HeNe激光器的激发机理.doc

中南大学光电子技术基础 氦氖激光器原理 专业班级： 微电子1301班 姓 名： 王聪 杨文彬0803130104 指导教师： 周剑英 时 间： 2016年6月 HeNe激光器的简介 氦氖激光器是最典型的惰性气体原子激光器。它输出的是连续光。最重要的谱线有632.8nm、1.15um、3.39um，近来又向短波方向延伸，获得橙光（612nm，604nm）、黄光（594nm）和绿光（543nm）等谱线。该种激光器的输出功率只有毫瓦级（最大到1W），但它们的光束质量很好。发散角小（1mrad以下），接近衍射极限；单色性好（带宽小于20Hz）；稳定性高（频率稳定最高达，频率重复性为，功率稳定度小于）；加之输出光是可见光， 适于在精密计量、检测、准直、导向、水中照明、信息处理、医疗以及光学研究等方面应用。 HeNe激光器的工作原理 HeNe激光器工作物质能级的特点 HeNe激光器是充有He、Ne混合气体的器件，其中Ne为产生激光的物质，而He是提高其泵浦效率的辅助气体。 He为原子序Z=2的元素。基态时，它的两个核外电子都处于最低能级（电子组态1s1s）,原子态为。当外界给He原子提供一定能量后，一个电子留在最低态，而另一个电子则获得跃到较高能态（电子组态1s2s，1s2p，1s3s），是He原子激发。其中与HeNe激光器有关的是电子组态1s2s的、两能级（图1.2.1）。这两个能级离基态最近，是与基态之间禁戒辐射跃迁的亚稳态能级，由于亚稳态原子的寿命比其它能级的寿命要长，这为氖原子激发上能级积累粒子提供了有利的条件。 Ne为原子序Z=10的元素.基态时，电子组态是，受激时，最外层的一个电子获能跃到最高能态，其他电子仍然维持原状态形成激发态。电子跃到s轨道的组态都由四个原子能级组成，而跃到p轨道的组态皆由10个原子能级组成。根据辐射选择原理，1S，2S，3S能级中一些能级与基态之间允许辐射跃迁，而2P,3P能级是禁戒的，他们只能以辐射形式向较低的1s能级跃迁。 实验发现，Ne原子2S,3S能级和2P,3P能级之间可以产生上百条谱线，然而想要输出激光，获得光的放大，就要在原子的两个特定的能级间形成粒子数反转分布。对于四能级系统氦氖激光机来说，满足的阈值条件为 543.3nm谱线是氦氖激光器中波长最短的谱线，但是这种谱线比较难实现粒子数的反转分布。若要获得弱谱线的输出，就必须抑制其他谱线的振荡，尤其是增益大的谱线。 2.HeNe激光器的激发机理： 氦氖激光器是直流放电激励的器件，其增益区在辉光放电正柱区。利用正柱区中浓度为（-）的等离子体，使和He原子在2S，3S和2P，3P能级间实现粒子数反转分布。下面我们从激光上,下能级入手分析他们的激发和弛豫的过程。 激光上能级的激发 （1）电子直接碰撞激发 放电空间的快速电子与氦原子发生非弹性碰撞，使得He 直接被激发到相应的激发态。反应如下： +Ne→+Ne（2S，3S） 辉光放电正柱区中电子的能量分布符合麦克斯韦分布规律。这些电子对Ne的许多能级都有激发，而且对1S，2P的激发概率比对2S，3S能级的激发概率要大。因此，靠电子直接碰撞是不能实现粒子数反转分布的。我们通常叫不能按人们的意愿控制的激发叫非原则性激发。 共振能量转移激发 He（）和He（）两能级与Ne（2S，3S）的能量非常接近，两者碰撞很容易发生能量转移，加之前两者都是亚稳，电子碰撞截面较大，为选择激发Ne到2S，3S能级提供了有利的条件。 共振能量转移激发反应为： He（，）+Ne→He+Ne(2S,3S） 该过程反应截面较大，尤其是对He（）和He（）两能级的激发。原因是反应过程中较小，即使在反应前后自旋改变量的情况下也能观察到谱线，如果使用其同位素，共振转移激发的截面还要更大。 普遍的说，He对Ne的原则性激发比电子直接碰撞的概率要大，并以Ne（3）对He的转移激发依赖性最大。可以认为Ne（3）能级上的粒子是由He（）原子能量转移激发的。 串级激发 电子碰撞基态Ne原子使其跃到较高能级，高能级的Ne又和基态的Ne相碰使得基态的Ne跃至2S，3S能级，而自己到更低能级的过程。 复合激发 这个过程Ne离子首先与He，Ne原子三体碰撞形成分子离子，然后与电子碰撞形成激发态Ne的过程，在高气压脉冲工作中较为明显。 激光下的能级的激发和弛豫 氦氖激光下的能级是Ne（2P，3P）能级。他们的激发主要是电子碰撞激发 +Ne→+Ne（2