氦氖激光器
氦氖激光器原理
氦氖激光器原理
氦氖激光器是一种常见的气体激光器，其原理是利用氦氖混合气体在电场作用
下产生激射。
氦氖激光器具有单色性好、光束质量高、功率稳定等优点，被广泛应用于医疗、测量、通信等领域。
下面将详细介绍氦氖激光器的原理。
首先，氦氖激光器的工作原理是基于氦氖混合气体在电场作用下的激发和辐射。
当氦氖混合气体置于放电管中，施加电压使气体电离产生等离子体，激发氦原子的外层电子跃迁至氖原子的4p能级，然后再跃迁至3s能级，最终通过受激辐射产生
激光。
其次，氦氖激光器的放电管是实现激光输出的关键部件。
放电管内部通常充满
氦氖混合气体，两端分别连接正负电极，当外加电压使得气体电离形成等离子体时，激发氦原子和氖原子的外层电子跃迁，产生激光。
同时，放电管内壁镀有反射镜，形成光学腔，使得激光在腔内来回反射，增强光子受激辐射过程，最终形成激光输出。
另外，氦氖激光器的工作需要一个稳定的电源和冷却系统。
电源提供稳定的电
压和电流，以确保放电管内气体正常放电。
冷却系统则用于将放电管产生的热量散发，保持放电管的温度在适宜范围内，以确保激光器的稳定工作。
总的来说，氦氖激光器的原理是基于氦氖混合气体在电场作用下产生激射。
通
过放电管内气体的电离和激发，激光器产生单色、相干的激光输出。
同时，稳定的电源和冷却系统保证了激光器的稳定工作。
氦氖激光器以其优良的光学性能和稳定的工作被广泛应用于医疗、测量、通信等领域。
氦氖激光器的波长
氦氖激光器的波长氦氖激光器的波长氦氖激光器是一种常见的激光器，它使用氦和氖气体混合而成的等离子体作为工作介质，产生波长为632.8纳米的激光光束。
这种激光器具有许多重要的应用，如医学、通信、测量等领域，因此，掌握其波长非常重要。
下面，我们将详细介绍氦氖激光器的波长。
一、氦氖激光器的激发机制氦氖激光器是一种气体放电激光器，其工作介质和基本结构如下：1. 工作介质氦氖激光器的工作介质是氦和氖气体混合物。
其中，氖占总气体的0.1%到1.5%，氦气则是用来提供电流通道的。
当氦气被加热并受激发时，会发射出短波长的紫外线，这些紫外线能够激发氖原子的电子跃迁，从而激发氖气体发出激光光束。
2. 基本结构氦氖激光器的基本结构包括气体放电管、光学腔和高压电源等三部分。
其中，气体放电管是产生激光的核心部分，光学腔是激光波长和输出方向的控制器，高压电源则是提供电流加热气体和产生气体放电的能源。
二、氦氖激光器的波长氦氖激光器的典型波长为632.8纳米，其对应的光子能量为1.96电子伏特。
这种波长被称为“氦氖线”，是可见光的一种。
这种波长的光束不仅颜色美丽，而且光学性质非常优异，具有好的相干性、单色性和方向性等特点。
因此，在通讯和测量领域中被广泛应用。
除了典型的632.8纳米波长外，氦氖激光器还能够产生一系列其他波长的激光光束。
例如：1. 543.5纳米波长的激光光束，对应光子能量为2.28电子伏特，属于绿光。
2. 594.1纳米波长的激光光束，对应光子能量为2.08电子伏特，属于黄光。
3. 612.3纳米波长的激光光束，对应光子能量为2.03电子伏特，属于橙光。
4. 1.15微米波长的激光光束，对应光子能量为1.08电子伏特，属于近红外光。
以上这些波长的激光光束具有自己独特的特性，可以广泛应用于医学、生物科学、材料加工等领域。
三、总结氦氖激光器是非常重要的光学设备之一，具有优异的激光性能和重要的应用前景。
掌握其波长对于设计和应用氦氖激光器具有非常重要的意义。
氦氖激光器工作原理及应用
氦氖激光器工作原理及应用
氦氖激光器是一种气体离子激光器，主要由氦氖混合气体、电源和激光管组成。
其工作原理是在激光管内施加电压，使氦氖混合气体电离产生等离子体，等离子体的激发态在退激辐射的作用下释放出激光光子，形成激光束。
氦氖激光器的工作过程如下：
1. 氦氖混合气体被灌入激光管中，并被稳定的直流电源加热。
2. 电源施加高电压，产生强电场，使得气体离子化，形成等离子体。
3. 等离子体在电场的作用下，发生电子碰撞激发，产生高能态的氦氖分子。
4. 高能态的氦氖分子在退激辐射的作用下，释放出激光光子，形成激光束。
氦氖激光器具有以下特点：
1. 波长较长：氦氖激光器的工作波长多为可见光波段中的红光波长，主要为63
2.8纳米。
2. 单色性好：激光输出的光波几乎是单色的，波长分布很窄。
3. 相干性强：激光束相干度高，能够形成明亮的干涉条纹。
4. 输出功率稳定：在适当的工作条件下，氦氖激光器的输出功率相对稳定。
氦氖激光器主要应用于以下领域：
1. 科学研究：氦氖激光器可以为实验研究提供高质量的激光光源，用于干涉、衍射、光谱分析等实验。
2. 工业加工：氦氖激光器可以用于绘图、切割、雕刻等精细加
工领域，特别适用于对非金属材料的加工。
3. 医学美容：氦氖激光器可以用于皮肤除皱、血管病变治疗、红斑痤疮等美容治疗。
4. 教育展示：氦氖激光器具有光线明亮、颜色鲜艳的特点，常被用于教育展示、科普教育等。
总的来说，氦氖激光器通过气体离子化和电子碰撞激发的过程产生激光光子，具有波长较长、单色性好和相干性强等特点，广泛应用于科学研究、工业加工、医学美容和教育展示等领域。
HNR 系列 氦氖激光器 使用说明书
使用说明书HNR系列氦氖激光器KEWLAB Pty Ltd目录一.产品介绍 (1)二.技术参数 (1)三.产品界面说明 (2)四.操作流程 (4)五.机械图纸 (5)六.安全事项 (6)七.常见故障 (7)一.产品介绍氦氖激光器是以氦气、氖气作为工作物质的气体激光器，以连续激励方式输出激光。
HNR系列氦氖激光器采用激光管和激光电源分离的结构，型号种类齐全，输出功率从1.2mW～5mW。
氦氖激光器采用管式设计，成熟的硬封接技术，能方便地安装在光学系统中，广泛应用于准直、定位、全息技术、精密测量、医学、光学教学等领域。
特点：●单色性好●稳定性好●光束质量高●方向性强●结构紧凑●操作简单二.技术参数1.激光管参数产品型号HNR012R HNR015R HNR020R HNR030R HNR040R HNR050R 工作波长632.8nm632.8nm632.8nm632.8nm632.8nm632.8nm 输出功率≥1.2mW≥1.5mW≥2.0mW≥3.0mW≥4.0mW≥5.0mW 发散角≤1.9mrad≤1.9mrad≤1.9mrad≤1.9mrad≤1.9mrad≤1.9mrad 偏振模式随机随机随机随机随机随机光斑直径0.57mm0.60mm0.64mm0.70mm0.90mm 1.0mm 功率稳定性±5%±5%±5%±5%±5%±5%模式TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00工作电流4mA4mA4mA5mA5mA5mA工作寿命>5000小时>5000小时>5000小时>5000小时>5000小时>5000小时输入电压220V±10%220V±10%220V±10%220V±10%220V±10%220V±10%封装尺寸Φ36mm×224mmΦ44mm×279mmΦ44mm×294mmΦ44mm×324mmΦ44mm×344mmΦ44mm×344mm2.激光电源参数产品型号HNE-1HNE-2输入电压(VAC)220220电流(mA)45工作电压(V)15001500启动电压(V)50006000外置电源尺寸(mm)140×170×70140×170×70工作温度(℃)-40～70产品备注：所有激光管配相应激光电源三.产品界面说明产品全貌1.激光电源2.激光管出光孔线孔4-M4安装孔四.操作流程(1)拆开产品包装，检查产品是否完整，如果货物不完整，或有不正确的货物寄给你，请立即联系我司。
第二章 氦氖激光器
He（23S1、21S0）与Ne（2S、3S）能量非常接近， 很容易发生碰撞能量转移，且都是亚稳态，原子辐 射寿命较长，电子碰撞截面大，有利于选择激发Ne 到（2S、3S）能级。 He对Ne的选择性激发比电子直接碰撞激发的概大， Ne（3S2）对He共振能量转移激发依赖最大。可以认
为Ne（3S2）上的粒子是由He（21S0）能量转移激发。
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激光器件原理与设计
14
第二章 氦氖激光器
在电流逐渐增大、电子密度增 强的过程中，激光上能级的粒 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，最后达到饱和状态。
而激光下能级的粒子在此过程 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
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激光器件原理与设计
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第二章 氦氖激光器
2.增益分布：增益沿放电管轴向分布均匀，径向分布不均匀
影响因素：放电电流、总气压和气体混合 比。 随电流增大，管轴中心出现增益饱和并下 降；电流继续增大，管壁附近出现增益下 降。 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Ne(1s)粒 子在气压较大时不易扩散到管壁碰撞弛豫， 导致Δ N减小，增益下降。 Ne增多，增益下降且径向分布加宽。
2013-7-5 激光器件原理与设计 1
第二章 氦氖激光器
(3) 输出稳定：功率稳定性达到30秒内的误差为0.005%, 十分钟内的误差为0.015％。 (4) 可见光输出。 适用于：精密测量、检测、准直、导向、水中照明、信息 处理、医疗等 。 1.2.1 He-Ne激光器工作原理 一、He-Ne激光器工作物质能级特点 He-Ne激光器是混合气体器件，Ne为产生激光的物质， He是辅助气体，用来提高Ne泵浦效率 。
1.8He-Ne激光器
2.
3.
利用气体放电泵浦方法向CO2气体分子注入能量， 使放电管中CO2分子达到反转分布状态。 将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极 上，当不加电压或电压很低时，两电极间的气体完 全绝缘，内阻为无穷大，没有电流流过；随着电压 的升高，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻 开始减小，当达到某一电压值时，内阻急剧减小， 电流迅速增加、气体被击穿、放电开始，这一电压 值叫做着火电压； 放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体 中载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步 引起电流的增加，这一过程反复进行，放电管呈现 负阻效应，为了使放电能够稳定地工作在放电管电 流—电压特性曲线的某一点上，在放电管的供电电 路中采取了限流措施。
气体激光器
光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线 丰富。 效率低，能耗高，寿命较短，体积大。 原子（氦－氖）激光器， 离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器， 分子（CO2,CO,准分子)激光器。
氦-氖(He-Ne)激光器 He-Ne)激光器
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
氦—氖激光器(He-Ne 激光器)是原子气体激光 器，工作物质是氦原子和氖原子气体，氖原子能级 间的跃迁产生激光谱线，氦原子起能量转移作用， 这是最早研究成功的气体激光器。医学中常将此种 激光器用做“光针”和照射治疗的工具，对溃疡的 治疗有较好的疗效。
图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级 是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。 1. He-Ne激光器的结构和激发机理
He-Ne激光器是典 型的四能级系统， 其激光谱线主要有 三条 : 3S→2P 0.6328µ 2S→2P 1.15µ 3S→3P 3.39µ
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
氦氖激光器的使用方法及注意事项
氦氖激光器的使用方法及注意事项1. 氦氖激光器的基本原理氦氖激光器是一种常见的气体激光器，其工作原理是通过电子在氦氖混合气体中的碰撞激发，使氖原子处于激发态，然后通过受激辐射产生激光。
具体来说，氦氖激光器由一个装有氦氖混合气体的放电管和两个镜子组成。
当高压电场施加在放电管上时，氦氖混合气体中的电子被激发，从而使得氖原子从基态跃迁到激发态，然后通过受激辐射产生激光。
其中，一个镜子是半反射镜，用于产生激光输出，另一个镜子是全反射镜，用于反射光线，使其在放电管中来回多次传播，以增加激光的放大效果。
2. 氦氖激光器的使用方法2.1 准备工作在使用氦氖激光器之前，首先需要确保设备的工作环境干燥、清洁，并保证电源供应稳定。
同时，还需要检查激光器的冷却系统是否正常运行，以防止激光器过热。
2.2 开启激光器为了开启氦氖激光器，需要按照以下步骤进行操作：- 首先，将激光器连接到稳定的电源，并确保电源开关处于关闭状态。
- 其次，检查激光器的冷却系统，确保冷却水的供应充足，并打开冷却系统的阀门。
- 然后，将激光器的电源开关调至打开状态，待激光器预热一段时间后，即可进行下一步操作。
2.3 调整激光器参数在使用氦氖激光器时，需要根据具体需求调整激光器的参数，如功率、频率等。
这些参数的调整可以通过激光器控制面板上的按钮或旋钮进行操作。
在调整参数时，需要根据实际需求进行适当的试验和调整，以达到最佳的激光输出效果。
2.4 使用激光器当激光器的参数调整完毕后，即可开始使用激光器进行实验或应用。
在使用激光器时，需要遵循以下注意事项：- 避免直接暴露于激光束下，以免对眼睛造成伤害，应佩戴适当的激光防护眼镜。
- 在操作激光器时，应保持设备和周围环境的干燥、清洁，避免激光器受到灰尘或水分的影响。
- 在激光器工作期间，应定期检查激光器的运行状态，如激光输出功率、激光束质量等，如有异常情况应及时处理。
3. 注意事项3.1 安全使用氦氖激光器属于激光器中的一种，因此在使用时应严格遵守相关的安全规定。
氦氖激光器频率
氦氖激光器频率氦氖（He-Ne）激光器是一种常见的气体激光器，常用于实验室和工业领域。
它的发射频率通常在红外到近红外波段，具有较高的单色性和较窄的谱线宽度。
以下是关于氦氖激光器频率的一些相关参考内容。
1. 氦氖激光器的频率范围氦氖激光器通常在红外到近红外波段进行发射，频率范围通常为1.152 µm到1.543 µm（光的波长）。
在激光器运行时，激发气体中的氦原子和氖原子通过受激辐射而发出光子。
这些发出的光子在共振腔中反射，并产生一束具有特定频率的激光。
2. 氦氖激光器的谱线宽度氦氖激光器的谱线宽度通常非常窄，通常在几百千赫兹至一千千赫兹（Hz）之间。
这是由于氦氖激光器的工作原理和共振腔的设计。
共振腔的设计和镜子的精确调谐可以使得只有特定频率的光被放大和产生，从而提供了高度单色性的激光输出。
3. 激光器频率的测量测量激光器频率是激光器研究和应用中的重要任务之一。
有几种方法可以测量氦氖激光器的频率，如干涉法、光学腔法和频率计法等。
其中，干涉法是最常用的方法之一。
它利用干涉现象来测量两束光的相对频率。
通过将激光器的输出光线与一个参考光束进行干涉，可以获得激光器的频率信息。
4. 氦氖激光器的应用氦氖激光器的高度单色性和较窄的谱线宽度使其在许多应用领域中得到广泛应用。
在科学研究领域中，氦氖激光器可以用于实验室研究，如光学测量、干涉实验和光谱分析等。
在工业领域中，氦氖激光器常用于激光打标、切割、激光扫描等领域。
5. 氦和氖的能级结构理解氦和氖的能级结构对于理解氦氖激光器的频率输出非常重要。
氦原子的最低能级称为基态，能量较低。
氖原子也有类似的能级结构。
激光器的工作原理是通过外界能量输入激发氦和氖原子的原子壳层的电子，使其跃迁到较高能级，然后通过受激辐射放出激光光子。
总结起来，氦氖激光器的频率通常在红外到近红外波段，具有较高的单色性和较窄的谱线宽度。
测量氦氖激光器频率的常用方法包括干涉法、光学腔法和频率计法等。
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A
15
2.5 He-Ne激光器的输出功率
1.1 He-Ne激光器的增益系数 He-Ne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输出功 率。 Ne原子在 到 +d 范围内的小信号反转粒子密度按多普 勒非均匀展宽公式为
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，此过程贡献最小
复合激发： 先形成分子离子，再与电子碰撞获得激发态Ne分子
A
11
2.4 He－Ne激光器的最佳放电条件
2.4.1 求粒子反转数△n＝n3-n2 Ne（3S2）能级上粒子数密度n3
n0：He基态（11S0）上的粒子数密度
泵浦系统：为实现粒子数反转提供外界能量 电激励 光激励 热激励 化学能激励 核能激励
A
3
一 气体激光器的基本知识
气体激光器的优点： 1. 工作物质均匀性好，输出激光光束质量好 2. 谱线宽，从远红外到紫外 3. 输出功率大，转换效率高（电光转换） 4. 结构简单，成本低
1.1 气体放电基本原理
气体放电粒子种类： 1）中性粒子 CO2, He－Ne
成正比，ne＝K′i，K′为比例系数；而n0﹑n1﹑A ﹑ 放电电流无关，因此2.4.5和2.4.8式可表示为：
等 3均与
n3K 1i/K (2iA )
n2 K3i
粒子数密度与放电电流的关系图
其中
K 1 K K 1 n 0 S n 0/4 K (0 1 n /3 )
K2 KS4
K3Kn1S02/A
级的驰豫时间
同理，He（21S0）能级上的粒子数密度n4的 速率方程为：
ne： 电子密度
d d4n tn0neS04 (n4neS4n4A ) 2.4.3
S04： He基态（11S0）到He（21S0）的 电子激发速率常数 A′：衰减几率
稳态后，dn4/dt＝0，由2.4.3可得
S4: 消激发速率常数
n1：Ne基态（11S0）上的粒子数密度
dd3 ntK1n4K0nn3n3 3
2.4.1 n2：Ne（2P4）能级上的粒子数密度
n3：Ne（3S2）能级上的粒子数密度
稳态时，dn3/dt＝0，由上式有
n4：He（21S0）能级上的粒子数密度
n3
Kn1n4
Kn0 1/3
K: 转移速率常数
2.4.2 3 Ne（3S2）的粒子数驰豫到其他能
A
14
2.4.3 △n与He﹑Ne气压的关系
n2通常比n3小得多，因此反转粒子数主要取决于n3
当He﹑Ne气压比一定时：
总气压较低，n0和n1减少，n3随之减小 总气压很高时，n0n1可增加，但电子与原子碰撞次数增加， 电子的动能减小，电子温度降低，S04降低，导致n3下降
可见，存在一最佳总气压，使反转粒子数最高 当总气压一定时：
优点：1. 光束质量好 Θ＜1mrad 2.单色质量好，带宽＜22Hz 3.稳定性高 功率稳定（ ＜2％）
频率稳定（ ＜5×10-15）
4.在可见光区
A
8
He－Ne激光器实例
普通氦氖激光器
电源和激光管封装在一起
A
9
2.3 He－Ne激光器的工作能级 典型的四能级系统 图：
A
10
共Байду номын сангаас转移：
He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S﹑2S态靠得很近
n 4n 0n eS0/4n (eS4A ) 2.4.4
S02：电子激发速率常数 A： 自发辐射几率
A
12
将2.4.4式代入2.4.2式，有
n3(K0nK 1/1n30)nen (Se0 S44A)
2.4.5
同样，Ne的2P4能级的粒子密度n2的速率方程为
dd2ntn1neS02n2neS2n2A 2.4.6
氦－氖气体激光器
A
1
基本内容 回顾：激光器的基本结构 一 激光器的基本知识 二 氦氖激光器的工作原理介绍
A
2
回顾：激光器的基本结构
所有激光器的基本组成都包括三大部分：
工作物质： 激光器的核心 氦氖激光器的He－ Ne气 Nd+3：YAG激光器中的Nd+3
谐振腔： 形成激光振荡的必要条件，还对光 束质量起着约束作用 平平腔 平凹腔 稳定 腔 非稳腔
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
A
7
2.2 He－Ne激光器的特点 典型谱线： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他谱线： 612nm 594nm 543nm
基态原子
A
5
1.4气体放电的方式 图：
图中：D点以前，非自持放电 （D点为气体放电的着火点）
DE段： 辉光放电过渡区
EF段： 正常辉光放电区
FG段： 反常辉光放电区
GH段： 弧光放电过渡区 （G点为弧光着火电压点）
H点以后： 稳定弧光放电区A
6
二 氦氖激光器
2.1氦氖激光器的结构
工作物质： He-Ne气体（He为辅助气体），气压比为5：1－7：1
He + e
He（21S0）+ e
He + e
He（23S1）+ e
He（21S0）+ Ne
He + Ne（3S2)+0.048ev
He（23S1）+ Ne
He + Ne（2S2)+0.039ev
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）
e + Ne
e + Ne（2S)
e + Ne
e + Ne（3S)
2）带电粒子 Ar+
3）激发粒子 A′
碰撞规律： 弹性碰撞 非弹性碰撞
A
4
1.2 激发与电离
e+A
e + A′ （原子激发）
高速电子
基态原子
低速电子
激发态原子
e+A
e + A+ + △e （原子电离）
电子能量 ＞ 激发能（电离能）
1.3 共振能量转移
A* + B A + B* +/- △e
亚稳态原子
稳态后，dn2/dt＝0，得
n2n 1n eS0/2n (eS2A )
因自发辐射几率A很大，故上式可变为：
2.4.7
n2n1neS02/A
2.4.8
根据2.4.5和2.4.8两式，就可以分析粒子反转数△n与放电条件的关系
A
13
2.4.2 △n与放电电流的关系
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