氦氖激光器电源设计报告.doc

通信与信息工程学院 激光器件与应用课程设计 班 级： 姓 名： 学 号： 设计时间： 评 语： 通信与信息工程学院 二〇一六年 氦氖激光器电源设计 1实验目的 1)熟悉激光器的基本原理和组成； 2)掌握氦氖激光器工作原理； 3)掌握气体激光器对电源的要求； 4)学会气体激光器电源的设计和制作方法； 5)完成3mW氦氖激光器放电电源的制作与调试。 2实验仪器设备 He-Ne激光器、万用表、线路板 、1N4007型二极管、0.022μF瓷片容器 10uF电解电容、1MΩ电阻、44KΩ10W碳膜电阻。 3 氦氖激光器的工作原理 3.1 氦氖激光器的基本组成、，激光上能级为氖原子的、，激光下能级为和，均为激发态。理论和实验表明：采用直流放电激励的氦氖激光器，其放电毛细管增益区处在正常辉光放电的正柱区，正柱区为等离子体。氦氖激光器实现粒子数反转分布主要依靠电子碰撞激发和氦氖原子间的共振激发能量转移过程，实现激光上能级的激发，以及对激光下能级的消激发过程。 3.3.1激光上能级、的激发 1）电子碰撞激发 以适当能量的电子与基态氖原子碰撞，使其激发到2s、3s态。反应方程为 （3-1） 除此以外，处在正柱区的电子对1s、2p和3p能级也有激发，而且对1s、2p能级的激发几率大于对2s、3s态的激发几率，因此，单靠电子碰撞激发是不能实现粒子数反转分布的。常称这些不能按人们意愿控制的激发为非选择性激发。 2）共振激发能量转移激发 以适当能量的电子与基态氦原子碰撞，使其激发到亚稳态21S。23S1，反应方程为 （3-2） 这要求快电子具有能量分别为20.55eV、19.77eV，相应电子温度高达，比工作气体温度高。一般来说，亚稳态氦原子经过共振激发能量转移过程对基态氖原子的选择性激发，比电子碰撞激发的几率要大。 3.3.2 激光下能级的消激发 激光下能级的激发主要是电子碰撞，使基态氖原子跃迁到激发态和，其反应方程为： （3-3） 从激发态2P和3p向低能级的跃迁过程称为消激发，主要是以自发辐射的形式首先跃迁到1s态，弛豫速率很快，因此1s能级上的氖原子数将出现堆积。把这种低能级粒子数出现阻塞的现象称为瓶颈效应。 为了提高粒子数翻转分布的绝对值，关键是排空1s能级的粒子。有效的方法时选择低气压，细放电管直径的结构。 4.氦氖激光器对电源的要求 4.1气体放电的基本原理 气体激光器的激励方式一般是采用气体放电。在平常情况下气态物质是绝缘体，当加上电压时，气体中产生的电流很微弱，但当电压升高至一定值时电流会突然增大，同时电极间电压突然减小，气体从绝缘体迅速转变为导体,这叫做气体的击穿或“着火”。按照气体导电的伏安特性曲线来划分，击穿后气体导电还可分为正常辉光放电和反常辉光放电区域。由于放电管击穿后变成导体，此时放电管电压比击穿时低很多，所以整个放电电路的电压就会有相当大的一部分落到限流电阻上。击穿气体导电性质的突变，是由于此时气体中产生许多正离子和自由电子。在外电场的作用下，分别向阴阳、极运动，造成放大电流很大。 放电电流对于激光器的输出功率有直接的影响，既有一个最佳放电电流，这一数值在激光器生产厂家的产品说明书中。 击穿后处于正常工作的氦氖激光器，其放电属于正常激光放电。整个放电过程由伏安特性曲线描述。 图4.1-伏安特性曲线 4.2氦氖激光器对电源系统的要求 氦氖激光器常采用直流高压辉光放电激励，此类放电的特征是： ①传导电流的范围为10e-6(10e-1A,管压降为几百伏到几千伏，工作在小电流高电压的正常辉光放电区域； ②有较高的阴极位降和较强的阴极溅射； ③激光管的伏安特性呈负阻性。为此在设计电源系统时，必须选择合理的外特性，使激光管处于稳定工作状态，具体要求如下： (1)激光器能进入正常激光放电状态，其空端载电压必须达到击穿电压。对管长250(450毫米的氦氖管，击穿电压在400(6000伏特。 (2)击穿后电源应能保证供给激光管正常工作电压和工作电流。在正常辉光放电区，其伏安特性呈负阻性，因此必须采取一定的限流措施。 (3)氦氖激光器的输出功率强烈的依赖于放电管的放电管的电流强度。在一定范围内与电流平方成正比。 (4)为使激光器有较大的使用范围，其电流、电压应有一定的调节范围。调节范围的下限为维持放电电流，对氦氖激光器，最小维持电流为3(5mA;上限为略大于最佳工作电流。 5氦氖激光器电源系统的设计 氦氖激光器电源电路有多种形式，例如倍压整流式、直流交流交换升压式等。我们以250mm氦氖激光管氦氖激光器倍压