1、氦氖氣體激光器,基本內(nèi)容 回顧：激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光器的基本知識 氦氖激光器的工作原理介紹,回顧：激光器的基本結(jié)構(gòu),所有激光器的基本組成都包括三大部分：,工作物質(zhì)： 激光器的核心 氦氖激光器的HeNe氣 Nd+3：YAG激光器中的Nd+3,諧振腔： 形成激光振蕩的必要條件，還對光束質(zhì)量起著約束作用 平平腔 平凹腔 穩(wěn)定腔 非穩(wěn)腔,泵浦系統(tǒng)：為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供外界能量 電激勵 光激勵 熱激勵 化學(xué)能激勵 核能激勵,一 氣體激光器的基本知識,氣體激光器的優(yōu)點： 1. 工作物質(zhì)均勻性好，輸出激光光束質(zhì)量好 2. 譜線寬，從遠紅外到紫外 3. 輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高（電光轉(zhuǎn)換） 4. 結(jié)構(gòu)簡單，成

2、本低,1.1 氣體放電基本原理 氣體放電粒子種類： 1）中性粒子 CO2, HeNe 2）帶電粒子 Ar+ 3）激發(fā)粒子 A 碰撞規(guī)律： 彈性碰撞 非彈性碰撞,1.2 激發(fā)與電離 e + A e + A （原子激發(fā)）,高速電子,基態(tài)原子,低速電子,激發(fā)態(tài)原子,e + A e + A+ + e （原子電離） 電子能量 激發(fā)能（電離能）,1.3 共振能量轉(zhuǎn)移 A* + B A + B* +/- e,亞穩(wěn)態(tài)原子,基態(tài)原子,1.4氣體放電的方式 圖：,圖中：D點以前，非自持放電 （D點為氣體放電的著火點） DE段： 輝光放電過渡區(qū) EF段： 正常輝光放電區(qū) FG段： 反常輝光放電區(qū) GH段： 弧光放電

3、過渡區(qū) （G點為弧光著火電壓點） H點以后： 穩(wěn)定弧光放電區(qū),2.1氦氖激光器的結(jié)構(gòu) 工作物質(zhì)： He-Ne氣體（He為輔助氣體），氣壓比為5：17：1 諧振腔： 一般用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過率約12，凹面鏡 為全反射鏡 泵浦系統(tǒng)： 一般采用放電激勵 激光管結(jié)構(gòu)： 按諧振腔與放電管的放置方式分為內(nèi)腔式 外腔式 半內(nèi)腔式 按陰極及貯氣室的位置不同分為 同軸式 旁軸式 單細(xì)管式,二 氦氖激光器,2.2 HeNe激光器的特點 典型譜線： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他譜線： 612nm 594nm 543nm 優(yōu)點：1. 光束質(zhì)量好 1mrad 2.單色質(zhì)量好，帶寬22Hz 3.

4、穩(wěn)定性高 功率穩(wěn)定（ 2） 頻率穩(wěn)定（ 510-15） 4.在可見光區(qū),HeNe激光器實例,電源和激光管封裝在一起,普通氦氖激光器,2.3 HeNe激光器的工作能級 典型的四能級系統(tǒng) 圖：,共振轉(zhuǎn)移： He原子的21S0和23S1態(tài)分別與Ne原子的3S2S態(tài)靠得很近 He + e He（21S0）+ e He + e He（23S1）+ e He（21S0）+ Ne He + Ne（3S2)+0.048ev He（23S1）+ Ne He + Ne（2S2)+0.039ev,電子碰撞激發(fā)：（與共振轉(zhuǎn)移相比，此過程的激發(fā)速率要小得多） e + Ne e + Ne（2S) e + Ne e + N

5、e（3S),串級躍遷：Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，此過程貢獻最小,復(fù)合激發(fā)： 先形成分子離子，再與電子碰撞獲得激發(fā)態(tài)Ne分子,2.4 HeNe激光器的最佳放電條件 2.4.1 求粒子反轉(zhuǎn)數(shù)nn3-n2 Ne（3S2）能級上粒子數(shù)密度n3,2.4.1,穩(wěn)態(tài)時，dn3/dt0，由上式有,同理，He（21S0）能級上的粒子數(shù)密度n4的速率方程為：,穩(wěn)態(tài)后，dn4/dt0，由2.4.3可得,2.4.2,2.4.3,2.4.4,n0：He基態(tài)（11S0）上的粒子數(shù)密度 n1：Ne基態(tài)（11S0）上的粒子數(shù)密度 n2：Ne（2P4）能級上的粒子數(shù)密度 n3：Ne（3S2）能級

6、上的粒子數(shù)密度 n4：He（21S0）能級上的粒子數(shù)密度 K: 轉(zhuǎn)移速率常數(shù) Ne（3S2）的粒子數(shù)馳豫到其他能級的馳豫時間 ne： 電子密度 S04： He基態(tài)（11S0）到He（21S0）的電子激發(fā)速率常數(shù) A：衰減幾率 S4: 消激發(fā)速率常數(shù) S02：電子激發(fā)速率常數(shù) A： 自發(fā)輻射幾率,將2.4.4式代入2.4.2式，有,同樣，Ne的2P4能級的粒子密度n2的速率方程為,穩(wěn)態(tài)后，dn2/dt0，得,因自發(fā)輻射幾率A很大，故上式可變?yōu)椋?2.4.5,2.4.6,2.4.7,2.4.8,根據(jù)2.4.5和2.4.8兩式，就可以分析粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n與放電條件的關(guān)系,2.4.2 n與放電電流的關(guān)系

7、在充氣壓和充氣比例一定的情況下，電子密度與放電電流i成正比，neKi，K為比例系數(shù)；而n0n1A 等均與放電電流無關(guān)，因此2.4.5和2.4.8式可表示為：,其中,粒子數(shù)密度與放電電流的關(guān)系圖,2.4.3 n與HeNe氣壓的關(guān)系 n2通常比n3小得多，因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)主要取決于n3 當(dāng)HeNe氣壓比一定時： 總氣壓較低，n0和n1減少，n3隨之減小 總氣壓很高時，n0n1可增加，但電子與原子碰撞次數(shù)增加，電子的動能減小，電子溫度降低，S04降低，導(dǎo)致n3下降 可見，存在一最佳總氣壓，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最高 當(dāng)總氣壓一定時： Ne氣含量過少，n1減少，使n3減少 Ne含量過多，因Ne比He易電離而導(dǎo)致電

8、子能量和溫度降低，使S04和n3減小 可見，He和Ne的氣壓比也存在最佳值,2.5 He-Ne激光器的輸出功率 1.1 He-Ne激光器的增益系數(shù) He-Ne激光器屬于以非均勻加寬為主但又不能忽略均勻加寬影響的綜合加寬線型，按照綜合加寬的情況計算其輸出功率。 Ne原子在 到 +d 范圍內(nèi)的小信號反轉(zhuǎn)粒子密度按多普勒非均勻展寬公式為 式中 為原子的總反轉(zhuǎn)粒子密度， 為Ne原子輻射的中心頻率， 為非均勻展寬線型函數(shù)，表示式為 為多普勒線寬，T為絕對溫度，M為原子量， 為中心頻率。,這部分粒子發(fā)射中心頻率為 ，線寬為 的均勻加寬譜線。若有頻率為 ，強度為 的強光入射，則這部分粒子對增益的貢獻為 B2

9、1為受激輻射系數(shù)，c為光速，h為普朗克常數(shù)。 總增益為全部粒子對頻率 的光的增益貢獻之和，將上式積分整理后得到,用復(fù)變誤差函數(shù)定義 表示，綜合加寬大信號增益系數(shù)表示為,1.2 輸出功率公式 1.2.1 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，另一端為部分反射，設(shè)透過率為T，忽略反射鏡的吸收和散射損耗時，R21-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，光在諧振腔內(nèi)往返一次的總損耗百分?jǐn)?shù)。He-Ne激光器中，包括以下

10、損耗： 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腔內(nèi)光學(xué)元件（入布儒斯特窗片）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 將此式帶入到上節(jié)的增益系數(shù)公式，就可以在ac和T已知的情況下求出。于是輸出功率也就確定了。,由于該式不容易求解，因此引入圖解法，引入激發(fā)參量 。 由 能圖解法計算出 ，再根據(jù)下式計算出輸出功率P A為光束的有效橫截面積。一般情況下，激光束受諧振腔內(nèi)振蕩光束模體積的限制，不能充滿整個放電毛細(xì)管。對激光又貢獻的只是模體積內(nèi)的那部分氣體原子。因此A應(yīng)為毛細(xì)管的截面積乘以一個系數(shù)。 ：工作在中心頻率處沿著激光輸出方向傳

11、播的光,1.3 提高0.6328m輸出功率的一些方法 從上節(jié)推導(dǎo)的輸出功率公式看，影響He-He激光器輸出功率的因素很多，主要的方面如下： 1增加毛細(xì)管長度l可使輸出功率增加。但l過長，諧振腔易變形，影響功率輸出。毛細(xì)管內(nèi)徑小，有利于提高Gm，但太小時Gm反而降低，這是因為在長度固定時，內(nèi)徑小則總粒子數(shù)少，而且諧振腔容易失調(diào)。 2選擇最佳放電條件。輸出功率隨著增益系數(shù)Gm增大而提高，而Gm有最佳放電條件，所以必須選擇最佳放電條件以得到盡量大的Gm。 3減小腔內(nèi)損耗。減小腔內(nèi)損耗ac對增加輸出功率非常有意義，因為He-He激光器的增益比較低，輸出鏡的透過率T比較小，損耗的影響非常明顯。為減小損耗

12、，要選用損耗小，易于調(diào)整的雙凹腔或者平凹穩(wěn)定腔，并合理設(shè)計諧振腔長，凹面鏡曲率半徑和毛細(xì)管內(nèi)徑。 4抑制3.39m的輻射，0.6328m和3.39m兩條激光譜線有共同的激光上能級，而后者增益系數(shù)比較高，如果不進行抑制，3.39m的輻射將在腔內(nèi)振蕩中消耗大量的激發(fā)態(tài)原子。抑制3.39m輻射的辦法有 加色散棱鏡，使3.39m的光無法起振 腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，甲烷對3.39m的光有吸收作用 外加非均勻磁場 幾種方法一般同時使用才能起到有效的抑制作用 5使用氦的同位素氦3。通常充入的氦氣為氦4，用氦3輸出功率可提高25。因為氦3比氦4輕，運動速度比氦4大，與氖原子叫喚能量的速率加大，同時更有利于共振轉(zhuǎn)

13、移。但是由于其價格太高，一般不輕易使用此方法。 6選取最佳透過率。一般用實驗的方法選取最佳透過率。不過對最佳透過率的精確度不必做過高的要求。,1.4 輸出功率的穩(wěn)定性 He-He激光器在工作過程中，輸出功率會隨時間做周期性的或隨即的波動。 波動頻率1Hz以下的為功率漂移 波動頻率1Hz以上的為噪聲 產(chǎn)生噪聲的原因有：自發(fā)輻射的隨即性 振蕩模的不穩(wěn)定性 諧振腔的振動 激光電源的變化 放電噪聲等 造成漂移的原因有： 1 放電電流波動造成輸出功率的波動； 2諧振腔光軸與毛細(xì)管軸線相對位置發(fā)生變化引起功率波動 ； 3縱模的變化引起輸出功率的波動。在只有少數(shù)幾個縱模振蕩的短腔激光器中，溫度的變化或其他原

14、因?qū)е虑婚L發(fā)生了變化，諧振腔的縱模也要發(fā)生改變，將造成增益曲線的燒孔面積變化，從而引起輸出功率的波動。,減小功率漂移的措施： 一 根據(jù)產(chǎn)生漂移的原因，在器件結(jié)構(gòu)和工藝上采取改進措施； 盡量提高器件的凈增益；減小熱變形，采用熱脹系數(shù)小的材料做放電管；抑制3.39m的振蕩或采取穩(wěn)頻措施，減小縱模變化的影響；盡量減小放電管的應(yīng)力，應(yīng)力越大，熱變形越大。 二 外部控制的辦法減小功率漂移； 主動控制法：利用輸出功率的變化取控制激光器本身產(chǎn)生激光。如將輸出功率的變化與給定的基準(zhǔn)比較，其差值放大后去控制激光管的放電電流或控制激光管周圍的非均勻磁場強度。 被動控制法：在激光輸出的光路中放入可控衰減器，取用部分

15、激光功率產(chǎn)生控制信號去控制衰減器。當(dāng)激光器出去功率大于穩(wěn)定功率時，衰減器程度加大，通過衰減器后的激光功率相應(yīng)減小。反之亦然，從而達到穩(wěn)定功率的目的。,2.6 He-He激光器的頻率特性及穩(wěn)頻 2.6.1 He-He激光器的頻率特性 在適當(dāng)?shù)姆烹姉l件下，He-He激光器已經(jīng)獲得了100多條譜線。其中最主要的是0.6328m和3.39m兩條。 一般的He-He激光器都是多縱模振蕩，為了提高相干性，應(yīng)盡量降低激光振蕩的線寬，最好是單縱模振蕩。方法有： 1 縮短腔長，增大縱模間隔，使得只有一個縱模超過閾值而振蕩。但腔長短，單程增益小，輸出功率低。 2 選模技術(shù)，如在腔內(nèi)放置F-P標(biāo)準(zhǔn)具，使標(biāo)準(zhǔn)具只允許

16、一個縱模振蕩。 頻率的穩(wěn)定性： 一 頻率的穩(wěn)定度： 一連續(xù)點燃工作時間內(nèi)，頻率變化量與平均頻率之比。分短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度 二 頻率的再現(xiàn)性： 不同時間不同地點或不同環(huán)境下，激光頻率的再現(xiàn)程度,2.6.2 穩(wěn)頻的方法 1. 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻 把激光振動頻率穩(wěn)定在蘭姆凹陷的中心頻率v0上。 在諧振腔上加一壓電陶瓷，振蕩器輸出的頻率為f的音頻電壓信號Vc加到壓電陶瓷上，壓電陶瓷就在Vc的作用下以同樣的頻率伸縮，諧振腔的長度也以同樣的頻率變化。 頻率在v0附近時，IV0成單向脈動變化，其變化頻率為2f。若選頻放大器的中心頻率放在f上，則產(chǎn)生的2f電壓信號不能被放大，輸出為零，壓電陶瓷不變，腔長維持不

17、變，振蕩頻率維持不變。 當(dāng)頻率移動到了偏離的位置，輸出功率的變化頻率隨之成為f，其產(chǎn)生的光電信號經(jīng)過選頻放大后，由相敏檢波器輸出負(fù)極性直流電壓，使壓電陶瓷伸長，帶動諧振腔變短，使振蕩頻率恢復(fù)到V0。 此方法穩(wěn)頻可達10-910-10穩(wěn)定度，頻率再現(xiàn)性可達10-7,2. 飽和吸收法穩(wěn)頻 用一外腔管內(nèi)放置吸收管，吸收管內(nèi)充的氣體在激光振蕩頻率處有一強的銳吸收峰。這種低氣壓氣體的吸收峰所對應(yīng)的頻率是十分穩(wěn)定的，所以穩(wěn)頻精度高。 對于主要由非均勻展寬的譜線來說，只有那些沿激光管軸方向速度為零（Vz0）的原子吸收頻率為v0的光子；而對于不在中心頻率v0的某一頻率V來說，則有 的兩群原子吸收頻率為v的光子

18、。所以在v0處吸收小而容易達到飽和，出現(xiàn)了吸收下陷。,3 賽曼穩(wěn)頻 橫向賽曼穩(wěn)頻和縱向賽曼穩(wěn)頻 （1）橫向賽曼穩(wěn)頻 當(dāng)垂直于He-Ne放電管軸線外加磁場時，中心頻率為的激光譜線就會分裂成頻率為三條偏振譜線，分為振動方向平行于磁場和垂直于磁場兩個方向。由于頻率牽引作用，兩偏振線分別向各自的中心頻率偏移，產(chǎn)生頻差fb。v不同，產(chǎn)生的頻差也不同。v與fb的關(guān)系呈S形或倒S形。 如果把工作點選在S曲線的線性段ac間，即以該點f值（對于縱模頻率v）為基準(zhǔn)，凡偏離f時都自動調(diào)整諧振腔長度，使回到f，則可達到穩(wěn)頻的目的。,橫向賽曼效應(yīng)穩(wěn)頻的裝置方塊圖：,450檢偏器,光電接收,放大,fbv轉(zhuǎn)換,伺服系統(tǒng),壓

19、電陶瓷PZT,（2）縱向賽曼穩(wěn)頻 沿He-Ne激光放電管軸向加磁場，則引起縱向賽曼效應(yīng)，即加上縱向磁場后，原中心頻率為的0.6328m譜線會分裂成兩條譜線，一條是左旋圓偏振光，一條是右旋圓偏振光。 若有頻率為的單縱模起振，加縱向磁場后產(chǎn)生IL和IR兩圓偏振光。由于頻率牽引作用，左旋圓偏振光IL的頻率要于v，右旋圓偏振光的頻率低于v，于是產(chǎn)生頻率差f。f的大小與v有關(guān)，與磁場強度和諧振腔品質(zhì)因素有關(guān)。按照橫向賽曼穩(wěn)頻的原理，可以用頻差f作為失調(diào)量進行穩(wěn)頻。由于產(chǎn)生頻率差，兩圓偏振光的功率也發(fā)生變化。不同v處，光強差I(lǐng)L-IR也不同，因此以為穩(wěn)定工作點，利用與光強差的關(guān)系也可以進行縱向賽曼穩(wěn)頻。,利用拍頻原理進行縱向賽曼穩(wěn)頻的裝置原理圖：,1/4波片,450檢偏器,前置放大器,f檢偏器,fv變換器,差分放大器,壓電陶瓷,2.7 He-Ne激光器的其他輸出特性 2.7.1 He-Ne激