氦氖激光器

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
2.3 He－Ne激光器的工作能级 典型的四能级系统 图：
共振转移： He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S﹑2S态靠得很近 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) 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
氦－氖气体激光器
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
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 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
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
n 0 ( )d n 0 g D ( , 0 )d
P ATI
A为光束的有效横截面积。一般情况下，激光束受谐振腔 内振荡光束模体积的限制，不能充满整个放电毛细管。 对激光又贡献的只是模体积内的那部分气体原子。因此 A应为毛细管的截面积乘以一个系数。
I0
：工作在中心频率处沿着激光输出方向传播的光
1.3 提高0.6328m输出功率的一些方法 从上节推导的输出功率公式看，影响He-He激光器输出功率的因素很多，主要的 方面如下： 1增加毛细管长度l可使输出功率增加。但l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 在长度固定时，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He-He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，凹面镜曲率半径和毛细管内径。 4抑制3.39m的辐射，0.6328m和3.39m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，3.39m的辐射将在腔内振 荡中消耗大量的激发态原子。抑制3.39m辐射的办法有
式中 n 为原子的总反转粒子密度， 0为Ne原子辐射的中心频 率， g ( , ) 为非均匀展宽线型函数，表示式为
0
D
0
g D ( , 0 )
2 D
(
ln 2

)1 / 2 e 4( 0 ) / D 2 ln 2
D 7.16 10 7 (
稳态后，dn4/dt＝0，由2.4.3可得
S4 :
S04： He基态（11S0）到He（21S0）的 电子激发速率常数
消激发速率常数
n4 n0ne S04 /(ne S4 A)
2.4.4
S02：电子激发速率常数 A： 自发辐射几率
将2.4.4式代入2.4.2式，有
n3
Kn1n0 ne S04 ( Kn0 1 / 3 )(ne S 4 A)
T 1/ 2 ) 0 M
D 为多普勒线宽，T为绝对温度，M为原子量， 0为中心频率。
这部分粒子发射中心频率为 ，线宽为 H 的均匀加宽谱线。 若有频率为 ，强度为 I 的强光入射，则这部分粒子对 增益的贡献为
dG( , I ) B21 h 0 2 c H H 2 ) 2 n0 g D ( , 0 )d I H 2 ( ) ( ) (1 ) 2 Is (
﹑半内腔
﹑旁轴式 ﹑单细管式
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
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
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
dn3 n Kn1n4 Kn0 n3 3 dt 3
n0：He基态（11S0）上的粒子数密度
n1：Ne基态（11S0）上的粒子数密度
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 n4：He（21S0）能级上的粒子数密度 K: 转移速率常数
FG段：
GH段：
反常辉光放电区
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
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 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： 式 按谐振腔与放电管的放置方式分为内腔式 ﹑外腔式 按阴极及贮气室的位置不同分为 同轴式
n2 K3i
粒子数密度与放电电流的关系图
其中 K1 K Kn1 n0 S04 /(Kn0 1/ 3 )
K 2 K S4
K3 K n1S02 / A
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： Ne气含量过少，n1减少，使n3减少 Ne含量过多，因Ne比He易电离而导致电子能量和温度降 低，使S04和n3减小 可见，He和Ne的气压比也存在最佳值
2G( , I )l ac T
将此式带入到上节的增益系数公式，就可以在ac和T已知的 情况下求出。于是输出功率也就确定了。
由于该式不容易求解，因此引入图解法，引入激发参量 。 由 能图解法计算出 I0 ，再根据下式计算出输出功率P
2Gml /ac T
0

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
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
1.4 输出功率的稳定性
He-He激光器在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或 随即的波动。 波动频率1Hz以下的为功率漂移 波动频率1Hz以上的为噪声 产生噪声的原因有：自发辐射的随即性 振荡模的不稳定性 谐振腔的振动 激光电源的变化 放电噪声等 造成漂移的原因有： 1 放电电流波动造成输出功率的波动； 2谐振腔光轴与毛细管轴线相对位置发生变化引起功率波动 ； 3纵模的变化引起输出功率的波动。在只有少数几个纵模振荡 的短腔激光器中，温度的变化或其他原因导致腔长发生了 变化，谐振腔的纵模也要发生改变，将造成增益曲线的烧 孔面积变化，从而引起输出功率的波动。
稳态时，dn3/dt＝0，由上式有
n3
Kn1n4 Kn0 1 / 3
2.4.2
3
同理，He（21S0）能级上的粒子数密度n4的 ne： 电子密度 速率方程为：
Ne（3S2）的粒子数驰豫到其他能 级的驰豫时间
dn4 n0 ne S 04 (n4 ne S 4 n4 A) 2.4.3 dt A′：衰减几率
D

2 ln 2 ( 0 ) D B21 h 0 2 c D ln 2

ln 2 1 ( I / I s ) H
Gi0 ( 0)

n 0
用复变误差函数定义 W ( i )表示，综合加宽大信号增益系数 表示为
G( , I ) Gi0 ( 0 ) 1 I Is WR ( i )
ln(R1R2 ) ln(1 T ) T
ac 1 e 2al 2al
ac是除透射损耗外，光在谐振腔内往返一次的总损耗百分数。 He-Ne激光器中，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谐振腔调整得不好造成的损耗 做近似代换后得到
B21为受激辐射系数，c为光速，h为普朗克常数。 总增益为全部粒子对频率 的光的增益贡献之和，将上式 积分整理后得到
G ( , I ) dG ( , I ) Gi0 ( 0 ) 1 I 1 Is


e x
2

( x) 2 2