激光器件-第1篇-第二讲-原子气体激光器

激光器件设计激光器件设计

第一篇气体激光器2023/11/72第一讲气体激光器的放电激励基础第二讲原子气体激光器第三讲分子气体激光器第四讲气体离子激光器

第一篇气体激光器2023/11/73原子气体激光器的工作物质是中性原子气体，其激光跃迁发生子中性原子的不同激发能态之间，能产生激光跃迁的原子种类很多，主要有惰性气体(氦、氖、氩、氪、氙)和某些金属原子蒸气(铜、金、锰、铅、锌等)。典型的是惰性气体类中的He-Ne激光器和金属原子蒸气类中的铜蒸气激光器。第二讲原子气体激光器2.1氦氖激光器的工作原理以氦气和氖气组成的混合气体为工作物质，其中氦气是提高泵浦效率的辅助气体，氖气是产生激光的工作气体。2023/11/74氦氖激光器的主要特点连续波运转,主要工作波段在可见光到近红外区域,最常用的工作波长为632.8nm(红光),其次是1.15μm和3.39μm以及1.52μm、543.5nm等He-Ne激光器输出光束质量很高,表现为单色性好(Δν<20Hz)和方向性好(θ<1mrad)由于增益低,输出功率一般为毫瓦量级(0.5～100mW)，最大连续输出功率可达1W输出功率和频率稳定度高器件结构简单紧凑,制作容易使用方便，寿命长应用准直、精密计量、信息处理、医疗、照排印刷等2023/11/752.1.1He-Ne激光器的基本结构

He-Ne激光器由激光管和电源两部分组成,激光管主要包括放电管、电极和谐振腔三部分,放电管是He-Ne激光器的核心。放电管毛细管：处于增益介质工作区，气体放电仅在毛细管中进行,当在电极上施加高压后,毛细管中的气体开始放电,使氖原子产生粒子数反转。贮气管：不发生放电，作用是增加放电管的工作气体总量，使毛细管内的气体不断更新，减缓毛细管放电时产生的杂质气体增加和He-Ne气体气压比的变化速率延长器件的寿命。2023/11/76电极阳极：一般采用钨针制成阴极：多采用电子发射率高而溅射率小的铝及其合金制成，通常做成圆筒状,并有尽可能大的尺寸光学谐振腔由一对镀有多层高反射率介质膜的反射镜组成，一般采用平凹腔。平面镜为输出反射镜,透过率约1%～2%,凹面镜为全反射镜，反射率接近100%。按照谐振腔与放电管的放置方式不同,可分为内腔式、外腔式和半内腔式、傍轴式、单毛细管式

放电管一般采用GG17玻璃,要求输出功率和频率稳定性好的器件可采用热胀系数小的石英玻璃。放电管的密封采用玻璃粉加热的“硬封接”技术，提高器件寿命。2023/11/77

内腔式

将谐振腔的两个反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端。

优点：使用时不必进行调整，非常方便。

缺点：在工作过程中放电管受热变形，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损坏增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。当谐振腔反射镜损坏后不易更换，反射镜内表面污染也无法清除。2023/11/78外腔式谐振腔反射镜和放电管是分离的。反射镜上有调整机构，可随时进行调整。放电管的两端贴有布儒斯特窗片(与毛细管轴线成布儒斯特角放置的平板玻璃)，它既可以密封放电管，还可以使激光得到线偏振的激光输出。优点：谐振腔与放电管分离，放电管的热变形对谐振腔的影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。缺点：由于谐振腔与放电管分离，相对位置易便，需要经常调整，使用不方便。2023/11/79半外腔式一端采用内腔结构，另一端用布氏窗密封，放电管与反射镜分开。兼有前两者的优点，适于作特殊要求的小型激光器的结构。

2023/11/710旁轴式激光器的阴极与放电管不同轴。优点：阴极溅射不致污染镜片，器件寿命增长。缺点：体积较大，不易携带。

单毛细管式没有贮气管，放电管由单一毛细管构成。具有旁轴式结构的部分优点，还可以沿管壁加非均匀磁场，抑制较强谱线的输出，适于较长激光器中采用。2023/11/7112.1.2氦氖原子的能级结构He-Ne激光器的放电管是一充有氦氖(PHe:PNe=6:1)混合气体的毛细管；He-Ne激光器中的激光跃迁产生于Ne原子的不同激发态之间；He原子为辅助气体,用作对Ne原子的共振激发能量转移，提高Ne原子的泵浦速率。2023/11/712He原子核外有两个电子,其基态电子组态为1s1s。He原子处于基态,其能级符号表示为11S0

。当He原子受激时,其中,一个电子由1s壳层激发到2s壳层(电子组态为1s2s),使He原子处于激发态。该激发态中有两个亚稳能级(21S0和23

S1)与He-Ne激光跃迁有关。激发态21S0和23S1特点：与基态之间禁戒辐射跃迁。He(21S0)原子辐射寿命为2×10-2秒，He(23S1)原子的寿命为6×10-5秒，比其他能级原子的寿命(10-8秒)要长。为Ne原子的激发上能级的共振激发能量转移提供了有利条件。氦原子能级分布2023/11/713Ne原子核外有10个电子,其基态电子组态为1s22s22p6

。Ne原子基态能级为1S0

。Ne原子有10个电子，基态1S0(电子分布为1s22s22p6)。激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为2p53s、2p54s、2p55s、2p53p、2p54p。受激时,2p壳层中的一个电子跃迁到较高能态而形成激发态。与激光跃迁有关的Ne原子电子激发组态为1s22s22p53s、1s22s22p53p、1s22s22p54s、1s22s22p54p、1s22s22p55s。氖原子能级分布2023/11/714习惯上,Ne原子的能级用帕邢符号表示。根据能量跃迁选择定则,在Ne原子的3S与2P、3P能态之间,2S与2P能态之间的很多对子能级之间都能产生跃迁谱线(现已获得100多条谱线),其中,最强的谱线有3条,即632.8nm、3.39μm和1.15μm,分别对应于3S2→2P4、3S2→3P4和2S2→2P4之间的跃迁。2P、3P能级是禁戒的，它们不能向基态跃迁，只能以自发辐射形式向较低的1S能级跃迁。1S态也不能直接向基态跃迁，可与管壁碰撞，把能量交给管壁，然后回到基态。一般He-Ne激光器输出工作波长为632.8nm，对应于3S2→2P4的跃迁。跃迁至激光下能级2P4上的Ne原子通过自发辐射跃迁到1S能级，最后通过扩散返回基态。可见，He-Ne激光器是典型的四能级系统。2023/11/7152.1.3粒子数反转建立过程实现粒子数反转分布的主要激发过程有两个：电子直接碰撞激发Ne原子和激发态He-Ne原子间的共振能量转移过程。第二种激发过程是建立3S2与2P4能级间粒子数反转的最主要过程，其贡献相当于第一种过程的60-80倍。目的：实现激光上能级粒子积累和下能级粒子排空激光上能级的激发电子直接碰撞激发

放电空间的快速电子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。

激发到3S和2S上的几率非常小(和激发到1S和2P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布。这种不能按人们意愿控制的激发被称为非选择激发。2023/11/716共振激发能量转移

①He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生非弹性碰撞时将氦原子激发到激发态23S1和21S0，23S1(10-4秒)和21S0(10-2秒)是亚稳态,寿命较长，因此可以积聚大量的激发态的氦原子。

2023/11/717

激光上能级的激发2S1SNeS321S23SHe2P3P电子碰撞激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移②能量共振转移由于23S1和21S0上的氦原子的能量与3S、2S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，电子碰撞截面大，转移几率很高，可达95％。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3S和2S能级上，这个过程称为能量共振转移。

2023/11/718串级激发电子碰撞基态Ne原子使其跃迁到较高能级，高能级Ne又与基态Ne碰撞，使基态Ne跃迁到2S、3S能级，自己又回到较低能级过程。与前述两过程相比，此过程贡献最小。

复合激发Ne离子与He、Ne原子三体碰撞形成分子离子，再与电子碰撞获得激发态Ne过程。2023/11/719

激光上能级的激发激光下能级的消激发下能级主要是电子直接碰撞激发根据跃迁选择定则,位于激光下能级3P4,2P4能级的粒子向基态的跃迁是禁戒的，位于3P4,2P4能级的粒子不能直接向基态跃迁，而是以极快的速率自发辐射跃迁至1S态。1S态向基态的跃迁也属于禁戒性质，因此1S能级上的氖原子出现堆积，如果不能立即排空1S能级，这些原子就会被小能量的电子碰撞或捕获光子而重新回到激光下能级2P和3P，从而降低粒子数反转分布的绝对值，使增益减小。这种低能级粒子数出现阻塞的现象称为“瓶颈效应”。2023/11/720要提高粒子数反转分布的绝对值，关键是排空1S能级的粒子。方法：使1S能级上的粒子通过扩散至管壁与管壁碰撞交换能量返回基态，称其为“管壁效应”。要加速1S能级粒子的排空，要求减小放电管管径d的尺寸，而d的减小使激活模体积减小，使输出功率下降。He-Ne激光器放电毛细管管径d与小信增益最佳值Gm之间存在经验公式:Gm=3×10-4/d(cm-1)激光下能级的消激发2023/11/7212.2He-Ne激光器的工作性质

Ne原子的能级结构不仅决定了器件的结构和工作原理，还决定着器件的工作性质，包括增益及增益饱和特性。2023/11/722增益系数G0如有一增益介质，光强为I的准单色光自端面入射，由于受激辐射，在传播过程中光强将不断增加，通常可以用增益系数来描述光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。设在距离z处光强为I(z)，在z+dz处光强为I(z)+dI(z)，则介质对光的增益系数为2.2He-Ne激光器的工作性质增益是决定激光器振荡、模式竞争及输出功率等特性的重要因素，增益G0正比于激光上、下能级的反转粒子数密度差Δn0(G0∝Δn0)。激光器放电参数对粒子数反转分布绝对值Δn0

有重要影响，放电参数主要包括：放电电流(i)、充气总气压(p)、He,Ne气压比(PHe:PNe)。

以632.8nm谱线跃迁(3S2→3P4)为例,通过建立与求解速率方程分析Δn0

与放电条件之关系。2023/11/723设:ne—气体放电激励时的电子密度Ne原子n3—激光上能级(3S2)的粒子数密度

n2—激光下能级(2P4)的粒子数密度

n1—基态(1S0)能级上的粒子数密度He原子n4—亚稳态能级(21S0)上的粒子数密度

n0—基态(11S0)能级上的粒子数密度

Ne原子3S2能级上粒子数密度(n3)的速率方程

Kn1n4:HeNe共振转移的激发速率,K为转移速率常数

Kn0n3:NeHe共振转移的激发速率

n3/τ3

:

n3到其它能级的驰豫速率,τ3为其驰豫时间2023/11/7242.2.1He-Ne激光器速率方程组稳态时,可得：2023/11/725

Ne原子3S2能级上粒子数密度(n3)的速率方程

n4的居集主要是电子碰撞激发过程，其速率方程为：

n0neS04：电子碰撞激发速率；S04为激发速率常数

n4neS4：电子碰撞消激发速率；S4为消激发速率常数

n4A′：因共振能量转移或逃逸出激活区而使n4衰减的速率；A′为衰减几率

稳态时,可得：

He原子亚稳态能级21S0上粒子数密度(n4)的速率方程2023/11/726n2也是靠电子碰撞激发，其速率方程为：

n1neS02：电子碰撞激发速率；S02为激发速率常数

n2neS2：电子碰撞消激发速率；S2为消激发速率常数

n2A：自发辐射衰减速率；A为自发辐射几率

稳态时,可得：

Ne原子激光下能级2P4粒子数密度(n2)的速率方程因自发辐射几率A很大，与A相比neS2可忽略：2023/11/7272.2.2增益和放电条件之间的关系增益与放电电流i的关系

在气压p和充气混合比PHe:PNe一定的条件下，ne∝i，即：ne=K'i

K′：比例系数。而n0,n1,τ3,A等均与i无关。将ne代入n3和n2式得：K1,K2与K3都是和放电电流无关的常数3S2能级：2P4能级：2023/11/7282023/11/729

线间距为粒子数反转值，间距最大处电流为获得最大增益放电电流。粒子数反转分布值：增益与放电电流的关系

n2随i呈线性增长关系

(1)当i较小时：K2i可忽略

(2)当i较大时,K2i随之增大

随i增大时,n3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。增益G0正比于激光上、下能级的反转粒子数分布值Δn0

在电流逐渐增大、电子密度增强的过程中，粒子数反转值在某一放电电流条件下，出现最大值,增益存在一个最佳值(1)当i较小时(2)当i较大时2023/11/730

因n3>>n2,故

在He、Ne气压比一定的条件下，放电电流取最佳工作电流增益与充气总气压的关系总气压若总气压虽,但电子与原子碰撞次数也增多导致电子动能下降2023/11/731器件存在一个最佳总气压popt，当p=popt时，对应着电子温度Te的电子平均能量最有利于激光上能级粒子的积累和激光下能级粒子的排空，使增益最大。He-Ne激光器的总气压一般在几帕-几百帕之间。2023/11/732增益与充气总气压的关系在总气压p一定的条件下，

由于n1比n0对n3的影响大

由于Ne原子激发上能级粒子数主要通过与He亚稳态共振转移而获得,因此作为工作气体的Ne气所占比例要适当，pHe：pNe也存在一最佳值。一般pHe：pNe≈7:1~10:1增益与氦氖气体混合比的关系因Ne的电离电位低,易电离而导致电子能量下降

2023/11/733

最佳充气总气压popt与最佳He,Ne混合比叫做最佳充气条件。当器件取最佳气压比与最佳总气压时，最佳总气压popt与放电管径d的乘积为一常数，其取值范围：

结论：为得到最大反转粒子数Δn0,即获得最大增益G0，He-Ne激光器应工作在最佳放电电流条件下，即采用最佳放电电流、最佳充气总气压和最佳He、Ne气压比。2023/11/734增益分布增益沿放电管轴向分布均匀，径向分布不均匀，受到放电电流、总气压和气体混合比的影响。电流较小时，放电管内增益的径向分布同管内电子密度的径向分布一样，呈零阶贝塞尔函数分布；随电流增大，管轴中心出现增益饱和并下降；电流继续增大，管壁附近出现增益饱和并下降。在一定电流下，气压增大，管轴中心易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壁碰撞弛豫，导致Δn0减小，增益下降。气体混合比减小，Ne原子增多，电离几率增加，导致Δn0减小，离管轴较远处有较多Ne原子被激发，导致增益径向分布低而宽。2023/11/7352.2.3增益曲线与增益饱和激光工作物质的增益系数与工作物质的谱线加宽线型有关。氦氖激光器的谱线加宽属于综合加宽，由多普勒非均匀加宽和碰撞均匀加宽构成。综合加宽增益系数

G0D(ν0):纯非均匀加宽时，中心频率为ν0小信号增益系数

WR(ξ+iη):误差函数

ΔνH：碰撞线宽；ΔνD：多普勒线宽

Iν：入射的频率为ν的光强度；

IS：饱和光强2023/11/736η=0：即ΔνH<<ΔνD，曲线为多普勒非均匀加宽；η=0.2:相当于氦氖激光器的典型情况，属于综合加宽气压越高，ΔνH越大，η越大，曲线下移，越接近均匀加宽增益曲线。2023/11/737小信号情况增益小信号情况下，入射光强Iν≈0，可得在中心频率处(即ν=ν0)，可得最大增益值实验证明：最佳放电条件下，Gm=3×10-4/d(cm-1)2023/11/738增益饱和激光的增益饱和是指增益系数G随入射光强的增大而下降的现象。其物理机制是强烈的受激辐射致使反转粒子数减少。当Iν与IS可比拟时，随着Iν的增加，增益G(ν,Iν)将减小，出现增益饱和现象。He-Ne激光器中，谱线属综合加宽，增益曲线会出现非均匀加宽谱线增益饱和的纵模“烧孔”现象，“烧孔”有一定的宽度δν，且正比于均匀加宽宽度ΔνH2023/11/739单模情况振荡模在增益曲线上烧孔，增益饱和基本上是非均匀的，但由于均匀加宽的影响，振荡模也使整个增益曲线产生一定程度的饱和，整个曲线有所下降。多模情况由于在增益曲线超过腔损耗的部分内，有多个间隔为Δνq=c/2L纵模振荡，增益饱和有两种情况：(1)δν<Δνq/2，相邻纵模烧孔不相重叠，各个纵模各自饱和，增益曲线的振荡阈值以上部分不能全部“烧”掉，因此输出较小功率；(2)δν>>Δνq/2，各纵模烧孔相重叠，曲线阈值以上部分全部被“烧”掉，整个非均匀加宽增益曲线出现类似于均匀加宽的增益饱和。2023/11/7402.3He-Ne激光器的输出特性

氦氖激光器的增益特性决定了激光器的输出特性，包括输出功率、发散度、偏振特性、频率特性等。输出特性参数也是设计激光器主要结构参数的理论依据。2.3.1氦氖激光器的输出功率

单纵模激光器的输出功率对于连续运转的激光器，当腔内实现稳态振荡后，光在腔内往返一次所获得的饱和增益等于腔内的光学总损耗。即:

GS(ν,Iν)：饱和增益系数

l：放电管长度

αc：除透过率外光在腔内往返一次的光学总损耗的百分数

T：输出镜的透过率2023/11/741器件的输出功率P表示为:

A：光束的有效横截面积，其值一般小于放电管横截面积，其值等于放电管横截面积×放电管利用系数。Vm：腔内振荡光束的模体积

Vt：放电管体积放电管利用系数2023/11/742

对于平凹腔结构的TEM00横模,令Γ=R/L,则有:求出腔内稳态光强Iν，即可求出输出功率P。因Iν不仅与工作物质的物理参数有关,同时与激光器的结构参数有关,为此引入一个激发参量βGm：最大小信号增益

可见,当器件结构确定以后，λ、T、αc

、Gm的值均可确定,则激发参量β可知.2023/11/743设激光器工作在中心频率

上式给出了β

与Iν/IS

之间的关系，IS是饱和光强,其值可由实验测出对于结构确定的激光器(λ,T,αc,Gm),可算出其β值,β值已知后,我们可利用图解法从上图关系曲线中查出Iν/IS。令

f=Iν/IS

则有P∝T，即增大输出镜透过率T可提高输出功率P，但T的增大会导致Iν下降而引起P的下降，固存在一最佳透过率Topt。2023/11/744多纵模运转可分为两种情况：

δν<Δνq/2，相邻纵模烧孔不相重叠每个纵模的输出功率计算方法与单纵模情况相同，总功率为各个纵模功率和；δν>>Δνq/2，各纵模烧孔相重叠，存在模式竞争，当纵模数较大时，曲线阈值以上部分全部被“烧”掉，增益饱和类似于均匀加宽的情形。

基横模多纵模振荡输出功率计算输出功率时可等效为一系列间隔为δν的纵模振荡，腔内总光强IT可用等效纵模平均频率ν1的光强乘以等效纵模数来获得。2023/11/745

设等效纵模的平均效率为ν1,其在腔内光强为Iν1,则腔内总光强It为:

Δνosc为振荡线宽氦氖激光器谱线以非均匀加宽为主，则：2023/11/746同单纵模情况引入激发参量且稳态工作后ν1处的大信号增益系数为:2023/11/747这些曲线近似于直线,其方程为:

K为直线斜率则基横模多纵模He-Ne激光器的输出功率P为:

KIS称为632.8nm谱线的有效饱和参量,与气压无关,其值为30±3(W·cm-2)。2023/11/748代入可得氦氖激光器最佳放电条件下的输出功率为:由dP/dT=0，可得多纵模激光器的最佳透过率：相应的最佳输出功率为：上述公式的导出条件为Δνq≤ΔνH：放电管直径满足该条件得到最大输出功率。若L=30cm，可得d≤0.12cm2023/11/749影响输出功率的物理因素放电条件对输出功率的影响要获得大的输出功率，必须选择最佳放电条件。d=1.5mml=12.5cmd=3mml=55cmd=5mml=65cm对于直径确定的放电管，每一气压比都有一最佳总气压。当取得最佳充气条件时，最佳总气压与放电管直径乘积约为常数，通常取480~533Pa·cm，随着放电管直径的增大，最佳总气压随着降低。2023/11/750最佳气压比随放电管直径增大而减小。在总气压不变的情况下，最佳气压比随放电管直径的增大而直线下降。气压比对输出功率主要从电子温度和激光物质的密度两方面来产生影响。选择合理的气压比，使管内既有足够多的激光物质Ne，又使电子处于最佳激发状态。倘若总气压不变，增大放电管管径d，管内会因带电粒子复合减少。轴向电场减小，电子温度减低。此时，管内只有降低气压比，才能使这样的电子具有最佳激发。通常PHe：PNe=5~102023/11/751放电电流主要是改变电子密度，改变粒子反转数，从而改变增益输出功率。

在最佳充气条件下，对应着最大输出功率的放电电流称为最佳放电电流。总气压增大，最佳放电电流减小，这是因为气压升高，只需很小的放电电流就能得到相同的电子密度。2023/11/752最佳放电电流还与放电管直径有关，最佳放电电流随着放电管直径的增大而减小。放电电流与放电管管径经验公式：A：Iopt=3.5+1.5d2(mA)不抑制3.39μmB：Iopt=19(d-1)

(mA)抑制3.39μm2023/11/753透过率与腔损耗对输出功率的影响透过率T最佳值当T在Topt附近有小变化时，输出功率不会有明显变化。因此,对Topt的精度不必作太高的要求。实际运用中,一般通过实验的方法确定最佳透过率。因He-Ne器件增益较低,输出镜透过率也比较低,因此其腔内损耗对输出功率影响较大，降低腔损耗将提高输出功率。2023/11/754透过率与腔损耗对输出功率的影响腔损耗主要包括腔镜的吸收和散射损耗、放电管的衍射损耗、腔内光学元件的附加损耗以及腔镜失调的附加损耗等。降低腔内损耗的措施:合理设计谐振腔:选用稳定腔,如平凹腔,双凹腔等,平凹腔使用多.设计l,R等参数;合理选择毛细管直径d:减少衍射损耗;选高质量的光学元件;精调谐振腔。2023/11/755

氦氖激光器的许多激发跃迁具有同一激光上能级(或下能级)，因此在它们之间存在有通过共有能级上粒子数发生的相互影响而出现的谱线竞争效应，即某些谱线的产生振荡后会使其他一些谱线的增益和输出功率减弱或被抑制。3.39μm谱线与632.8nm谱线共用一个激光上能级3S2,且增益都比较高，谱线竞争尤为强烈。3.39μm谱线的振荡，将大量消耗激光上能级的粒子，导致632.8nm谱线的增益与输出功率下降,甚至振荡被抑制。因此，设法抑制3.39μm谱线振荡是提高632.8nm输出功率的重要手段。抑制方法

增大3.39μm谱线的损耗降低3.39μm谱线的增益谱线竞争效应对输出功率的影响2023/11/756(1)

腔内置色散棱镜利用棱镜的色散效应,调整腔镜,使632.8nm可在腔内形成振荡,而3.39μm的光逸出腔外.2023/11/757(2)腔内放置甲烷吸收盒

甲烷气体在3.39μm附近有一强吸收区，而对632.8nm透明度很好2023/11/758(3)外加非均匀磁场

利用塞曼效应，磁场引起谱线分裂，分裂的大小与磁场强度成正比。沿放电管轴放置多块磁铁，相邻的极性相同，而在管线轴上形成非均匀磁场，非均匀磁场的作用相当于把谱线展宽。由于工作介质的增益系数反比于线宽，因此3.39μm增益系数显著降低，632.8nm增益系数下降很少，从而提高了632.8nm的竞争能力，实现了对3.39μm的抑制。2023/11/759(4)使用同位素He-3He-Ne器件中所充氦气通常为He-4。实验表明,使用He-3比用He-4输出功率可提高25%左右，但He-3的价格高得多,一般情况下很少使用。2023/11/760输出功率稳定性是激光性能检验的重要指标，用功率稳定度S表示，S定义为一段时间内输出功率变化的百分数。

影响因素：（1）放电电流波动：电网电压波动，放电参数变化（2）工作频率波动：PW∝G，G∝1/ν3。温度变化会引起腔长变化，导致频率变化。（3）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、伸长或缩短导致腔内损耗改变，输出功率波动。

输出功率的稳定性一段时间内输出功率平均值这段时间内功率波动值2023/11/761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反馈、电流反馈的方法来减小输出功率的波动。2023/11/762He-Ne激光束的束散角可认为仅取决于其谐振腔的几何尺寸(因工作物质光学均匀性好,故可忽略光在腔内传播过程中所产生的畸变)。

光束发散角的定义:

对于TEM00，其远场发散角(半角)θ(∞)为:

远场:w0为激光束束腰直径，θ(∞)越小，表明能量在光束方向上越集中，也就是常说的方向性好

2.3.2氦氖激光束的发散角z较小时，θ(z)也较小，即光斑半径w(z)随z的增加而缓慢增大，这种特性常称为准直特性。在实际应用中，需要在尽可能长的距离内保持激光束的准直特性。一般把光斑半径从束腰直径w0增加到w0的传输距离称为准直长度，或叫瑞利长度ZR。激光器的远场发散角越小，输出光束的瑞利长度越长，即准直性越好。2023/11/764

对于He-Ne激光器常用的平凹腔:

R

：凹面镜曲率半径

L

：腔长

令：2023/11/765L一定时，Γ增加，θ(∞)减小；Γ一定时，L增加，θ(∞)减小。

为得到较小束散角，设计时应选用大R或大L，但R、L过大，不仅谐振腔调整困难,而且在工作过程中易失调，同时造成输出功率的漂移。因此，设计R与L参数时要统筹考虑。2023/11/766外腔式与半外腔式外腔式与半外腔式He-Ne激光器，由于布儒斯特窗的存在，输出的激光为线偏振光，其偏振电矢量方向在放电管轴与布氏窗的法线所构成的平面，称作入射面。光的偏振度：外腔式He-Ne激光器，I∥/I⊥高达300:1~500:1，偏振度均在99%以上，半内腔式的偏振度稍低一些。引起偏振度下降的主要因素是粘贴布氏窗片时布氏角的偏差及局部应力产生的应力双折射等。2.3.3氦氖激光器的偏振特性2023/11/767内腔式He-Ne激光器输出的激光表现常为自然光的性质，但也存在一定的偏振性，其偏振态较为复杂，与振荡模数目、腔镜反射率分布情况、振荡谱线种类等相关，并且在工作过程中，偏振特性还会发生不规则的变化。磁起偏He-Ne激光器：在放电管上加上均匀横向磁场，即保留了内嵌式结构紧凑使用方便的特点，又可获得高偏振度的线偏振光输出。2023/11/768内腔式

He-Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1/e的工作时间为器件的寿命。产生原因：放电管密封不严密，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快氦、氖原子激发态的消失速率，影响器件输出功率。特征：激光器的放电颜色将由正常放电时的橙红色变为紫色（紫色是氮分子辉光放电产生的）。容易出现的地方：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以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。改进措施：要提高封接工艺水平并改革现有封接方法，如用玻璃硬封接工艺代替环氧树脂做胶合剂的粘接工艺。2.3.4氦氖激光器的寿命慢性漏气2023/11/769产生原因：激光管制作过程中除气不彻底，放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，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分，影响输出功率。改进措施：要对放电管及其内部元件进行认真清洁处理和除气。此外，在放电管内可放置吸气剂，例如钡钛、钡铝镍等，可吸收大量氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢等，但不吸收氦、氖。产生原因：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，同时溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。改进措施：选用不易溅射的金属做电极，如铝、钽、锆，目前认为铝是最理想的电极材料。并避免表面放电电流密度超过溅射阈值。此外，在充气时可略高于最佳总气压，防止溅射物吸收造成的工作气压降低。放电管内元件放气阴极溅射2023/11/770产生原因：放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面，或吸收到金属和玻璃内部，甚至还会透过管壁渗透到大气中去。氖的电离电位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直径比氖小，它渗出管外的能力比氖强。由于这些原因，管内的总气压和氦、氖气压比会慢慢变化，使之偏离最佳工作状态，造成输出功率下降。改进措施：选用渗氦低的材料做放电管，还可以采用三层套管，即在放电管外再加一层氦气补偿套管，管内充入的氦气气压应高于放电管内的气压。产生原因：溅射沉积在反射镜上或放电管内未加清除掉的污物挥发后会沉积到反射镜上，促使其反射率下降。改进措施：设计He-Ne激光器时，应注意反射镜到阴极的距离要大于3cm。

工作气体的吸附、吸收和渗透谐振腔反射镜的污染目前He-Ne激光器最长的寿命可达10万小时。2023/11/7712.4He-Ne激光器的稳频激光的特点之一是单色性好，即其线宽Δν与频率ν的比值Δν/ν很小。由于各种不稳定因素的影响，实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中，要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性。2.4.1氦氖激光器的频率特性在未采用任何纵模选取措施的情况下，一般的氦氖激光器表现为多纵模振荡。无源腔各纵模间隔Δυq和振荡线宽Δυosc分别为

β—激励参数，一般取2ΔυD—多普勒带宽，常温下约为850MHz

与Δυosc相对应的相干长度Lc为20cm，而Kr86原子单色光源的相干长度可以达到75cm，可见多纵模氦氖激光器的单色性远远不能满足实际应用要求。应用的激光器都要求有尽可能小的振荡带宽，最好是单纵模且稳频运转。2023/11/772选单纵模的方法缩短腔长当腔长L<15cm时，纵模间隔Δυq大于1000MHz，纵模间隔拉开，使得只允许一个纵模能超过振荡阈值，获得单纵模运转。但由于腔长缩短，其输出功率一般约为0.5mW，使其应用存在局限性。腔内放置纵模选择器—F-P标准具对于折射率n、厚度D和入射角θ都已确定的标准具，具有确定的透过带fm，fm是频率的周期函数，相邻两个fm的间隔Δυfree为标准具的自由光谱区透过带宽为单纵模运转条件:(1)在振荡带宽内只有一个透射峰(2)在一个透射峰带宽内只有一个纵模2023/11/7732.4.2氦氖激光器的稳频方法基横模、单纵模运转激光器的纵模频率为：频率稳定度:激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比

频率复现性:激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量目前,稳定度已达到10-9～10-13而复现性在10-7～10-12，实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10-8以上。L为腔长，n为工作物质折射率。激光器工作中，由于各种因素影响，会引起L和n在微小范围内的变化，进而导致υq也会有微小变化:2023/11/774He-Ne激光器的频率稳定状况振荡频率在整个多普勒线宽内移动(最大频移情况)考虑一个纵模振荡频率在整个振荡线宽内移动：频率稳定度取工作物质温度T=400K，M为Ne原子质量等于20，得频率稳定度为3.8×10-6，这是He-Ne激光器最低频率稳定度。振荡谱线仅有自发辐射线宽(最小频移情况)有源谐振腔中，由于自发辐射的存在，使得纵模激光器的线宽不等于零，而有一个所谓单纵模激光器的极限线宽有源腔线宽Δυc，此时取腔损耗α=2%，腔长L=20cm，功率P=0.1mW，得频率稳定度为5×10-17，这是He-Ne激光器所可能达到的频率稳定度极限，目前实际所能达到的最高稳定度为10-14量级。2023/11/775影响频率稳定度的主要因素无源腔纵模频率为：腔长L及折射率n都在一定范围内变化,当L的变化为

L，n的变化为

n时，引起的频率相对变化为：频率是否稳定取决于腔长和折射率是否稳定2023/11/776(1)

温度变化的影响

环境温度的起伏或者激光管工作时发热，都会使腔材料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即

式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数，硬质玻璃α=10-5/0C，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢α=9×10-7/0C。一般难以获得优于10-8的频率稳定度。引起n、L变化的外界因素采取的措施：a：选取膨胀系数小的材料做激光管和激光器支架，例如采用石英玻璃做激光管，用殷钢做支架b:采取恒温措施2023/11/777温度、气压及湿度对频率的影响定量关系为：(2)大气变化的影响对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为L0，则暴露在大气中部分的相对长度为(L-L0)/L，大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的变化，从而导致激光振荡频率的变动。频率的变化与βTΔT、βpΔp、βHΔH、(L-L0)/L成正比采取的措施：a：减少相对长度—在大气中部分越少，影响越小b:把暴露于大气中的部分屏蔽—免于大气中的影响2023/11/778建筑物的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动,使腔的光学长度改变,导致振荡频率的漂移。(3)机械振动的影响对于L=100cm的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时，频率将有1×10-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激光器必须采取良好的防震措施。殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。(4)磁场的影响2023/11/779引起频率变化的内部因素(1)激光管内充气压比例不同，气压（影响碰撞线宽）、放电电流变化引起频率变化。采取的措施：稳压，稳流。(2)由于原子自发辐射造成的无规则噪声影响到频率。从上面的讨论可以看出：外界温度、大气、振动、内部气压等影响腔长L-△L，如果不加任何措施，稳定度很差，一般频率可以在整个谱宽范围内漂移。例如：He-Ne激光器Δυg≈1.5×109Hz，λ=632.8nm≈5×1014Hz，所以稳定度：采取恒温、防震、稳压、稳流等措施以后，稳定度可提到10-7。但在实际中要求稳定度比10-7高，必须采取其他措施来进行稳频。2023/11/780稳频方法概述稳频的实质：保持n、L不变。被动式稳频

利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。

稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。主动式稳频

鉴频器：稳频的关键部件。①任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。②对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。

2023/11/781③鉴频器的类型以原子谱线本身作为鉴频器a.利用增益曲线的顶峰对应的频率υ0做标准频率b.以蓝姆凹陷的中心频率υ0为标准频率c.以增益曲线的塞曼分裂υ0为标准频率以外界标准频率作为鉴频器a.无源腔的某一频率做标准参考频率b.利用饱和吸收体的吸收峰对应的频率做标准频率2023/11/782兰姆凹陷法稳频1.兰姆凹陷对非均匀加宽激光介质，由于增益烧孔效应，导致激光器输出的功率（或光强）在中心频率υ0处最小。即在P-υ关系曲线上υ0处出现凹陷，这种现象叫做兰姆凹陷。(a)增益曲线的烧孔效应(b)兰姆凹陷2023/11/7832.结构和原理①单纵模激光器：其中一块反射镜固定在压电陶瓷上。当压电陶瓷外表面加正电压，内表面加负电压时，压电陶瓷伸长，L小；反之，L大。②光电探测器：利用光电转换装置，将光信号转变为电讯号-误差讯号。③电路系统：将误差讯号转成直流电压加到压电陶瓷上，以改变L→υ。2023/11/784工作原理：以凹陷中心频率υ0做标准频率。利用P-υ关系曲线，当dL→dυ0→dP，通过电路系统把dP变成dV加到压电陶瓷上，使dL→0→υ→υ0。dP：误差信号，是由激光器输出的功率和标准频率υ0输出的功率P0比较得到的信号。dP的大小表明dυ大小，dP大，dυ大，即υ偏离υ0大；dP的相位表明dυ偏离υ0的方向。dP和dυ同相则υ>υ0；dP和dυ反相则υ<υ0。dP靠在压电陶瓷上加一调制电压来得到。在压电陶瓷加一直流偏压和频率为f的调制电压。加直流偏压的目的：在工作前调整激光器的振荡频率为凹陷的中心频率υ0。气体管中气体的比例、气压的变化，工作过程中磁场、电场及放电电流的变化会引起υ0的漂移，因此需先调整激光器的频率υ＝υ0。加调制电压的目的：给出dP的大小和方向，对功率进行低频调制。2023/11/785稳频最关心的是稳定度，要提高频率的稳定度，希望频率微小的变化就能产生大的可以分辨的误差讯号dP，即要求dP/dυ足够大。(1)凹陷的深度越大，dP/dυ越大，灵敏度越高。一般要求凹陷的深度大约等于输出功率的1/8，即△P/P0＝1/8，稳定性好。增加深度的办法：a.降低腔内损耗—降低阈值。b.提高信号增益，可以调节放电电流，使工作在最佳状态。(2)要求凹陷线型对称，若不对称，dP/dυ不对称，dP/dυ小的一侧灵敏度低，难以准确调到凹陷中心。充气种类决定：He-Ne充纯Ne20或Ne22，可对称。3.稳定度2023/11/786参考频率υ0自身漂移，限制了兰姆凹陷稳频的稳定度，利用蓝姆凹陷稳频的稳定度最高可达10-9，复现性仅为10-7。1.塞曼效应在磁场的作用下，光谱线发生分裂的现象，称为塞曼效应。例如He-Ne激光器λ＝632.8nm的激光，由Ne原子的3S2-2P4能级跃迁产生，加磁场以后，沿磁场方向观察，分裂成中心频率为υ0右的右旋光和中心频率为υ0左的左旋光，两光的交点是中心频率υ0。当υ<υ0时，右旋光光强比左旋光光强大，反之亦然。塞曼效应磁场中原子能级的分裂赛曼效应稳频2023/11/787利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲线的交点υ0作为标准频率，当υ偏离υ0时，根据υ0左、υ0右光强的变化做误差讯号，利用电路反馈系统加到压电陶瓷上，控制激光器腔长，使υ→υ0。2.稳频原理①激光器：反射镜固定到压电陶瓷上，压电陶瓷上只加一直流电压来调节L，在激光管上加H＝300高斯均匀磁场，使光谱发生分裂。②电光晶体：在晶体上加交变电压，用以改变左右旋光的相位差，即改变它们的偏振态。③检偏器：恰当的设置其偏振方向，使电压为正半周时，右旋光能通过，电压为负半周时，左旋光能通过。④光电转换装置⑤电路系统：给出偏差电压dV2023/11/788塞曼效应稳频的稳定度为10-10，比兰姆凹陷稳频高1个数量级。但同样受放电条件等的影响，由于υ0有漂移，其复现性仅为10-7，再现性差，稳定受到限制。二者共同特点：参考频率为增益曲线的中心频率。若利用更稳定的外界频率可以得到更高的稳定度和复现性—饱和吸收稳频。3.稳定度2023/11/789在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子(或分子)的吸收管,它有和激光振荡频率配合很好的吸收线。由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，可以忽略不计，吸收线中心频率的压力位移也很小，吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为稳频的参考点，可使其频率稳定性和复现性精度得到很大的提高。

饱和吸收法稳频的装置示意图饱和吸收法稳频2023/11/790饱和吸收法稳频的装置示意图

设吸收管内物质的吸收系数为A(v),当入射光足够强时,由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的增加,

A(v)将随入射光强之增加而减小,这就是吸收饱和现象。对于v=v0的光，其正向传播和反向传播的两列行波光强均被υz=0的分子所吸收，即两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和；而对于v≠

v0的光，则正向传播和反向传播的两列光强分别被纵向速度为+υz及-υz的两群(少于υz=0）分子所吸收，所以吸收不易达到饱和，在吸收线的v0处出现吸收凹陷。吸收介质的吸收曲线2023/11/791

吸收介质的吸收曲线在谐振腔中放置吸收管时谐振腔的往返损耗为：由于A(ν)-ν曲线在υ0处有一尖锐凹陷,激光器输出功率在υ0'处出现一个尖锐的尖峰,称为反兰姆凹陷。利用反兰姆凹陷,可使激光器的频率稳定在υ0',其稳频系统与兰姆凹向法类似。α：谐振腔的光学损耗T：谐振腔的透过率L'：吸收管长度2023/11/7922.5He-Ne激光器的设计设计的基本要求运行于TEM00模，较高的输出功率、较小的发散角寿命长、结构牢固、工作稳定、使用方便等主要结构参数放电管内径d和长度l、谐振腔长度L、反射镜曲率半径R和透过率T等以全内腔式632.8nm谱线氦氖激光器设计为例。2023/11/793放电管长度l和谐振腔长度L

放电最佳条件下，输出功率P∝G，G∝l对输出功率要求为P的放电毛细管长度为：P0为单位长度的功率值，常为经验值。对0.6328μm激光，在最佳放电条件下，未抑制3.39μm谱线，P0=20mW/m，若抑制了3.39μm谱线，P0=50mW/m。放电毛细管长度l确定后，则可确定谐振腔长度

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加长Δl，Δl为工艺长度,一般情况下Δl>20mm。2.5He-Ne激光器的设计2023/11/794反射镜曲率半径R氦氖激光器增益较小，谐振腔一般采用平凹腔，平面镜作输出镜，凹面镜作反射镜。反射镜曲率半径R由腔结构参数Γ定。

对于R和L组成的平凹腔，TEM00模的腰斑位于平面镜上，两块腔镜上的光斑尺寸分别为：

Γ值越大，激光振荡模越充满放电管，放电管利用率越高，一般要求Γ>2。Γ值越大，远场发散角越小，光束方向性也越好。

2023/11/795Γ