單模非均勻加寬氦氖激光器

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1、- 專業(yè)： [10應(yīng)用物理] 學(xué)生**： [***] 學(xué) 號：******** [單模非均勻加寬氦氖激光器] 激光原理論文 . z - 單模非均勻加寬氦氖激光器 ：*** 專業(yè)：應(yīng)用物理 **：******* 【摘要】本文從激光的起源開場介紹，討論了受激輻射理論，激光器的產(chǎn)生和開展過程。又分別討論了氦氖激光器，實現(xiàn)單模的方法，以及非均勻加寬產(chǎn)生的機理。最后討論了單模非均勻加寬氦氖激光器。探討了單

2、模非均勻加寬氦氖激光器的性能。 【關(guān)鍵字】 受激輻射 氦氖激光器 非均勻加寬 單模 單模非均勻加寬氦氖激光器 1、激光的起源 “激光〞一詞是“LASER〞的意譯。在我國曾被翻譯成“萊塞〞、“光激射器〞、“光受激輻射放大器〞等。1964年，錢學(xué)森院士提議取名為“激光〞，既反映了“受激輻射〞的科學(xué)涵，又說明它是一種很強烈的源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科學(xué)界的一致認(rèn)同并沿用。 1917年，愛因斯坦在玻爾的原理構(gòu)造根底上，提出了受激輻射理論，為激光的出現(xiàn)奠定了理論的根底； 1947年，Lamb和Reherford在氫原子光譜中發(fā)現(xiàn)了明顯的受激輻射，這是受激輻射第一次

3、被實驗驗證。 1960年5月，休斯實驗室的梅曼和Lamb共同研制的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認(rèn)的世界上第一臺激光器。1960年這種源一一激光器誕生時，猶如一聲春雷震動了世界各國的科學(xué)領(lǐng)域，并很快走出實驗室而獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，激光已進入世界各國科學(xué)技術(shù)的最前列，滲透到國民經(jīng)濟各部門，參與了日常生活的各方面。 激光產(chǎn)生的機理 1916年愛因斯坦首次提出受激發(fā)射理論的論文——?關(guān)于輻射的量子理論?愛因斯坦在論文中提出根本假設(shè):分子可以處于一系列互不連續(xù)狀態(tài)這些狀態(tài)對應(yīng)的能量如果分子是溫度為T的氣體，那末單位時間出現(xiàn)狀態(tài)的次數(shù)

4、可由統(tǒng)計力學(xué)關(guān)于正則狀態(tài)分布的公式得出。式中表示這個狀態(tài)的統(tǒng)計“權(quán)重〞。其次愛因斯坦又提出以下假設(shè): 1)自發(fā)發(fā)射。一個分子可以從狀態(tài)躍遷到較低狀態(tài)發(fā)出頻率為ν的輻射能而不用外界因素激發(fā)。這種躍遷在時間間隔dt發(fā)生的幾率為 (1) 2)受激吸收和受激發(fā)射。在具有頻率ν的單色輻射能密度作用下，一個分子可以從狀態(tài)躍遷到。在這過程中分子吸收能量dt時間發(fā)生的幾率為 (2) 在同一輻射能作用下，分子從狀態(tài)躍遷到也同樣是可能的。在這過程中，分子的能量被釋放出來。根據(jù)幾率定律 〔3〕 在每一單位時間(2)類基元過程的平均發(fā)生次數(shù)應(yīng)該等于(1)和(3)兩類次數(shù)之和。因此，

5、(5) 移項得 (6) 〔7〕 便可得出普朗克公式。公式(7)表示受激吸收、受激發(fā)射和自發(fā)發(fā)射系數(shù)的關(guān)系。 2、激光器的誕生和開展 1960年7月，在美國加利福尼亞州休斯飛機公司研究實驗室工作的科孚家梅填漢斯，首一先創(chuàng)造了歷史上第一合激光器~紅寶石(Ruby)固體脈沖激光器。他用了一塊邊一長約1厘米的人造紅寶石，把它相對的兩面鍍上銀。當(dāng)晶體放在一架閃光燈(燈光被長為5500埃)下照射時，使能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，晶體便產(chǎn)生了一種波長為6943埃的脈沖輻射。這是一種恰好在可見光的深紅色激光。 3、氦氖激光器 氦一氖激光

6、器是具有連續(xù)輸出特性的氣體激光器，盡管它的輸出功率不大(一般為毫瓦級，最大的也只有近百毫瓦)，但由于它的構(gòu)造簡單、操作方便、造價低廉，并且輸出可見激光—紅光。因此它在精細(xì)測量、準(zhǔn)直、導(dǎo)向和全息照相等方面得到廣泛的應(yīng)用。 He-Ne激光器的激活介質(zhì)是Ne原子，He的作用是起輔助泵浦作用，因為He的*些亞穩(wěn)能級與Ne的能級共振，可以極為有效地以共振能量轉(zhuǎn)移來抽運Ne的*些能級以賣現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).由于技術(shù)的成熟，Hc一Ne激光的輸出譜線和輸出功率都有了很大的改良。目前He-Ne激光器可以輸出從可見到紅外許多條譜線，功率也從零點幾毫瓦提高到幾百毫瓦.He-Ne激光器的光束質(zhì)量在迄今所有激光器中名列榜首

7、，被認(rèn)為是當(dāng)今頻率最穩(wěn)定，單色性，相干性最好的激光器。 圖3是氦原子和氖原子的能級圖。氖原子的受激躍遷產(chǎn)生激光，不同能級的受激躍遷產(chǎn)生不同波長的激光，主要的有6328埃、1.15微米和3.39微米我們已經(jīng)知道，在正常情況下，一個原子(或分子)體系中絕大局部的原子處于能量最低的基態(tài)，只有少數(shù)原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)。而且，能級的能量愈大，處于這個能級上的粒子數(shù)也愈少。但當(dāng)外界以一定方式將處于基態(tài)的粒子抽運至上能級，并形成上能級的粒子數(shù)N2大于下能級的粒子數(shù)N1時，這體系就具有光放大的條件了。 下面我們就6328埃激光的產(chǎn)生過程來闡述氦一氖激光器的工作原理。 在的受激躍遷中，

8、上能級是下能級是在通常情況下，3S的粒子數(shù)N2少于2P的粒子數(shù)N1，但由于處于3S態(tài)的氖原子的壽命(秒)比處于2P態(tài)的壽命(秒)長，這就有利于上能級積累粒子而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這是氖原子能夠發(fā)射激光的在原因。但還必須改變正常的粒子數(shù)分布，使 較多的粒子從基態(tài)“抽運〞到上能級3S上去，而不增加2P上的粒子數(shù)，氦一氖激光器中的氦正是起了這樣的作用。 氦有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級和它們的壽命分別為。在氣體放電管中，在電場中加速而獲得一定動能的電子與氦原子碰撞，并將氦原子激發(fā)至或。這兩能級的長壽命使它容易積累粒子，因而在放電管中這兩個能級上的氦原子數(shù)是比擬多的，這些氦原子的能量又分別與處于3S和2P狀態(tài)的氖原

9、子的能量相近，當(dāng)處于狀態(tài)的氦原子與處于基態(tài)的氖原子碰撞時，氦原子的這局部能量很容易轉(zhuǎn)移給氖原子，從而使基態(tài)的氖原子躍遷至3S能級，通常稱這類碰撞為共振碰撞。在氦一氖管中，這是將氖原子從基態(tài)抽運至3S能級的主要過程，這一過程可用下式表示: 式中，e**為具有一定動能的電子，e*是喪失了一些動能的電子。在放電管中，上式的過程是不斷進展的，以補給上能級粒子數(shù)的消耗。但僅僅這一過程還缺乏以維持連續(xù)振蕩，因為在受激躍遷而發(fā)射出6328埃激光的同時，將使2P能級上的粒子數(shù)增多而破壞反轉(zhuǎn)條件，此外，也會造成基態(tài)粒子數(shù)的減少而影響抽運。對氖原子來說，2P向1S躍遷的幾率很大，并輻射出紅橙色的光，困難的是1S

10、向基態(tài)躍遷的幾率很小，因而不利于下能級“抽空〞。不僅如此，由于它的長壽命，容易與帶有一定動能的電子碰撞，而又回到2P能級上去，這更有損于反轉(zhuǎn)。 在氦一氖管中，1S能級的抽空主要是通過1S態(tài)的粒子與管壁碰撞后又回到基態(tài)來完成的。因此氦一氖激光器的放電管直徑不能太大。對6328久的激光輸出來說，增益隨放電管直徑的減小而增加。下式表示2P能級的抽空過程: He-Ne激光器的輸出功率 〔1〕He-Ne激光器的增益系數(shù)： 以非均勻加寬為主的線型其增益飽和特性由下式描寫 式中 為按線型函數(shù) 分布的小信號增益系數(shù)，增益飽和的行為表現(xiàn)為當(dāng)頻率為ν 的光與介質(zhì)發(fā)生相互作用時，只有頻率在ν 附近的一小

11、局部粒子對飽和效應(yīng)由奉獻(xiàn)，使局部頻率處的增益下降，在小信號增益系數(shù)按頻率分布的曲線上形成局部的凹陷，通常叫做燒孔效應(yīng)。燒孔的寬度由均勻增寬決定, 燒孔的深度由光強 決定。當(dāng)光強等于飽和光強時, 增益系數(shù)只下降到小信號增益系數(shù)的70% ，比均勻增寬譜線的增益飽和下降的慢。 氖的6328埃譜線，其自然寬度約為10MHZ，放電管總氣壓為250Pa 時碰撞增寬約為 1MHZ ,在室溫下多譜勒增寬約為 1.5MHZ，由此可見其線型特征以非均勻增寬為主。 He-Ne激光器中，包括以下?lián)p耗： 1諧振腔反射鏡的吸收和散射損耗。 2全發(fā)射鏡的透射損耗。 3腔光學(xué)元件〔入射布儒斯特窗片〕

12、帶來的附加損耗。 4光通過毛細(xì)管后的衍射損耗。 5諧振腔調(diào)整得不好造成的損耗。 做近似代換后得到 將此式帶入到增益系數(shù)公式，就可以在ac和T的情況下求出。于是輸出功率也就確定了。 4、單模的產(chǎn)生 ①激光器模式的形成 激光器由增益介質(zhì)、諧振腔、鼓勵能源三個根本局部組成。如果用*種鼓勵的方式，使介質(zhì)的*一對能級間形成的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于自發(fā)輻射的作用，將有一定頻率的光波產(chǎn)生，并在諧振腔傳播，被增益介質(zhì)增強、放大。形成持續(xù)振蕩的條件是：光在諧振腔往返一周的光程差為波長的整數(shù)倍，即滿足此條件的光將獲得極大的增強。 每一個q對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布λq，叫一個縱模，q稱為

13、縱模序數(shù)?？v模的頻率為相鄰兩個縱模的頻率間隔為 對激光諧振腔的模式進展選擇。模式選擇技術(shù)可分為兩大類:一類是橫模選擇技術(shù)，它能從振蕩模式中選出基橫模并抑制其他高階模振蕩，基模衍射損耗最小，能量集中在腔軸附近基模的光強分布圖案呈圓形且分布圍很小，其光束發(fā)散角最小，功率密度最大，因此亮度也最高，而且這種模的徑向強度分布是均勻的。使光束發(fā)散角得到壓縮，從而改善其方向性另一類是縱模選擇技術(shù)，它能限制多縱模中的振蕩頻率數(shù)目，選出單縱模振蕩，從而改善激光的單色性。 橫模選擇方法可分為兩類 一類是改變諧振腔的構(gòu)造和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差異，提高諧振腔的選模性能;另一類是在一

14、定的諧振腔插入附加的選模元件來提高選模性能。氣體激光器大都采用前類方法，常在設(shè)計諧振腔時，適中選擇腔的類型和腔 參數(shù)g,N值，以實現(xiàn)基模輸出。 縱模選擇的根本思想:激光器中*一個縱模能否起振和維待振蕩主要取決于這一個縱模的增益與損耗值的相對大小，因此，控制這兩個參數(shù)之一，使諧振腔中可能存在的縱模中只有一個滿足振蕩的條件，則激光器即可以實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)。對于同一個橫模的不同縱模而言，其損耗是一樣的，但是不同縱模間卻存在著增益差異，因此，利用不同縱模之間的增益差異，在腔引入一定的選擇性損耗(如插入標(biāo)準(zhǔn)具)，使欲選的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗較大，即增大各縱模間凈增益差異，只有中

15、心頻率附近的少數(shù)增益大的縱模建立起振蕩。這樣在激光形成的過程中，通過多縱模間的模式競爭機制，最終形成并得到放大的是增益最大的中心頻率所對應(yīng)的單縱模。 當(dāng)光經(jīng)過放電毛細(xì)管時，每反應(yīng)一次就相當(dāng)于一次衍射，屢次反復(fù)衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個或多個穩(wěn)定的衍射光斑。每一個衍射光斑對應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場分布，稱為一個橫模。模式指激光器能夠發(fā)生穩(wěn)定光振蕩的形式，每一個膜，既是縱模，又是橫模，縱模描述了激光器輸出分立頻率的個數(shù)，橫模描述了垂直于激光傳播方向的平面光場的分布情況。激光的線寬和相干長度由縱模決定，光束的發(fā)散角、光斑的直徑和能量的橫向分布由橫模決定。，一個膜由三個量子數(shù)表示，通常記作TE

16、Mmnq。理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個模式。 〔2〕單模激光器的輸出功率： 激光穩(wěn)定后，其飽和增益系數(shù)應(yīng)等于總損耗系數(shù)，即 a為除反射鏡損耗外其他的總損耗系數(shù)，；l為放電管長度，R1R2為兩反射鏡的反射率。 一般情況下，He-Ne激光器的一端為全反射，另一端為局部反射，設(shè)透過率為T，忽略反射鏡的吸收和散射損耗時，R2＝1-T。由于He-Ne激光器的T和a都很小，故有 ac是除透射損耗外，光在諧振腔往返一次的總損耗百分?jǐn)?shù)。 5、非均勻加寬激光 自發(fā)輻射并不是單色的，而是分布在中心頻率附近一個很小的頻率圍。這就叫譜線的輻射功率不再集中在頻率上，而應(yīng)

17、表T為頻率的函數(shù)如下圖。為了區(qū)別變數(shù)和輻射的中心頻率，令，并以P(v)描述自發(fā)輻射總功率P按頻率的分布，即在總功率P中，分布在，。圍的功率 為,數(shù)學(xué)表示為 在速率方程理論中，重要的是P(v)的函數(shù)形式。因此引人譜線的線型兩數(shù)它定義為 線性函數(shù)在時有最大值，并在下降至最大值的半，即 按上式定義的，稱為譜線寬度。 非均勻加寬的特點是，原子體系中每個原子只對譜線與它的表觀中心頻率相應(yīng)的局部有奉獻(xiàn)，因而可以區(qū)分譜線上的*一頻率圍是由哪局部原子發(fā)射的.，氣體工作物質(zhì)中的多普勒加寬和固體工作物質(zhì)中的晶格缺陷加寬均屬非均勻加寬類型。 1、多普勒(Doppler)加寬是由子作熱運動的發(fā)光

18、原了(分了)所發(fā)出的輻射的多普勒瀕移引起的。設(shè)一發(fā)光原子(光源)的中心頻率為當(dāng)原子相對于接收器靜止時，接收器測得光波瀕率也為，但當(dāng)原子相對于接收器以，速度運動時，接收器測得的光波頻率不再是，而是這就是光學(xué)多普勒效應(yīng)。當(dāng)可取一級近似式中規(guī)定當(dāng)原子朝著接收器運動(或沿光傳播方向運功)時>0,當(dāng)原子離開接收器 (或反光波傳播方向)運動時<0。 在激光器中，我們討論的問題是原子和光波場的相互作用，中心頻率為的運動原子和沿二軸傳播的頻率為的單色光相互作用。我們可以把單色光波看作是由*一假想光源發(fā)出的，而把原子看作是感受這個光波的接收器。當(dāng)原子靜止時，它感受到的光波頻率為并在處有最大的共振相互

19、作用(最大的受激躍遷兒率)。這就意味著，原子的中心頻率為。當(dāng)原子沿著z方向以。運動時，就相當(dāng)于它離開假想光源運動，于是原子感受到的光波頻率變?yōu)? 這時，只有當(dāng)時才有最大的相互作用，即當(dāng) 或 時，才有最大相互作用。這就意味著，當(dāng)運動原子與光相互作用時，原子表現(xiàn)出來的中心頻率變?yōu)橹挥挟?dāng)光波頻率時才有最大相互作用。 2晶格缺陷加寬 在固體工作物質(zhì)中，不存在多普勒加寬，但卻有一系列引起非均勻加寬的其他物理因素。其中最主要的是晶格缺陷的影響(如位錯、空位等晶休不均勻性)。在晶格缺陷部位的晶格場將和無缺陷部位的理想晶格場不同，因而處于缺陷部位的激活離子的能級將發(fā)生位移，這就導(dǎo)致處于晶體不

20、同部位的激活離子的發(fā)光中心頻率不同，即產(chǎn)牛非均勻加寬。這種加寬在均勻性差的晶體中表現(xiàn)得最為突出。在玻璃作為基質(zhì)的欽玻璃或餌玻璃等激光介質(zhì)中，由于玻璃構(gòu)造的無序性，各個激活離子處于不等價的配位場中，這也導(dǎo)致了與品格缺陷類似的非均勻加寬。固體工作物質(zhì)的非均勻加寬線型函數(shù)一般很難從理論上求得，只能由實驗測出它的譜線寬度。 3、綜合加寬 激光器中引起均勻加寬和非均勻加寬的物理因素往往是同時存在的。例如氣體激光器中，碰撞加寬與多普勒加寬同時存在;固體激光器中，由于晶格熱振動和晶格缺陷所引起的加寬也是同時存在的。我們稱由均勻加寬與非均勻加寬同時引起的光源譜線加寬為綜合加寬。 氦氖激光器: 自然

21、線寬 多普勒線寬 碰撞線寬。 p為放電管氣壓，單位為Pa。一般情況下，p=100Pa-400Pa，此時的數(shù)值遠(yuǎn)小于,因此，氦氖激光器常被視作是非均勻加寬。 單模非均勻加寬氦氖激光器 單模非均勻加寬氦氖激光器，為通過選模技術(shù)實現(xiàn)單模運轉(zhuǎn)，然后利用多普勒加寬產(chǎn)生非均勻加寬的氦氖激光器。激光器具有單模激光器、非均勻加寬激光器的優(yōu)點。 1、時間相干性 光源的時間相干性〔或稱縱向空間相干性)與單色性相聯(lián)系。由于單模激光器光源的譜線寬度很窄，故它的時間相千性比起普通光源來要好得多。 2、空間相干性

22、這里所講的空間相干性，主要是指橫向空間相干性，它與光源的方向性相聯(lián)系。對于普通光源來說，它所發(fā)出的光分屬眾多的模式，只有在一定圍空間中的光子才是相干的。對于激光來說，只有屬于同一個橫模模式的光子才是空間相干的，不屬于同一橫模模式的光子則是不相干的二因此，激光的空間相干性由激光器的橫模構(gòu)造所決定。如果激光器是單橫模，則它是完全空間相干的。單模非均勻加寬氦氖激光器是完全單橫模這說明激光的方向性越好，它的空間相干性程度很高。激光的相干性有很多重要應(yīng)用，如使用激光干預(yù)儀進展檢測，比普通干預(yù)儀速度快、精度高。用激光作為全息照像的光源，也是利用它的相干性能好的特點。 參考文獻(xiàn) [1] 周炳坤，高以智等.激光原理[M].：國防工業(yè)，2004. [2] 俞寬新，江鐵良等. 激光原理與激光技術(shù)[M].： 工業(yè)大學(xué)，1998. [3] 敬全.梅曼和世界上第一臺激光器[J].現(xiàn)代物理知識， 1994年01期 [4] 林武榮.激光開展的歷史回憶和評述[J].師學(xué)院學(xué)報，1991年第6期 [5] 藍(lán)鉅信等.激光原理[M]. 科學(xué) . z