激光原理气体激光器.ppt

高福斌/39关于激光原理气体激光器第1页，共39页，星期日，2025年，2月5日*图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He、Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。放电管是氦氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。第2页，共39页，星期日，2025年，2月5日*He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式第3页，共39页，星期日，2025年，2月5日*内腔式如图中(a)所示，将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，其优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。缺点是在工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。第4页，共39页，星期日，2025年，2月5日*外腔式如图中（b）所示，优点：这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量。同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点：由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便;体积大，安装使用不方便，易破碎。第5页，共39页，星期日，2025年，2月5日*激光器的工作气体是He和Ne，其中产生激光跃迁的是Ne气。He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率。图（5-10）为He和Ne的能级图。He原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上，He原子处于基态。当He原子受激时，使其中一个电子从1S激发到2S，He原子成为激发态。He原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图二、氦和氖原子的能级图1S21S023S1第6页，共39页，星期日，2025年，2月5日*图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图Ne原子有10个电子，基态1S0(电子分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为:2P53S、2P54S、2P55S、2P53P、2P54P。二、氦和氖原子的能级图2P53S2P54S2P55S2P53P2P54P1S0第7页，共39页，星期日，2025年，2月5日*在He—Ne激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S0、23S1态分别与Ne原子的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达95%，其转移过程如下：s2s1Nes3s12s32Hep2p3电子碰撞激发管壁效应自发辐射632.8nm共振转移三、He—Ne激光器的激发过程第8页，共39页，星期日，2025年，2月5日*第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。第9页，共39页，星期日，2025年，2月5日*图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图lS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