《激光器件》课件第4章

4.1氩离子激光器

4.2氦-镉离子激光器

4.3其他金属蒸气离子激光器

4.1.1氩离子的能级结构和激发机理

氩离子是惰性气体氩原子电离后(电离能15.760eV)形成的。激发态氩离子会产生从真空紫外到近红外多达数百条荧光谱线，其中3p44p→3p44s的跃迁辐射有35条以上的谱线，其中25条谱线在408.9~686.1nm的可见光范围内。

1.氩离子的能级结构

氩离子能级结构如图4.1所示。4.1氩离子激光器

图4.1氩离子能级结构及跃迁图4.2氩离子的几条主要跃迁

2.粒子数反转分布的建立

Ar+的激光上能级的激发主要依靠属于第一类非弹性碰撞的电子碰撞激发过程，可能的过程有一步过程和二步过程两种。

1)一步过程

高能电子与基态氩原子碰撞将基态氩原子电离激发到Ar+激发态3p44p，反应方程为

(4-1)

2)二步过程

高能电子与基态氩原子碰撞先将氩原子电离形成基态Ar+，然后电子碰撞使基态Ar+被激发到激发态3p44p，反应方程为

(4-2)

(4-3)在弧光放电的光柱区中，基态Ar+浓度n+与电子数密度ne相等，电子碰撞使基态Ar+被激发到激发态的激发速率为

R=n+neS(kTe)=ne2S(kTe)

(4-4)

式中Te为电子温度，S(kTe)是激发速率常数

(4-5)4.1.2氩离子激光器的结构

氩离子激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和电源等组成，以南京电子管厂生产的Ar1393NL01型氩离子激光器(已跨入国际先进水平的行列)为例，其结构如图4.3所示。

图4.3钨盘氩离子激光器结构

1.放电管

氩离子激光器工作于低气压(低于1.06×102Pa)弧光放电，放电管内要经受大电流(约1000A/cm2)，还要经受大量离子的轰击腐蚀和耗散大量的热能(约120W/cm2)，所以提高输出功率和保证器件使用寿命的关键是选择放电管材料。

2.谐振腔

谐振腔为平凹腔构型，腔镜一般是玻璃基底的镀介质膜镜片，全反射镜的反射率在99.8%，输出镜透过率约为(488nm)12%和(514.5nm)10%，腔长在770~1200mm之间。

3.轴向磁场

带电粒子(电子和氩离子)在轴向磁场中受到洛伦兹力作用，将作螺旋运动而趋向于管轴。

4.电源

采用直流稳流电源，满足了激光器低气压、大电流弧光放电的工作要求，具有从辉光放电到弧光放电的变换功能，同时设有过电流、过电压保护，水流开关，水过热保护等。4.1.3氩离子激光器的工作特性

氩离子激光器辐射的激光谱线很丰富，基本上分布在接收灵敏度很高的蓝绿光谱区，其中以514.5nm和488.0nm谱线最强。目前就可见区激光而言，氩离子激光器是连续输出功率最大的激光器，全谱线输出约为10W。

1.阈值工作电流

氩离子激光器每一振荡波长都有对应的阈值电流Ith。对放电管长度为77cm，内径4mm的几条主要谱线的阈值电流如表4-1所示。表4-1氩离子激光器输出波长对应的阈值电流在最佳充气气压、一定磁场强度下，阈值电流强度Ith与腔损耗ac、放电管长度l的关系为

(4-6)2.输出功率与工作电流的关系

氩离子激光器是在低气压、大电流弧光放电情况下工作的，输出功率与工作电流强度密切相关，如图4.4所示。

单一谱线514.5nm的输出功率与工作电流的关系如图4.5所示。图4.4氩离子激光器输出功率与电流的关系图4.5单谱线514.5nm输出功率与电流的关系

3.输出功率与充气气压的关系

氩离子激光器与其他气体激光器件一样，管内充气气压对输出功率有很大影响。如图4.6所示是不同工作电流下输出功率与充气气压的实验关系曲线。对488.0nm谱线，实验得出最佳充气气压与放电管管径的关系为

popt·d=6.65(Pa·cm)

(4-7)图4.6氩离子激光器输出功率与气压的关系图4.7输出功率与反射镜倾角的关系

4.输出功率与谐振腔对准的关系

谐振腔最佳调整条件是谐振腔的轴与激光管轴严格重合。

5.输出功率与轴向磁场强度的关系

轴向磁场可以提高激光器输出功率(1~2倍)和效率，还可以延长器件的寿命。

如图4.8所示是输出功率与轴向磁场强度的实验关系曲线，轴向磁场强度也存在最佳磁场强度，最佳磁场强度的大小主要取决于充气气压、放电管直径和输出波长，与放电电流的关系不大。图4.8输出功率与轴向磁场的关系

6.输出功率与镜片、布儒斯特窗污染的关系

镜片和布儒斯特窗的污染是影响激光器输出功率的主要因素之一。

4.2.1镉离子的能级结构和激发

1.镉离子的能级结构和激光谱线

镉原子Cd的核外电子数为48，电离能为8.994eV。镉原子电离后形成的基态镉离子Cd+电子组态为

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s

4.2氦-镉离子激光器与激光跃迁有关的激发态镉离子电子组态分别为：4d105p、4d95s2、4d105d、4d105f、4d106g。其谱项分别为

2P3/2,1/2,2D3/2,5/2、2D5/2，3/2、2F7/2，5/2、2G9/2，7/2

相关能级结构如图4.9所示。图4.9氦-镉原子部分能级

2.基态镉离子的激发过程

氦-镉离子激光器的运转是通过对封入放电管内的氦气放电，使从镉炉进入管内的镉蒸气电离，在电泳效应下，由阳极向阴极移动充满整个激活区。

1)潘宁电离激发

电子碰撞激发氦原子，激发态氦原子与基态镉原子碰撞，使基态镉原子被电离激发。反应方程为

(4-8)

(4-9)

2)电子碰撞激发

高能电子直接与镉原子碰撞，使镉原子被电离激发。反应方程为

(4-10)

3)电荷转移激发

如果采用空心阴极使电子能量提高到24.470eV以上，使氦原子电离而成为氦离子，氦离子与镉原子发生电荷转移过程使镉原子被电离激发。反应方程为

(4-11)

(4-12)4.2.2氦-镉离子激光器的结构

氦-镉离子激光器的基本结构由放电管、谐振腔、电极电源组成，如图4.10所示。

如图4.11所示，阴极是一根圆筒形的无氧铜管，置于玻璃套管中，既作为阴极又是放电毛细管，侧壁上有许多小孔。图4.10氦-镉激光器结构示意图图4.11氦-镉激光器空心阴极结构示意图4.2.3氦-镉离子激光器的工作特性

氦-镉离子激光器的输出功率和输出频谱与氦气气压、镉蒸气气压、镉源温度、放电电流、激光器工作温度等因素有关。

1.输出功率与氦气气压的关系

当镉源温度和放电电流一定时，氦气气压对输出功率的影响很大，并且存在最佳气压。输出功率随氦气气压变化的实验曲线如图4.12所示，实验表明，最佳气压与放电管直径成反比关系，且有popt·d≈1333~1600Pa·mm的近似关系。

2.输出功率与镉源温度的关系

镉蒸气气压的高低是由镉源温度来控制的，镉源温度升高，镉蒸气气压升高，镉原子浓度升高，参与激发的粒子数增多，有利于提高输出功率。因此，镉蒸气气压、镉源温度有一最佳值，如图4.13所示为输出功率与镉源温度的关系曲线，实验发现最佳镉源温度与氦气气压几乎无关，主要取决于激光管的结构，最佳镉源温度一般在200℃~250℃之间，由此估算最佳镉蒸气气压为1Pa，粒子数密度约为3×1014cm-3。图4.12输出功率与氦气压强的关系

图4.13输出功率与镉源温度的关系

3.输出功率与放电电流的关系

输出功率与放电电流关系实验曲线如图4.14所示，也存在最佳放电电流。最佳放电电流与氦气气压、镉源温度、放电管直径有关，在最佳镉源温度和氦气气压下，最佳放电电流与放电管直径成正比关系，经验关系为

Iopt=(40~50)·d(4-13)图4.14输出功率与放电电流的关系

4.输出功率与同位素的关系

天然镉有8种同位素，由于原子量的差异，导致不同同位素发射光谱略有差别。

5.输出功率和输出频谱与氦气气压、镉蒸气气压、镉同位素、放电电流有关

实验表明，氦-镉离子激光器不同振荡波长有不同的最佳气压，气压大约在825~2660Pa之间，红、绿、蓝三色激光都能振荡输出。

6.噪声

与氦氖激光器相比，氦-镉离子激光器的噪声较大，其频率从直流到几兆赫兹的范围，噪声功率占激光输出功率的10%左右。4.3.1砷金属蒸气离子激光器

砷金属蒸气离子激光器是以金属砷蒸气为工作物质的金属蒸气激光器。

4.3其他金属蒸气离子激光器砷离子As+的激光上能级为离子激发态(As+)*(6s)。首先通过电子碰撞使氦原子电离，再通过氦离子与基态砷原子的电荷转移实现离子激发态(As+)*［5d(2P1/2,3/2)］的激发，最后通过电子碰撞将激发态(As+)*［5d(2P1/2,3/2)］激发到激光

上能级。反应方程为

(4-14)(4-15)(4-16)4.3.2氩-氪离子激光器

氩-氪离子激光器是以氩气和氪气组成的混合气体为工作物质的惰性气体激光器。

4.3.3氪离子激光器

氪离子激光器是以氪气为工作物质的惰性气体激光器。

4.3.4氦-镉-汞离子激光器

氦-镉-汞离子激光器是以氦气、镉蒸气和汞蒸气组成的混合气体为工作物质的金属蒸气激光器。

4.3.5氦-铅离子激光器

氦-铅离子激光器是以氦气和铅蒸气组成的混合气体为工作物质的金属蒸气激光器，氦气为缓冲气体。

氦-铅离子激光跃迁发生在铅离子的激发态之间，主要的输出波长560.9nm和666.0nm对应的跃迁分别为

6s27p1