第二章 氦氖激光器.ppt

激光器件原理与设计 第二章 氦氖激光器 引言: 首台氦－氖激光器诞生于1961年。 氦-氖激光器是惰性气体激光器，输出连续光。 主要产生的0.6328nm红光和1.15μm及3.39μm红外光。 氦－氖激光器最大连续输出功率可达到1W，寿命达一万小时以上。 优点： (1)光束质量好：发散角小于1mrad。 (2)单色性好：线宽小于20Hz。 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 。 第二章 氦氖激光器 第二章 氦氖激光器 He原子有两个外层电子。基态时，电子处于最低能态,当外界给He原子提供一定能量后,一个电子跃迁到高能态,使He原子激发。由于亚稳态原子寿命比其他能级原子的寿命(10-8s)要长，如He（21S0）原子辐射寿命为2x10-2s，He(23S1)原子寿命为6x10-5s，这为Ne原子激发上能级积累粒子提供了有利条件。 第二章 氦氖激光器 第二章 氦氖激光器 其中2P和3P态，不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。1S态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。 从能级图可见，He—Ne激光器是典型的四能级系统。 为什么He—Ne激光器中要有一根内径较细的放电管？ 第二章 氦氖激光器 第二章 氦氖激光器 二、He-Ne激光器的激发机理 He-Ne激光器主要采用直流辉光放电激励，也有用射频和高频放电激励。其增益区在正柱区，Ne原子激发数量很少，主要是He原子的激发，通过共振转移使Ne原子在2S、3S和2P、3P能级间实现粒子数反转分布。 目的：实现激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。 1．激光上能级的激发：实现激光上能级粒子积累 （1）电子直接碰撞激发：不能实现粒子数反转分布。 第二章 氦氖激光器 （2）共振能量转移激发 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。 第二章 氦氖激光器 （3）串级激发 Ne(nS)+Ne→Ne(2S、3S)+Ne[(n-1)S] n5 电子碰撞基态Ne原子使其跃迁到较高能级，高能级Ne又与基态Ne碰撞，使基态Ne跃迁到2S、3S能级，自己又回到较低能级过程。与前述两过程相比，此过程贡献最小 。 第二章 氦氖激光器 （4）复合激发：Ne离子与He、Ne原子三体碰撞形成分 子离子，再与电子碰撞获得激发态Ne过程。 Ne++Ne+He→（HeNe）++Ne Ne++Ne+He→Ne+2+Ne Ne++2He→（HeNe）++He （HeNe）++e→（HeNe）’→Ne’+He Ne+2+e→Ne’2→Ne’+Ne 第二章 氦氖激光器 2. 激光下能级的激发和弛豫：主要是电子直接碰撞激发 Ne（2P，3P）上的粒子主要通过自发辐射向Ne（1S）能级弛豫，且速率较快。要保证激光器粒子数反转分布，关键是排空Ne（1S）能级粒子，有效方法是靠它们扩散到管壁，释放激发能后弛豫到基态（管壁效应）。 1.2.2 He-Ne激光器工作特性与输出功率 一、电子温度 一定He、Ne比例下，放电管内电子温度随pD值增大 而下降；pD值不变，电子温度也不变。 第二章 氦氖激光器 对一种气体而言，存在一个最佳电子温度，这时的电子平均能量最有利于激光上能级粒子积累和下能级粒子排空。 pD值过大，电子温度过低，不易将He原子激发到上能级； pD值过小，激光物质少，模体积小，衍射损耗大，电流密度过高，激光输出减小。 应综合考虑各方面因素，寻求最佳电子温度。 对He—Ne激光器一般选取的pD值为 4×102——6.6×102(Pa·mm)。 对于不同成分的气体．相同的pd值其电子温度是不同的。越易电离的气体，电子温度越低。Ne的电离电位较He低，其电离截面为He的两倍。所以在纯Ne气体中的电子温度低于He