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1第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器 引言引言:首臺氦氖激光器誕生于首臺氦氖激光器誕生于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)一萬小時以上。萬小時以上。 優(yōu)點：優(yōu)點： (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) 可見光輸出。可見光輸出。適用于：精密測量、檢測、準(zhǔn)直、導(dǎo)向、水中照明、信息適用于：精密測量、檢測、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)能級特點激光器工作物質(zhì)能級特點 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，用來提高是輔助氣體，用來提高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4第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器He原子有兩個外層電子。原子有兩個外層電子?；鶓B(tài)時，電子處于最低能基態(tài)時，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,一個電子躍遷到一個電子躍遷到高能態(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原子的壽命能級原子的壽命(10-8s)要長，要長，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)上能級積累粒子提子激發(fā)上能級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5第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器HeHe和和NeNe能級圖能級圖 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，其中最強的譜線譜線，其中最強的譜線有三條，即有三條，即0.6328m0.6328m、3.39m3.39m和和1.15m1.15m，對，對應(yīng)躍遷能級分別為應(yīng)躍遷能級分別為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?？?。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，可把能量交給管壁，撞時，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。自己回到基態(tài)。 從能級圖可見，從能級圖可見，HeNe激光激光器是典型的四能級系統(tǒng)。器是典型的四能級系統(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)機理激光器的激發(fā)機理 He-Ne激光器主要采用直流輝光放電激勵，也有用射激光器主要采用直流輝光放電激勵，也有用射頻和高頻放電激勵。其增益區(qū)在正柱區(qū)，頻和高頻放電激勵。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)，通過共振轉(zhuǎn)移使原子的激發(fā)，通過共振轉(zhuǎn)移使Ne原子在原子在2S、3S和和2P、3P能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。目的：實現(xiàn)激光上能級粒子積累和下能級粒子排空。目的：實現(xiàn)激光上能級粒子積累和下能級粒子排空。1激光上能級的激發(fā)：激光上能級的激

7、發(fā)：實現(xiàn)激光上能級粒子積累實現(xiàn)激光上能級粒子積累（1）電子直接碰撞激發(fā)：不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。）電子直接碰撞激發(fā)：不能實現(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，電子碰撞截面大，有利于選擇激發(fā)射壽命較長，電子碰撞截面大，有利于選擇激發(fā)Ne到（到（2S、3S）能級。）能級。He對對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）對He共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)依賴最大。可以認(rèn)共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)依賴最大。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10第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（3）串級激發(fā)）串級激發(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，高能級原子使其躍遷到較高能級，高能級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，能級，自己又回到較低能級過程。與前述兩過程相比，此自己又回到較低能級過程。與前述兩過程相比，此過程貢獻(xiàn)最小過程貢獻(xiàn)最小 。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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過程。過程。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12第二章第二

10、章 氦氖激光器氦氖激光器2. 激光下能級的激發(fā)和弛豫：主要是電子直接碰撞激發(fā)激光下能級的激發(fā)和弛豫：主要是電子直接碰撞激發(fā) Ne（2P，3P）上的粒子主要通過自發(fā)輻射向）上的粒子主要通過自發(fā)輻射向Ne（1S）能級弛豫，且速率較快。要保證激光器粒子）能級弛豫，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）能級粒子，有）能級粒子，有效方法是靠它們擴散到管壁，釋放激發(fā)能后弛豫到效方法是靠它們擴散到管壁，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13第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器對一種氣體而言，存在一個最佳電子溫度，這時的電子平均能量對一種氣體而言，存在一個最佳電子溫度，這時的電子平均能量最有利于最有利于激光上能級粒子積累和下能級粒子排空。激光上能級粒子積累和下能級粒子排空。pD值過大，電子溫度過低，不易將值過大，電子溫度過低，不易將He原子激發(fā)到上能級；原子激發(fā)到上能級；pD值過小，激光物質(zhì)少，模體積小，衍射損耗大，電流密度

12、過高，值過小，激光物質(zhì)少，模體積小，衍射損耗大，電流密度過高，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。對對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)。對于不同成分的氣體相同的對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)光強增加的百分比。二、增益：光在單位距離內(nèi)光強增加的百分比。 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、密度增強的過程中，強的過程中，激光上能級激光上能級的粒的粒子最初呈線性增長。隨著電子子最初呈線性增長。隨著電子碰撞消激發(fā)加劇，粒子增長速碰撞消激發(fā)加劇，粒子增長速度減緩，最后達(dá)到飽和狀態(tài)。度減緩，最后達(dá)到飽和狀態(tài)。而而激光下能級激光下能級的粒子在此過程的粒子在此過程中始終保持著線性增長的關(guān)系，中始終保持著線性增長的關(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 存在一個最佳值存在一個最佳值2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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、下能級粒子密度與能級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：氣壓過低，上能級粒子數(shù)減少，最佳總氣壓：氣壓過低，上能級粒子數(shù)減少，增益小。氣壓過高，電子與原子碰撞增多，電增益小。氣壓過高，電子與原子碰撞增多，電子平均能量下降，上能級粒子數(shù)減少，增益小。子平均能量下降，上能級粒子數(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不易擴散到管壁碰撞弛豫，子在氣壓較大時不易擴散到管壁碰撞弛豫，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）單縱模基橫模）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輸出鏡透過率。輸出鏡透過率。I+沿光軸方向傳播光強。沿光軸方向傳播光強。2152WDPTIATI2152DA2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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?；鶛M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；為飽和光強；對于對于0.6328um0.6328um波長紅光，波長紅光，KIKIS S=30=3

19、03 3（W/cm2W/cm2）G G0 0：小信號增益系數(shù)；：小信號增益系數(shù)；：除透過率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。：除透過率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。l l：有效放電長度。：有效放電長度。He-NeHe-Ne激光器多為多縱?；鶛M模光束，只有當(dāng)腔長足激光器多為多縱?；鶛M模光束，只有當(dāng)腔長足夠短，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，才能輸出單縱模基橫模光束。出單縱?；鶛M模光束。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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，即放電管長度越長，激光介質(zhì)區(qū)越長，長度越長，激光介質(zhì)區(qū)越長，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，電子密度過大，增益飽和，功率降低。電子密度過大，增益飽和，功率降低。021WSG lPATKIT2022-6-30激光器件原理與設(shè)計22第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器D應(yīng)取一個恰當(dāng)?shù)闹?，電流與管徑經(jīng)驗公式：應(yīng)取一個恰當(dāng)?shù)闹担娏髋c管徑經(jīng)驗

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(后簡稱氣壓比后簡稱氣壓比)；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?？倸鈮骸７烹姽苤睆皆诜烹姽苤睆皆?15mm，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，大時，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26第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器氣壓比對輸出功率主要從電子溫度和激光物質(zhì)氣壓比對輸出功率主要從電子溫度和激光物質(zhì)的密度兩方面來產(chǎn)生影響。選擇合理的氣壓比，的密度兩方面來產(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)會因帶電粒子復(fù)合減少。軸向，管內(nèi)會因帶電粒子復(fù)合減少。軸向電場減小，電子溫度減低。此時，管內(nèi)只有降電場減小，電子溫度減低。此時，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)，從而改變增益輸出從而改變增益輸出功率。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：透過率輸出鏡與輸出功率：透過率T有一最佳值。有一最佳值。諧振腔有兩種損耗：有用損耗和無用損耗。諧振腔有兩

25、種損耗：有用損耗和無用損耗。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。無用損耗：激光器諧振腔反射鏡的吸收、散無用損耗：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來補償。來補償。02optTG l式中式中為無用損耗為無用損耗。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計29第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器透過率過大，諧振透過率過大，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。透過率小，諧振腔透過率小，諧振腔損耗小腔內(nèi)激光振

26、損耗小腔內(nèi)激光振蕩強，輸出比例小，蕩強，輸出比例小，效率低。效率低。最佳透過率曲線附最佳透過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：激光性能檢驗的重要指標(biāo)。功率穩(wěn)輸出功率穩(wěn)定性：激光性能檢驗的重要指標(biāo)。功率穩(wěn)定度定度S表示。一段時間內(nèi)輸出功率變化的百分?jǐn)?shù)。表示。一段時間內(nèi)輸出功率變化的百分?jǐn)?shù)。 是一段時間內(nèi)輸出功率平均值；是一段時間內(nèi)輸出功率平均值； 是這段時間內(nèi)是這段時間內(nèi)功率波動值。功率波動值。影響因素：影響因素：（1）放電電流波動：電網(wǎng)電壓波動，放電參數(shù)變化）放

27、電電流波動：電網(wǎng)電壓波動，放電參數(shù)變化 WWPPSWPWP2022-6-30激光器件原理與設(shè)計31第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（2）工作頻率波動：）工作頻率波動：PWG，G1/3。溫度變化會。溫度變化會 引起腔長變化，導(dǎo)致頻率變化。引起腔長變化，導(dǎo)致頻率變化。（3）腔損耗波動：環(huán)境氣流的影響；外界機械沖擊；放）腔損耗波動：環(huán)境氣流的影響；外界機械沖擊；放電管發(fā)熱而變形、伸長或縮短導(dǎo)致腔內(nèi)損耗改變，電管發(fā)熱而變形、伸長或縮短導(dǎo)致腔內(nèi)損耗改變，輸出功率波動。輸出功率波動。 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、電流反饋的方法來減小輸出功率的波動。方法來減小輸出功率的波動。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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：反射鏡對所需激

29、光譜線高反）選擇性諧振腔：反射鏡對所需激光譜線高反 射，對其它譜線低反射、高吸收。適合短射，對其它譜線低反射、高吸收。適合短 腔長。腔長。 （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34第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器（3）腔內(nèi)吸收：對不需激光譜線吸收，所需激光譜線透）腔內(nèi)吸收：對不需激光

30、譜線吸收，所需激光譜線透 明元件。如甲烷對明元件。如甲烷對3.39m吸收，對吸收，對0.6328m透透明。明。（4）加非均勻磁場：降低介質(zhì)對譜線增益來實現(xiàn)抑制。）加非均勻磁場：降低介質(zhì)對譜線增益來實現(xiàn)抑制。腔長要長。腔長要長。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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)計構(gòu)與設(shè)計一、一、He-Ne激光器結(jié)構(gòu)：激光器結(jié)構(gòu)：由毛細(xì)管、儲氣由毛細(xì)管、儲氣管、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：使用方便，不用調(diào)腔。缺點：放電發(fā)熱或外界沖擊發(fā)生形變導(dǎo)致諧振腔失調(diào) 時無法校正。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。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，可用外腔式隨時調(diào)整反射鏡的位置到最佳振蕩條件開展多種研究與應(yīng)用。n適于作長管結(jié)構(gòu)。n缺點是腔易變動，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。兼有前兩者的優(yōu)點，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：陰極濺射不致污染鏡片，器件壽命增長。缺點：體積較大，不易攜帶。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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，抑制較強譜線的輸出，適于較長激光器中采用。 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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：基本要求：輸出功率激光器設(shè)計：基本要求：輸出功率PW和模式和模式 1. 毛細(xì)管長度毛細(xì)管長度l和諧振腔長度和諧振腔長度L：輸出功率：輸出功率PWG，Gl （包含長度增加概念）。（包含長度增加概念）。毛細(xì)管長度毛細(xì)管長度l=PW/P0 式中式中 P0為單位長度的功率值，常為單位長度的功率值，常為經(jīng)驗值。對為經(jīng)驗值。對0.6328m激光，激光，P0=20mW/m。諧振腔長度諧振腔長度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)管的兩端各加長電毛細(xì)管的兩端各加長l3540mm，l為

34、工藝長為工藝長度。度。2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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。腔長L短激光短激光器，選大器，選大，保證較大功率；腔長，保證較大功率；腔長L長激光器選長激光器選小小，保證腔的穩(wěn)定性。一般來說，保證腔的穩(wěn)定性。一般來說，=1-3.5。 R=L2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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：根據(jù)腔長L、R和和計算凹面鏡上光斑計

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= 計算菲涅爾數(shù)N N= 41221LRLR2121109. 0L212136. 014LD2022-6-30激光器件原理與設(shè)計46第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器=2時，N值最小，N=1.76，衍射損耗最大。表明D太小，衍射損耗過大，應(yīng)略增大管徑。但N也不宜過大，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48第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器對腔長為對腔長為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. 輸出鏡最佳透過率：輸出鏡最佳透過率： 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?？傻谩?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)計所確定的值代入估算輸出功率：最后將前面設(shè)計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)計輸出例：設(shè)計輸出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，放電長度放電長度2

39、50mm,選擇鏡選擇鏡子距離電極子距離電極30mm， 得出得出腔腔長長L值：值：L=60+250=310mm 021WSG lPATKIT2 3060Lmmmm 2022-6-30激光器件原理與設(shè)計51第二章第二章 氦氖激光器氦氖激光器腔長短，選大腔長短，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。計算菲涅爾數(shù)計算

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:包括全反鏡透過率、反射鏡散射和吸收損失，取包括全反鏡透過率、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 最佳透過率最佳透過率 Topt2.8%02optTG l2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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)計要求計要求 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；為飽和光強；對于對于0.6328um波長紅光，波長紅光，KIS=303（W/cm2）G0：小信號增益系數(shù)；：小信號增益系數(shù)；：除透過率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。：除透過率損耗外的其它光學(xué)損耗之和。l：有效放電長度。：有效放電長度。 0216.4WSG lPATKIT2152DA2022-6-30激光器件原理與設(shè)計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過程？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？