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1、 氦 氖气体激光器 基本内容回顾 激光器的基本结构激光器的基本知识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 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
2、1 中性粒子CO2 He Ne2 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 2激发与电离e Ae A 原子激发 高速电子 基态原子 低速电子 激发态原子 e Ae 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 BA B e 亚稳态原子 基态原子 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 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
3、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 二氦氖激光器 2 2He Ne激光器的特点典型谱线 632 8nm1 15 m3 39 m其他谱线 612nm594nm543nm优点 1 光束质量好 1mrad2 单色质量好 带宽 22Hz3 稳定性高功率稳定 2 频率稳定 5 10 15 4 在可见光区 He Ne激光器实例 电源和激光管封装在一起 普通氦氖激光器 2 3He 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2
4、1S0和23S1态分别与Ne原子的3S 2S态靠得很近He eHe 21S0 eHe eHe 23S1 eHe 21S0 NeHe Ne 3S2 0 048evHe 23S1 NeHe 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 Nee Ne 2S e Nee 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 2 4He Ne激光器的最佳放电条件2 4 1求粒子反转数 n n3 n2Ne 3S2 能级上粒子数密度n3 2 4 1 稳态时 dn3
5、dt 0 由上式有 同理 He 21S0 能级上的粒子数密度n4的速率方程为 稳态后 dn4 dt 0 由2 4 3可得 2 4 2 2 4 3 2 4 4 n0 He基态 11S0 上的粒子数密度n1 Ne基态 11S0 上的粒子数密度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Ne 3S2 的粒子数驰豫到其他能级的驰豫时间ne 电子密度S04 He基态 11S0 到He 21S0 的电子激发速率常数A 衰减几率S4 消激发速率常数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
6、有 同样 Ne的2P4能级的粒子密度n2的速率方程为 稳态后 dn2 dt 0 得 因自发辐射几率A很大 故上式可变为 2 4 5 2 4 6 2 4 7 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 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成正比 ne K i K 为比例系数 而n0 n1 A 等均与放电电流无关 因此2 4 5和2 4 8式可表示为 其中 粒子数密度与放电电流的关系图 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 n
7、0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 2 5He Ne激光器的输出功率1 1He 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式中为原子的总反转
8、粒子密度 为Ne原子辐射的中心频率 为非均匀展宽线型函数 表示式为为多普勒线宽 T为绝对温度 M为原子量 为中心频率 这部分粒子发射中心频率为 线宽为的均匀加宽谱线 若有频率为 强度为的强光入射 则这部分粒子对增益的贡献为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 用复变误差函数定义表示 综合加宽大信号增益系数表示为 1 2输出功率公式1 2 1单模激光器的输出功率激光稳定后 其饱和增益系数应等于总损耗系数 即a为除反射镜损耗外其他的总损耗系数 l为放电管长度 R1R2为两反射镜的反射率 一般情况下 He Ne激光器的一端为全
9、反射 另一端为部分反射 设透过率为T 忽略反射镜的吸收和散射损耗时 R2 1 T 由于He Ne激光器的T和a都很小 故有 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 再根据下式计算出输出功率PA为光束的有效横截面积 一般情况下
10、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 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 6328 m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
11、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 39 m的辐射 0 6328 m和3 39 m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 39 m的辐射将在腔内振荡中消耗大量的激发态原子 抑制3 39 m辐射的办法有加色散棱镜 使3 39 m的光无法起振腔内放置甲烷吸收盒 甲烷对3 39 m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
12、能起到有效的抑制作用5使用氦的同位素氦 3 通常充入的氦气为氦 4 用氦 3输出功率可提高25 因为氦 3比氦 4轻 运动速度比氦 4大 与氖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 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
13、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 减小功率漂移的措施 一根据产生漂移的原因 在器件结构和工艺上采取改进措施 尽量提高器件的净增益 减小热变形 采用热胀系数小的材料做放电管 抑制3 39 m的振荡或采取稳频措施 减小纵模变化的影响 尽量减小放电管的应力 应力越大 热变形越大 二外部控制的办法减小功率漂移 主动控制法 利用输出功率的变化取控制激光器本身产生激光 如将输出功率的变化与给
14、定的基准比较 其差值放大后去控制激光管的放电电流或控制激光管周围的非均匀磁场强度 被动控制法 在激光输出的光路中放入可控衰减器 取用部分激光功率产生控制信号去控制衰减器 当激光器出去功率大于稳定功率时 衰减器程度加大 通过衰减器后的激光功率相应减小 反之亦然 从而达到稳定功率的目的 2 6He He激光器的频率特性及稳频2 6 1He He激光器的频率特性在适当的放电条件下 He He激光器已经获得了100多条谱线 其中最主要的是0 6328 m和3 39 m两条 一般的He He激光器都是多纵模振荡 为了提高相干性 应尽量降低激光振荡的线宽 最好是单纵模振荡 方法有 1缩短腔长 增大纵模间隔
15、 使得只有一个纵模超过阈值而振荡 但腔长短 单程增益小 输出功率低 2选模技术 如在腔内放置F P标准具 使标准具只允许一个纵模振荡 频率的稳定性 一频率的稳定度 一连续点燃工作时间内 频率变化量与平均频率之比 分短期稳定度和长期稳定度二频率的再现性 不同时间不同地点或不同环境下 激光频率的再现程度 2 6 2稳频的方法1 兰姆凹陷法稳频把激光振动频率稳定在兰姆凹陷的中心频率v0上 在谐振腔上加一压电陶瓷 振荡器输出的频率为f的音频电压信号Vc加到压电陶瓷上 压电陶瓷就在Vc的作用下以同样的频率伸缩 谐振腔的长度也以同样的频率变化 频率在v0附近时 IV0成单向脉动变化 其变化频率为2f 若选
16、频放大器的中心频率放在f上 则产生的2f电压信号不能被放大 输出为零 压电陶瓷不变 腔长维持不变 振荡频率维持不变 当频率移动到了偏离的位置 输出功率的变化频率随之成为f 其产生的光电信号经过选频放大后 由相敏检波器输出负极性直流电压 使压电陶瓷伸长 带动谐振腔变短 使振荡频率恢复到V0 此方法稳频可达10 9 10 10稳定度 频率再现性可达10 7 2 饱和吸收法稳频用一外腔管内放置吸收管 吸收管内充的气体在激光振荡频率处有一强的锐吸收峰 这种低气压气体的吸收峰所对应的频率是十分稳定的 所以稳频精度高 对于主要由非均匀展宽的谱线来说 只有那些沿激光管轴方向速度为零 Vz 0 的原子吸收频率为v0的光子 而对于不在中心频率v0的某一频率V来说 则有的两群原子吸收频率为v的光子 所以在v0处吸收小而容易达到饱和 出现了吸收下陷 3赛曼稳频横向赛曼稳频和纵向赛曼稳频 1 横向赛曼稳频当垂直于He Ne放电管轴线外加磁场时 中心频率为的激光谱线就会分裂成频率为三条偏振谱线 分为振动方向平行于磁场和垂直于磁场两个方向 由于频率牵引作用 两偏振线分别向各自的中心频率偏移 产生频差fb v不同
