为自发辐射是单色的，辐射时全部 功率P都集中在一个单一的频率上，实际上由于各种因素的澎响，自发辐射并不 是单色的，而是分布在中心频率附近的一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。 谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，如果引起加宽的物理因素对每个原子都是 等同的，则这神加宽称作均匀加宽自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属于均 匀加宽类型。而非均匀加宽的特点是，原子 体系中每个原子只对谱线内与它的 表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一 部分原子发射的。气体工作物质中的多普勒加宽和困体工作物质中的晶格缺陷加 宽均属非均匀加宽类型。虽然氮氤激光器属于以非均匀加宽为主但又不能忽略均 匀