第二章 氦氖激光器

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1、2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)1第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器 引言引言:首臺(tái)氦氖激光器誕生于首臺(tái)氦氖激光器誕生于1961年。年。氦氦-氖激光器是惰性氣體激光器，輸出連續(xù)光。氖激光器是惰性氣體激光器，輸出連續(xù)光。主要產(chǎn)生的主要產(chǎn)生的0.6328nm紅光和紅光和1.15m及及3.39m紅外紅外光。光。氦氖激光器最大連續(xù)輸出功率可達(dá)到氦氖激光器最大連續(xù)輸出功率可達(dá)到1W，壽命達(dá)一，壽命達(dá)一萬(wàn)小時(shí)以上。萬(wàn)小時(shí)以上。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1)光束質(zhì)量好：發(fā)散角小于光束質(zhì)量好：發(fā)散角小于1mrad。 (2)單色性好：線寬小于單色性好：線寬小于20Hz。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)2第二章

2、第二章 氦氖激光器氦氖激光器(3) 輸出穩(wěn)定：功率穩(wěn)定性達(dá)到輸出穩(wěn)定：功率穩(wěn)定性達(dá)到30秒內(nèi)的誤差為秒內(nèi)的誤差為0.005%, 十分鐘內(nèi)的誤差為十分鐘內(nèi)的誤差為0.015。(4) 可見(jiàn)光輸出?？梢?jiàn)光輸出。適用于：精密測(cè)量、檢測(cè)、準(zhǔn)直、導(dǎo)向、水中照明、信息適用于：精密測(cè)量、檢測(cè)、準(zhǔn)直、導(dǎo)向、水中照明、信息 處理、醫(yī)療等處理、醫(yī)療等 。1.2.1 He-Ne激光器工作原理激光器工作原理一、一、He-Ne激光器工作物質(zhì)能級(jí)特點(diǎn)激光器工作物質(zhì)能級(jí)特點(diǎn) He-Ne激光器是混合氣體器件，激光器是混合氣體器件，Ne為產(chǎn)生激光的物質(zhì)，為產(chǎn)生激光的物質(zhì)，He是輔助氣體，用來(lái)提高是輔助氣體，用來(lái)提高Ne泵浦效率泵

3、浦效率 。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)3第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)4第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器He原子有兩個(gè)外層電子。原子有兩個(gè)外層電子?；鶓B(tài)時(shí)，電子處于最低能基態(tài)時(shí)，電子處于最低能態(tài)態(tài),當(dāng)外界給當(dāng)外界給He原子提供一原子提供一定能量后定能量后,一個(gè)電子躍遷到一個(gè)電子躍遷到高能態(tài)高能態(tài),使使He原子激發(fā)。由原子激發(fā)。由于亞穩(wěn)態(tài)原子壽命比其他于亞穩(wěn)態(tài)原子壽命比其他能級(jí)原子的壽命能級(jí)原子的壽命(10-8s)要長(zhǎng)，要長(zhǎng)，如如He（21S0）原子輻射壽）原子輻射壽命為命為2x10-2s，He(23S1)原子原子壽命為壽命為6x10-5s，這為

4、，這為Ne原原子激發(fā)上能級(jí)積累粒子提子激發(fā)上能級(jí)積累粒子提供了有利條件。供了有利條件。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)5第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器HeHe和和NeNe能級(jí)圖能級(jí)圖 n根據(jù)能量躍遷選擇定則，根據(jù)能量躍遷選擇定則，NeNe原子可以產(chǎn)生很多條原子可以產(chǎn)生很多條譜線，其中最強(qiáng)的譜線譜線，其中最強(qiáng)的譜線有三條，即有三條，即0.6328m0.6328m、3.39m3.39m和和1.15m1.15m，對(duì)，對(duì)應(yīng)躍遷能級(jí)分別為應(yīng)躍遷能級(jí)分別為3S3S2 22P2P4 4，3S3S2 23P3P4 4和和2S2S2 22P2P4 4。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)6第二章第二章

5、氦氖激光器氦氖激光器 其中其中2P和和3P態(tài)，不能直接向態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很態(tài)躍遷很快。快。1S態(tài)向基態(tài)的躍遷是被態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時(shí)，可把能量交給管壁，撞時(shí)，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。自己回到基態(tài)。 從能級(jí)圖可見(jiàn)，從能級(jí)圖可見(jiàn)，HeNe激光激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。為什么為什么HeNe激光器中要激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管？有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管？2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)7第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器2022-6

6、-30激光器件原理與設(shè)計(jì)8第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器二、二、He-Ne激光器的激發(fā)機(jī)理激光器的激發(fā)機(jī)理 He-Ne激光器主要采用直流輝光放電激勵(lì)，也有用射激光器主要采用直流輝光放電激勵(lì)，也有用射頻和高頻放電激勵(lì)。其增益區(qū)在正柱區(qū)，頻和高頻放電激勵(lì)。其增益區(qū)在正柱區(qū)，Ne原子激發(fā)原子激發(fā)數(shù)量很少，主要是數(shù)量很少，主要是He原子的激發(fā)，通過(guò)共振轉(zhuǎn)移使原子的激發(fā)，通過(guò)共振轉(zhuǎn)移使Ne原子在原子在2S、3S和和2P、3P能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。目的：實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)粒子積累和下能級(jí)粒子排空。目的：實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)粒子積累和下能級(jí)粒子排空。1激光上能級(jí)的激發(fā)：激光上能級(jí)的激

7、發(fā)：實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)粒子積累實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)粒子積累（1）電子直接碰撞激發(fā)：不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。）電子直接碰撞激發(fā)：不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。(2 ,3 )eNeeNeSS2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)9第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（2）共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)）共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā) He（23S1、21S0）與）與Ne（2S、3S）能量非常接近，）能量非常接近，很容易發(fā)生碰撞能量轉(zhuǎn)移，且都是亞穩(wěn)態(tài)，原子輻很容易發(fā)生碰撞能量轉(zhuǎn)移，且都是亞穩(wěn)態(tài)，原子輻射壽命較長(zhǎng)，電子碰撞截面大，有利于選擇激發(fā)射壽命較長(zhǎng)，電子碰撞截面大，有利于選擇激發(fā)Ne到（到（2S、3S）能級(jí)。）能級(jí)。He對(duì)對(duì)Ne的選擇性激發(fā)比

8、電子直接碰撞激發(fā)的概大，的選擇性激發(fā)比電子直接碰撞激發(fā)的概大，Ne（3S2）對(duì)）對(duì)He共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)依賴(lài)最大?？梢哉J(rèn)共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)依賴(lài)最大。可以認(rèn)為為Ne（3S2）上的粒子是由）上的粒子是由He（21S0）能量轉(zhuǎn)移激發(fā)。）能量轉(zhuǎn)移激發(fā)。 3110(2,2)(2 ,3 )HeSSNeHeNeSSE2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)10第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（3）串級(jí)激發(fā)）串級(jí)激發(fā)Ne(nS)+NeNe(2S、3S)+Ne(n-1)S n5電子碰撞基態(tài)電子碰撞基態(tài)Ne原子使其躍遷到較高能級(jí)，高能級(jí)原子使其躍遷到較高能級(jí)，高能級(jí)Ne又與基態(tài)又與基態(tài)Ne碰撞，使基態(tài)碰撞，使基態(tài)Ne躍

9、遷到躍遷到2S、3S能級(jí)，能級(jí)，自己又回到較低能級(jí)過(guò)程。與前述兩過(guò)程相比，此自己又回到較低能級(jí)過(guò)程。與前述兩過(guò)程相比，此過(guò)程貢獻(xiàn)最小過(guò)程貢獻(xiàn)最小 。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)11第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（4）復(fù)合激發(fā)：）復(fù)合激發(fā)：Ne離子與離子與He、Ne原子三體碰撞形成分原子三體碰撞形成分 子離子，再與電子碰撞獲得激發(fā)態(tài)子離子，再與電子碰撞獲得激發(fā)態(tài)Ne過(guò)程。過(guò)程。Ne+Ne+He（HeNe）+NeNe+Ne+HeNe+2+NeNe+2He（HeNe）+He（HeNe）+e（HeNe）Ne+HeNe+2+eNe2Ne+Ne2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)12第二章第二

10、章 氦氖激光器氦氖激光器2. 激光下能級(jí)的激發(fā)和弛豫：主要是電子直接碰撞激發(fā)激光下能級(jí)的激發(fā)和弛豫：主要是電子直接碰撞激發(fā) Ne（2P，3P）上的粒子主要通過(guò)自發(fā)輻射向）上的粒子主要通過(guò)自發(fā)輻射向Ne（1S）能級(jí)弛豫，且速率較快。要保證激光器粒子）能級(jí)弛豫，且速率較快。要保證激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，關(guān)鍵是排空數(shù)反轉(zhuǎn)分布，關(guān)鍵是排空Ne（1S）能級(jí)粒子，有）能級(jí)粒子，有效方法是靠它們擴(kuò)散到管壁，釋放激發(fā)能后弛豫到效方法是靠它們擴(kuò)散到管壁，釋放激發(fā)能后弛豫到基態(tài)（管壁效應(yīng)）。基態(tài)（管壁效應(yīng)）。1.2.2 He-Ne激光器工作特性與輸出功率激光器工作特性與輸出功率一、電子溫度一、電子溫度 一定一定He

11、、Ne比例下，放電管內(nèi)電子溫度隨比例下，放電管內(nèi)電子溫度隨pD值增大值增大而下降；而下降；pD值不變，電子溫度也不變。值不變，電子溫度也不變。(2 ,3 )NeeNePPe2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)13第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器對(duì)一種氣體而言，存在一個(gè)最佳電子溫度，這時(shí)的電子平均能量對(duì)一種氣體而言，存在一個(gè)最佳電子溫度，這時(shí)的電子平均能量最有利于最有利于激光上能級(jí)粒子積累和下能級(jí)粒子排空。激光上能級(jí)粒子積累和下能級(jí)粒子排空。pD值過(guò)大，電子溫度過(guò)低，不易將值過(guò)大，電子溫度過(guò)低，不易將He原子激發(fā)到上能級(jí)；原子激發(fā)到上能級(jí)；pD值過(guò)小，激光物質(zhì)少，模體積小，衍射損耗大，電流密度

12、過(guò)高，值過(guò)小，激光物質(zhì)少，模體積小，衍射損耗大，電流密度過(guò)高，激光輸出減小。激光輸出減小。應(yīng)綜合考慮各方面因素，尋求最佳電子溫度。應(yīng)綜合考慮各方面因素，尋求最佳電子溫度。對(duì)對(duì)HeNe激光器一般選取的激光器一般選取的pD值為值為 41026.6102(Pamm)。對(duì)于不同成分的氣體相同的對(duì)于不同成分的氣體相同的pd值其電子溫度是不同的。越易電值其電子溫度是不同的。越易電離的氣體，電子溫度越低。離的氣體，電子溫度越低。Ne的電離電位較的電離電位較He低，其電離截面低，其電離截面為為He的兩倍。所以在純的兩倍。所以在純Ne氣體中的電子溫度低于氣體中的電子溫度低于He以及以及He、Ne混合氣中的電子溫

13、度。混合氣中的電子溫度。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)14第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器二、增益：光在單位距離內(nèi)光強(qiáng)增加的百分比。二、增益：光在單位距離內(nèi)光強(qiáng)增加的百分比。 1. 放電參數(shù)的影響：增益放電參數(shù)的影響：增益G正比于粒子反轉(zhuǎn)數(shù)。正比于粒子反轉(zhuǎn)數(shù)。 放電電流與增益關(guān)系式放電電流與增益關(guān)系式 ： K0、K1、K2、K3、K4是與激光器的譜線、結(jié)構(gòu)尺寸是與激光器的譜線、結(jié)構(gòu)尺寸及放電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)。及放電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)。 10423K IGKK IK IK2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)15第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器 在電流逐漸增大、電子密度增在電流逐漸增大、電子

14、密度增強(qiáng)的過(guò)程中，強(qiáng)的過(guò)程中，激光上能級(jí)激光上能級(jí)的粒的粒子最初呈線性增長(zhǎng)。隨著電子子最初呈線性增長(zhǎng)。隨著電子碰撞消激發(fā)加劇，粒子增長(zhǎng)速碰撞消激發(fā)加劇，粒子增長(zhǎng)速度減緩，最后達(dá)到飽和狀態(tài)。度減緩，最后達(dá)到飽和狀態(tài)。而而激光下能級(jí)激光下能級(jí)的粒子在此過(guò)程的粒子在此過(guò)程中始終保持著線性增長(zhǎng)的關(guān)系，中始終保持著線性增長(zhǎng)的關(guān)系，故而使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值在某一放故而使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值在某一放電電流條件下，出現(xiàn)最大值。電電流條件下，出現(xiàn)最大值。從圖中可看到，隨放電電流變從圖中可看到，隨放電電流變化，增益化，增益 存在一個(gè)最佳值存在一個(gè)最佳值2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)16第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器圖

15、圖1.2.4表示表示He-Ne激光器上、下激光器上、下能級(jí)粒子密度與能級(jí)粒子密度與放電電流關(guān)系曲放電電流關(guān)系曲線，線間距為粒線，線間距為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值，間子數(shù)反轉(zhuǎn)值，間距最大處電流為距最大處電流為獲得最大增益放獲得最大增益放電電流。電電流。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)17第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器最佳總氣壓：氣壓過(guò)低，上能級(jí)粒子數(shù)減少，最佳總氣壓：氣壓過(guò)低，上能級(jí)粒子數(shù)減少，增益小。氣壓過(guò)高，電子與原子碰撞增多，電增益小。氣壓過(guò)高，電子與原子碰撞增多，電子平均能量下降，上能級(jí)粒子數(shù)減少，增益小。子平均能量下降，上能級(jí)粒子數(shù)減少，增益小。最佳氣體比例：最佳氣體比例：He-NeHe-

16、Ne激光器中激光器中NeNe的激發(fā)主要的激發(fā)主要靠靠HeHe的亞穩(wěn)態(tài)粒子能量的共振轉(zhuǎn)移，所以的亞穩(wěn)態(tài)粒子能量的共振轉(zhuǎn)移，所以HeHe氣氣壓高于壓高于NeNe氣壓。氣壓。所以，為獲得最大增益，激光器應(yīng)在最佳放電所以，為獲得最大增益，激光器應(yīng)在最佳放電條件（放電電流、總氣壓、氣體混合比）下工條件（放電電流、總氣壓、氣體混合比）下工作。作。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)18第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器2.增益分布：增益沿放電管軸向分布均勻，徑向分布不均勻增益分布：增益沿放電管軸向分布均勻，徑向分布不均勻 影響因素：放電電流、總氣壓和氣體混合影響因素：放電電流、總氣壓和氣體混合比。比。隨

17、電流增大，管軸中心出現(xiàn)增益飽和并下隨電流增大，管軸中心出現(xiàn)增益飽和并下降；電流繼續(xù)增大，管壁附近出現(xiàn)增益下降；電流繼續(xù)增大，管壁附近出現(xiàn)增益下降。降。在一定電流下，氣壓增大，管軸中心出現(xiàn)在一定電流下，氣壓增大，管軸中心出現(xiàn)增益飽和并下降。這是因中心處增益飽和并下降。這是因中心處Ne(1s)Ne(1s)粒粒子在氣壓較大時(shí)不易擴(kuò)散到管壁碰撞弛豫，子在氣壓較大時(shí)不易擴(kuò)散到管壁碰撞弛豫，導(dǎo)致導(dǎo)致NN減小，增益下降。減小，增益下降。NeNe增多，增益下降且徑向分布加寬。增多，增益下降且徑向分布加寬。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)19第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器三、輸出功率三、輸出功率 He-

18、Ne激光器輸出功率和輸出模式緊密相關(guān)。激光器輸出功率和輸出模式緊密相關(guān)。（1）單縱?；鶛M模）單縱?；鶛M模式中，式中， 光軸有效面積，一般為放電光軸有效面積，一般為放電 管截面積的管截面積的1/5。T輸出鏡透過(guò)率。輸出鏡透過(guò)率。I+沿光軸方向傳播光強(qiáng)。沿光軸方向傳播光強(qiáng)。2152WDPTIATI2152DA2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)20第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器 （2）多縱?；鶛M模）多縱模基橫模021WSG lPATKIT式中，式中，K K為比例系數(shù)；為比例系數(shù)；IsIs為飽和光強(qiáng)；為飽和光強(qiáng)；對(duì)于對(duì)于0.6328um0.6328um波長(zhǎng)紅光，波長(zhǎng)紅光，KIKIS S=30=3

19、03 3（W/cm2W/cm2）G G0 0：小信號(hào)增益系數(shù)；：小信號(hào)增益系數(shù)；：除透過(guò)率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。：除透過(guò)率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。l l：有效放電長(zhǎng)度。：有效放電長(zhǎng)度。He-NeHe-Ne激光器多為多縱?；鶛M模光束，只有當(dāng)腔長(zhǎng)足激光器多為多縱模基橫模光束，只有當(dāng)腔長(zhǎng)足夠短，縱模間隔與譜線寬度滿足夠短，縱模間隔與譜線寬度滿足C/2LC/2L，才能輸，才能輸出單縱?；鶛M模光束。出單縱?；鶛M模光束。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)21第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器影響激光器輸出功率因素：影響激光器輸出功率因素： 1. 放電管尺寸放電管尺寸從從 可看出，可看出，l增加，

20、即放電管增加，即放電管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，激光介質(zhì)區(qū)越長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，激光介質(zhì)區(qū)越長(zhǎng)，PW越大。越大。管徑的影響較為復(fù)雜：管徑的影響較為復(fù)雜： 由由G0=3x10-4/D角度看，管徑愈小，增益愈高，輸角度看，管徑愈小，增益愈高，輸出功率愈大（管壁效應(yīng)）出功率愈大（管壁效應(yīng)） ； 但但D小，衍射損耗加大，最佳放電電流減小，否則，小，衍射損耗加大，最佳放電電流減小，否則，電子密度過(guò)大，增益飽和，功率降低。電子密度過(guò)大，增益飽和，功率降低。021WSG lPATKIT2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)22第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器D應(yīng)取一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹?，電流與管徑經(jīng)驗(yàn)公式：應(yīng)取一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹担娏髋c管徑經(jīng)驗(yàn)

21、公式：I=19（D-1） (mA) 抑制抑制3.39umI=3.5+1.5D2 （mA） 不抑制不抑制3.39um 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)23第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器2.放電管參數(shù)：總氣壓；放電管參數(shù)：總氣壓；He與與Ne氣壓比氣壓比(后簡(jiǎn)稱(chēng)氣壓比后簡(jiǎn)稱(chēng)氣壓比)；放電電流。；放電電流。輸出功率很大程度取決于這些參數(shù)，選取輸出功率很大程度取決于這些參數(shù)，選取合適參數(shù)就可獲得最佳輸出。合適參數(shù)就可獲得最佳輸出。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)24第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（1）總氣壓與輸出功率）總氣壓與輸出功率 在氣壓比一定條件下，輸出功在氣壓比一定條件下，輸出

22、功率隨總氣壓改變有一最佳率隨總氣壓改變有一最佳總氣壓?？倸鈮?。放電管直徑在放電管直徑在115mm，最佳，最佳條件為條件為 pD= 46.6102pa.mm。 同樣氣壓比情況下，同樣氣壓比情況下，D大時(shí)，大時(shí)，pD取高值。取高值。 氣壓比大，最佳總氣壓大。氣壓比大，最佳總氣壓大。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)25第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（2）氣壓比與輸出功率：有一最佳氣壓比。）氣壓比與輸出功率：有一最佳氣壓比。n最佳氣壓比隨放電最佳氣壓比隨放電管直徑增大而減小。管直徑增大而減小。在總氣壓不變的情在總氣壓不變的情況下，最佳氣壓比況下，最佳氣壓比隨放電管直徑的增隨放電管直徑的增大而

23、直線下降大而直線下降2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)26第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器氣壓比對(duì)輸出功率主要從電子溫度和激光物質(zhì)氣壓比對(duì)輸出功率主要從電子溫度和激光物質(zhì)的密度兩方面來(lái)產(chǎn)生影響。選擇合理的氣壓比，的密度兩方面來(lái)產(chǎn)生影響。選擇合理的氣壓比，使管內(nèi)既有足夠多的激光物質(zhì)使管內(nèi)既有足夠多的激光物質(zhì)Ne，又使電子處，又使電子處于最佳激發(fā)狀態(tài)。倘若總氣壓不變，增大放電于最佳激發(fā)狀態(tài)。倘若總氣壓不變，增大放電管管徑管管徑D，管內(nèi)會(huì)因帶電粒子復(fù)合減少。軸向，管內(nèi)會(huì)因帶電粒子復(fù)合減少。軸向電場(chǎng)減小，電子溫度減低。此時(shí)，管內(nèi)只有降電場(chǎng)減小，電子溫度減低。此時(shí)，管內(nèi)只有降低氣壓比，才能使這樣的電

24、子具有最佳激發(fā)。低氣壓比，才能使這樣的電子具有最佳激發(fā)。通常通常PHe/PNe=5102022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)27第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（3）放電電流與輸出放電電流與輸出功率：放電電流主功率：放電電流主要是改變電子密度，要是改變電子密度，改變粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，改變粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，從而改變?cè)鲆孑敵鰪亩淖冊(cè)鲆孑敵龉β?。功率?總氣壓增大，最佳總氣壓增大，最佳放電電流減小。放電電流減小。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)28第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器3.輸出鏡與輸出功率：透過(guò)率輸出鏡與輸出功率：透過(guò)率T有一最佳值。有一最佳值。諧振腔有兩種損耗：有用損耗和無(wú)用損耗。諧振腔有兩

25、種損耗：有用損耗和無(wú)用損耗。有用損耗：激光器諧振腔輸出鏡的透射。有用損耗：激光器諧振腔輸出鏡的透射。無(wú)用損耗：激光器諧振腔反射鏡的吸收、散無(wú)用損耗：激光器諧振腔反射鏡的吸收、散射和透射。射和透射。 愈小，愈小，Topt愈大，輸出激光功率愈高。愈大，輸出激光功率愈高。愈大，必須減小愈大，必須減小Topt來(lái)補(bǔ)償。來(lái)補(bǔ)償。02optTG l式中式中為無(wú)用損耗為無(wú)用損耗。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)29第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器透過(guò)率過(guò)大，諧振透過(guò)率過(guò)大，諧振腔損耗大，腔內(nèi)激腔損耗大，腔內(nèi)激光振蕩減弱，功率光振蕩減弱，功率輸出小。輸出小。透過(guò)率小，諧振腔透過(guò)率小，諧振腔損耗小腔內(nèi)激光振

26、損耗小腔內(nèi)激光振蕩強(qiáng)，輸出比例小，蕩強(qiáng)，輸出比例小，效率低。效率低。最佳透過(guò)率曲線附最佳透過(guò)率曲線附近功率變化不大，近功率變化不大，提高鏡片成品率。提高鏡片成品率。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)30第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器4. 輸出功率穩(wěn)定性：激光性能檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。功率穩(wěn)輸出功率穩(wěn)定性：激光性能檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。功率穩(wěn)定度定度S表示。一段時(shí)間內(nèi)輸出功率變化的百分?jǐn)?shù)。表示。一段時(shí)間內(nèi)輸出功率變化的百分?jǐn)?shù)。 是一段時(shí)間內(nèi)輸出功率平均值；是一段時(shí)間內(nèi)輸出功率平均值； 是這段時(shí)間內(nèi)是這段時(shí)間內(nèi)功率波動(dòng)值。功率波動(dòng)值。影響因素：影響因素：（1）放電電流波動(dòng)：電網(wǎng)電壓波動(dòng)，放電參數(shù)變化）放

27、電電流波動(dòng)：電網(wǎng)電壓波動(dòng)，放電參數(shù)變化 WWPPSWPWP2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)31第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（2）工作頻率波動(dòng)：）工作頻率波動(dòng)：PWG，G1/3。溫度變化會(huì)。溫度變化會(huì) 引起腔長(zhǎng)變化，導(dǎo)致頻率變化。引起腔長(zhǎng)變化，導(dǎo)致頻率變化。（3）腔損耗波動(dòng)：環(huán)境氣流的影響；外界機(jī)械沖擊；放）腔損耗波動(dòng)：環(huán)境氣流的影響；外界機(jī)械沖擊；放電管發(fā)熱而變形、伸長(zhǎng)或縮短導(dǎo)致腔內(nèi)損耗改變，電管發(fā)熱而變形、伸長(zhǎng)或縮短導(dǎo)致腔內(nèi)損耗改變，輸出功率波動(dòng)。輸出功率波動(dòng)。 提高其穩(wěn)定度的措施：一是在器件材料選取以及結(jié)提高其穩(wěn)定度的措施：一是在器件材料選取以及結(jié)構(gòu)、工藝等方面加以改進(jìn)如放電管采

28、用線膨脹系構(gòu)、工藝等方面加以改進(jìn)如放電管采用線膨脹系數(shù)小的材料，諧振腔一端反射鏡裝有壓電陶瓷等；數(shù)小的材料，諧振腔一端反射鏡裝有壓電陶瓷等；二是利用外部控制的辦法如功率反饋、電流反饋的二是利用外部控制的辦法如功率反饋、電流反饋的方法來(lái)減小輸出功率的波動(dòng)。方法來(lái)減小輸出功率的波動(dòng)。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)32第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器5. 輸出譜線：輸出譜線： 譜線竟?fàn)帲耗骋粭l譜線先產(chǎn)生振蕩，其它譜線粒子數(shù)譜線竟?fàn)帲耗骋粭l譜線先產(chǎn)生振蕩，其它譜線粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)差反轉(zhuǎn)差N減少而增益下降，甚至停止振減少而增益下降，甚至停止振 蕩。蕩。措施：（措施：（1）選擇性諧振腔：反射鏡對(duì)所需激

29、光譜線高反）選擇性諧振腔：反射鏡對(duì)所需激光譜線高反 射，對(duì)其它譜線低反射、高吸收。適合短射，對(duì)其它譜線低反射、高吸收。適合短 腔長(zhǎng)。腔長(zhǎng)。 （2）加色散元件：使所需激光譜線腔內(nèi)振蕩，）加色散元件：使所需激光譜線腔內(nèi)振蕩， 其它光偏離腔外。其它光偏離腔外。n與與有關(guān)，有關(guān)，越小，越小，n 越大。越大。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)33第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器方法：加棱鏡，頂角為方法：加棱鏡，頂角為的等邊棱鏡。的等邊棱鏡。2112sinn2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)34第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（3）腔內(nèi)吸收：對(duì)不需激光譜線吸收，所需激光譜線透）腔內(nèi)吸收：對(duì)不需激光

30、譜線吸收，所需激光譜線透 明元件。如甲烷對(duì)明元件。如甲烷對(duì)3.39m吸收，對(duì)吸收，對(duì)0.6328m透透明。明。（4）加非均勻磁場(chǎng)：降低介質(zhì)對(duì)譜線增益來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制。）加非均勻磁場(chǎng)：降低介質(zhì)對(duì)譜線增益來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制。腔長(zhǎng)要長(zhǎng)。腔長(zhǎng)要長(zhǎng)。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)35第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器1.2.3 He-Ne激光器結(jié)激光器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)構(gòu)與設(shè)計(jì)一、一、He-Ne激光器結(jié)構(gòu)：激光器結(jié)構(gòu)：由毛細(xì)管、儲(chǔ)氣由毛細(xì)管、儲(chǔ)氣管、電極和諧振管、電極和諧振腔組成。分為內(nèi)腔組成。分為內(nèi)腔式、外腔式、腔式、外腔式、半外腔式、旁軸半外腔式、旁軸式和單毛細(xì)管式。式和單毛細(xì)管式。2022-6-30激光器件原理與

31、設(shè)計(jì)36第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器(1)內(nèi)腔式兩塊反射鏡直接貼在放電管兩端。特點(diǎn)：使用方便，不用調(diào)腔。缺點(diǎn)：放電發(fā)熱或外界沖擊發(fā)生形變導(dǎo)致諧振腔失調(diào) 時(shí)無(wú)法校正。適用于作短管的結(jié)構(gòu)。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)37第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器(2)外腔式n諧振腔兩塊反射鏡與放電管分開(kāi)。放電管兩端用布儒斯特窗密封構(gòu)成反射最小光通路。n諧振腔形變較大或需在腔內(nèi)插入其他光學(xué)元件或需偏振光時(shí)，可用外腔式隨時(shí)調(diào)整反射鏡的位置到最佳振蕩條件開(kāi)展多種研究與應(yīng)用。n適于作長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)。n缺點(diǎn)是腔易變動(dòng)，需經(jīng)常調(diào)整，使用不方便。由于有布氏窗片，腔內(nèi)損耗增大，功率有所下降。 2022-6-30

32、激光器件原理與設(shè)計(jì)38第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器(3)半外腔結(jié)構(gòu)一端采用內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，另一端用布氏窗密封，放電管與反射鏡分開(kāi)。兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，適于作特殊要求的小型激光器的結(jié)構(gòu)。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)39第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器(4)旁軸式結(jié)構(gòu)激光器的陰極與放電管不同軸。優(yōu)點(diǎn)：陰極濺射不致污染鏡片，器件壽命增長(zhǎng)。缺點(diǎn)：體積較大，不易攜帶。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)40第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器(5)單毛細(xì)管式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)為的是沿管壁加非均勻磁場(chǎng)，抑制較強(qiáng)譜線的輸出，適于較長(zhǎng)激光器中采用。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)41第二章第二章 氦

33、氖激光器氦氖激光器二、二、He-Ne激光器設(shè)計(jì)：基本要求：輸出功率激光器設(shè)計(jì)：基本要求：輸出功率PW和模式和模式 1. 毛細(xì)管長(zhǎng)度毛細(xì)管長(zhǎng)度l和諧振腔長(zhǎng)度和諧振腔長(zhǎng)度L：輸出功率：輸出功率PWG，Gl （包含長(zhǎng)度增加概念）。（包含長(zhǎng)度增加概念）。毛細(xì)管長(zhǎng)度毛細(xì)管長(zhǎng)度l=PW/P0 式中式中 P0為單位長(zhǎng)度的功率值，常為單位長(zhǎng)度的功率值，常為經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)為經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)0.6328m激光，激光，P0=20mW/m。諧振腔長(zhǎng)度諧振腔長(zhǎng)度L=l+2l 為了防止電極濺射污染鏡片以及加工工藝的要求，在放為了防止電極濺射污染鏡片以及加工工藝的要求，在放電毛細(xì)管的兩端各加長(zhǎng)電毛細(xì)管的兩端各加長(zhǎng)l3540mm，l為

34、工藝長(zhǎng)為工藝長(zhǎng)度。度。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)42第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器2. 反射鏡曲率半徑反射鏡曲率半徑R：采用平凹腔。平面鏡作輸出鏡，：采用平凹腔。平面鏡作輸出鏡，凹面鏡作反射鏡。凹面鏡作反射鏡。 反射鏡曲率半徑反射鏡曲率半徑R由腔結(jié)構(gòu)參數(shù)由腔結(jié)構(gòu)參數(shù)定。參數(shù)定。參數(shù)與輸出與輸出功率、發(fā)散角、調(diào)整精度（腔鏡最大允許傾斜角功率、發(fā)散角、調(diào)整精度（腔鏡最大允許傾斜角m）和衍射損耗有關(guān)系。和衍射損耗有關(guān)系。 R/L2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)43第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器小，腔易調(diào)整，激光器穩(wěn)定性好，衍射損耗小，小，腔易調(diào)整，激光器穩(wěn)定性好，衍射損耗小，輸

35、出功率小，發(fā)散角大；輸出功率小，發(fā)散角大；大，腔難調(diào)整，衍射損耗大，輸出功率大，發(fā)散大，腔難調(diào)整，衍射損耗大，輸出功率大，發(fā)散角減小。角減小。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)44第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器所以，需要綜合考慮選取參數(shù)所以，需要綜合考慮選取參數(shù)。腔長(zhǎng)。腔長(zhǎng)L短激光短激光器，選大器，選大，保證較大功率；腔長(zhǎng)，保證較大功率；腔長(zhǎng)L長(zhǎng)激光器選長(zhǎng)激光器選小小，保證腔的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，保證腔的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，=1-3.5。 R=L2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)45第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器3.毛細(xì)管直徑毛細(xì)管直徑D：根據(jù)腔長(zhǎng)：根據(jù)腔長(zhǎng)L、R和和計(jì)算凹面鏡上光斑計(jì)

36、算凹面鏡上光斑 半徑半徑凹凹，由，由凹凹確定毛確定毛 細(xì)管直徑細(xì)管直徑D。由凹=0.3D 和凹= R=L 得 D= 計(jì)算菲涅爾數(shù)N N= 41221LRLR2121109. 0L212136. 014LD2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)46第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器=2時(shí)，N值最小，N=1.76，衍射損耗最大。表明D太小，衍射損耗過(guò)大，應(yīng)略增大管徑。但N也不宜過(guò)大，否則腔內(nèi)就不能控制光斑尺寸和發(fā)散角較大的高階模。N最大允許值為15。1.76N152022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)47第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器4. 確定放電電流和陰極尺寸：常選濺射率小的材料如Al、Mo等做

37、陰極。最佳放電電流：I=19（D-1） (mA) 抑制3.39um I=3.5+1.5D2 （mA）不抑制3.39um放電電流密度：J0.1mA/cm2 陰極面積SI/J5.總氣壓與氣壓比2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)48第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器對(duì)腔長(zhǎng)為對(duì)腔長(zhǎng)為250一一500mm的器件的器件(pD)opt4.79 x 102 Pamm,將將D代入得總氣壓代入得總氣壓P，查下圖得氣壓比。，查下圖得氣壓比。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)49第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器6. 輸出鏡最佳透過(guò)率：輸出鏡最佳透過(guò)率： 02optTG l為單程損耗。為單程損耗。包括反射鏡損耗

38、包括反射鏡損耗m和放電管衍射和放電管衍射損耗損耗00或或01，通常通常m0.6%，衍，衍射損耗射損耗由下圖由下圖可得?？傻?。 G0=3X10-4/D = m+ 0 0或或 = m+ 0 1 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)50第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器7. 估算輸出功率：最后將前面設(shè)計(jì)所確定的值代入估算輸出功率：最后將前面設(shè)計(jì)所確定的值代入式式 (1.2.6)算出輸出功率值。（多縱?；鶛M模）算出輸出功率值。（多縱?；鶛M模） 例：設(shè)計(jì)輸出例：設(shè)計(jì)輸出TEM00模，功率模，功率5mw，He-Ne激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)。參數(shù)。 根據(jù)根據(jù)20mw/m功率水平，功率水平，放電長(zhǎng)度放電長(zhǎng)度2

39、50mm,選擇鏡選擇鏡子距離電極子距離電極30mm， 得出得出腔腔長(zhǎng)長(zhǎng)L值：值：L=60+250=310mm 021WSG lPATKIT2 3060Lmmmm 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)51第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器腔長(zhǎng)短，選大腔長(zhǎng)短，選大=3.2，定出，定出凹鏡曲率半徑凹鏡曲率半徑R：R=3.2310mm1000mm 凹面反射鏡上的光斑半徑凹面反射鏡上的光斑半徑凹凹為：為：凹凹= 由由凹凹/D=0.3，求得放電，求得放電毛細(xì)管直徑毛細(xì)管直徑D為：為： D=3.3凹凹=1.22mm考慮放電毛細(xì)管不均直影響，考慮放電毛細(xì)管不均直影響，D值取為值取為1.3mm。計(jì)算菲涅爾數(shù)計(jì)算

40、菲涅爾數(shù)N： 112420.37LRmmRL2241.3244 6.328 10310DNL2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)52第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器從平凹腔從平凹腔TEM00模與菲涅爾數(shù)關(guān)系曲線可得基模衍射模與菲涅爾數(shù)關(guān)系曲線可得基模衍射損失損失000.3%腔內(nèi)總的光學(xué)損失：腔內(nèi)總的光學(xué)損失：=00+m m:包括全反鏡透過(guò)率、反射鏡散射和吸收損失，取包括全反鏡透過(guò)率、反射鏡散射和吸收損失，取m=0.6%由由 式中式中G0=3.010-4/D 最佳透過(guò)率最佳透過(guò)率 Topt2.8%02optTG l2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)53第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器激光器

41、輸出功率激光器輸出功率 (mw)達(dá)到設(shè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求計(jì)要求 A：光束有效面積，：光束有效面積，式中，式中，K為比例系數(shù)；為比例系數(shù)；Is為飽和光強(qiáng)；為飽和光強(qiáng)；對(duì)于對(duì)于0.6328um波長(zhǎng)紅光，波長(zhǎng)紅光，KIS=303（W/cm2）G0：小信號(hào)增益系數(shù)；：小信號(hào)增益系數(shù)；：除透過(guò)率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。：除透過(guò)率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。l：有效放電長(zhǎng)度。：有效放電長(zhǎng)度。 0216.4WSG lPATKIT2152DA2022-6-30激光器件原理與設(shè)計(jì)54第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器思考題：1.He-Ne激光器工作原理和激勵(lì)過(guò)程？2.He-Ne激光器工作特性與輸出功率關(guān)系？3. He-Ne激光器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)？