氦氖激光器

nullnull氦－氖气体激光器null基本内容 回顾：激光器的基本结构 激光器的基本知识 氦氖激光器的工作原理介绍回顾：激光器的基本结构回顾：激光器的基本结构所有激光器的基本组成都包括三大部分： 工作物质： 激光器的核心 氦氖激光器的He－Ne气 Nd+3：YAG激光器中的Nd+3谐振腔： 形成激光振荡的必要条件，还对光束质量起着约束作用 平平腔 平凹腔 稳定腔 非稳腔泵浦系统：为实现粒子数反转提供外界能量 电激励 光激励 热激励 化学能激励 核能激励一 气体激光器的基本知识一 气体激光器的基本知识气体激光器的优点： 1. 工作物质均匀性好，输出激光光束质量好 2. 谱线宽，从远红外到紫外 3. 输出功率大，转换效率高（电光转换） 4. 结构简单，成本低 1.1 气体放电基本原理 气体放电粒子种类： 1）中性粒子 CO2, He－Ne 2）带电粒子 Ar+ 3）激发粒子 A′ 碰撞规律： 弹性碰撞 非弹性碰撞null1.2 激发与电离 e + A e + A′ （原子激发） 高速电子基态原子低速电子激发态原子 e + A e + A+ + △e （原子电离） 电子能量 ＞ 激发能（电离能）1.3 共振能量转移 A* + B A + B* +/- △e 亚稳态原子基态原子null1.4气体放电的方式 图： 图中：D点以前，非自持放电 （D点为气体放电的着火点） DE段： 辉光放电过渡区 EF段： 正常辉光放电区 FG段： 反常辉光放电区 GH段： 弧光放电过渡区 （G点为弧光着火电压点） H点以后： 稳定弧光放电区null2.1氦氖激光器的结构 工作物质： He-Ne气体（He为辅助气体），气压比为5：1－7：1 谐振腔： 一般用平凹腔，平面镜为输出镜，透过率约1％－2％，凹面镜 为全反射镜 泵浦系统： 一般采用放电激励 激光管结构： 按谐振腔与放电管的放置方式分为内腔式 ﹑外腔式 ﹑半内腔式 按阴极及贮气室的位置不同分为 同轴式 ﹑旁轴式 ﹑单细管式二 氦氖激光器null2.2 He－Ne激光器的特点 典型谱线： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他谱线： 612nm 594nm 543nm 优点：1. 光束质量好 Θ＜1mrad 2.单色质量好，带宽＜22Hz 3.稳定性高 功率稳定（ ＜2％） 频率稳定（ ＜5×10-15） 4.在可见光区nullHe－Ne激光器实例电源和激光管封装在一起普通氦氖激光器null2.3 He－Ne激光器的工作能级 典型的四能级系统 图：null共振转移： He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S﹑2S态靠得很近 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电子碰撞激发：（与共振转移相比，此过程的激发速率要小得多） e + Ne e + Ne（2S) e + Ne e + Ne（3S) 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，此过程贡献最小复合激发： 先形成分子离子，再与电子碰撞获得激发态Ne分子null2.4 He－Ne激光器的最佳放电条件 2.4.1 求粒子反转数△n＝n3-n2 Ne（3S2）能级上粒子数密度n32.4.1稳态时，dn3/dt＝0，由上式有同理，He（21S0）能级上的粒子数密度n4的速率方程为：稳态后，dn4/dt＝0，由2.4.3可得2.4.22.4.32.4.4n0：He基态（11S0）上的粒子数密度 n1：Ne基态（11S0）上的粒子数密度 n2：Ne（2P4）能级上的粒子数密度 n3：Ne（3S2）能级上的粒子数密度 n4：He（21S0）能级上的粒子数密度 K: 转移速率常数 Ne（3S2）的粒子数驰豫到其他能级的驰豫时间 ne： 电子密度 S04： He基态（11S0）到He（21S0）的电子激发速率常数 A′：衰减几率 S4: 消激发速率常数 S02：电子激发速率常数 A： 自发辐射几率null将2.4.4式代入2.4.2式，有同样，Ne的2P4能级的粒子密度n2的速率方程为稳态后，dn2/dt＝0，得因自发辐射几率A很大，故上式可变为：2.4.52.4.62.4.72.4.8根据2.4.5和2.4.8两式，就可以分析粒子反转数△n与放电条件的关系null2.4.2 △n与放电电流的关系 在充气压和充气比例一定的情况下，电子密度与放电电流i成正比，ne＝K′i，K′为比例系数；而n0﹑n1﹑A ﹑ 等均与放电电流无关，因此2.4.5和2.4.8式可表示为：其中粒子数密度与放电电流的关系图null2.4.3 △n与He﹑Ne气压的关系 n2通常比n3小得多，因此反转粒子数主要取决于n3 当He﹑Ne气压比一定时： 总气压较低，n0和n1减少，n3随之减小 总气压很高时，n0n1可增加，但电子与原子碰撞次数增加，电子的动能减小，电子温度降低，S04降低，导致n3下降 可见，存在一最佳总气压，使反转粒子数最高 当总气压一定时： Ne气含量过少，n1减少，使n3减少 Ne含量过多，因Ne比He易电离而导致电子能量和温度降低，使S04和n3减小 可见，He和Ne的气压比也存在最佳值 null2.5 He-Ne激光器的输出功率 1.1 He-Ne激光器的增益系数 He-Ne激光器属于以非均匀加宽为主但又不能忽略均匀加宽影响的综合加宽线型，按照综合加宽的情况计算其输出功率。 Ne原子在 到 +d 范围内的小信号反转粒子密度按多普勒非均匀展宽公式为 式中 为原子的总反转粒子密度， 为Ne原子辐射的中心频率， 为非均匀展宽线型函数，表示式为 为多普勒线宽，T为绝对温度，M为原子量， 为中心频率。null这部分粒子发射中心频率为 ，线宽为 的均匀加宽谱线。若有频率为 ，强度为 的强光入射，则这部分粒子对增益的贡献为 B21为受激辐射系数，c为光速，h为普朗克常数。 总增益为全部粒子对频率 的光的增益贡献之和，将上式积分整理后得到 null用复变误差函数定义 表示，综合加宽大信号增益系数表示为 null1.2 输出功率公式 1.2.1 单模激光器的输出功率 激光稳定后，其饱和增益系数应等于总损耗系数，即 a为除反射镜损耗外其他的总损耗系数，；l为放电管长度，R1R2为两反射镜的反射率。 一般情况下，He­-Ne激光器的一端为全反射，另一端为部分反射，设透过率为T，忽略反射镜的吸收和散射损耗时，R2＝1-T。由于He­-Ne激光器的T和a都很小，故有 nullac是除透射损耗外，光在谐振腔内往返一次的总损耗百分数。He­-Ne激光器中，包括以下损耗： 1谐振腔反射镜的吸收和散射损耗 2全发射镜的透射损耗 3腔内光学元件（入布儒斯特窗片）带来的附加损耗 4光通过毛细管后的衍射损耗 5谐振腔调整得不好造成的损耗 做近似代换后得到 将此式带入到上节的增益系数公式，就可以在ac和T已知的情况下求出。于是输出功率也就确定了。null由于该式不容易求解，因此引入图解法，引入激发参量 。 由 能图解法计算出 ，再根据下式计算出输出功率P A为光束的有效横截面积。一般情况下，激光束受谐振腔内振荡光束模体积的限制，不能充满整个放电毛细管。对激光又贡献的只是模体积内的那部分气体原子。因此A应为毛细管的截面积乘以一个系数。 ：工作在中心频率处沿着激光输出方向传播的光 null1.3 提高0.6328m输出功率的一些 从上节推导的输出功率公式看，影响He-He激光器输出功率的因素很多，主要的方面如下： 1增加毛细管长度l可使输出功率增加。但l过长，谐振腔易变形，影响功率输出。毛细管内径小，有利于提高Gm，但太小时Gm反而降低，这是因为在长度固定时，内径小则总粒子数少，而且谐振腔容易失调。 2选择最佳放电条件。输出功率随着增益系数Gm增大而提高，而Gm有最佳放电条件，所以必须选择最佳放电条件以得到尽量大的Gm。 3减小腔内损耗。减小腔内损耗ac对增加输出功率非常有意义，因为He-He激光器的增益比较低，输出镜的透过率T比较小，损耗的影响非常明显。为减小损耗，要选用损耗小，易于调整的双凹腔或者平凹稳定腔，并合理谐振腔长，凹面镜曲率半径和毛细管内径。 4抑制3.39m的辐射，0.6328m和3.39m两条激光谱线有共同的激光上能级，而后者增益系数比较高，如果不进行抑制，3.39m的辐射将在腔内振荡中消耗大量的激发态原子。抑制3.39m辐射的办法有 加色散棱镜，使3.39m的光无法起振 腔内放置甲烷吸收盒，甲烷对3.39m的光有吸收作用 外加非均匀磁场 几种方法一般同时使用才能起到有效的抑制作用 5使用氦的同位素氦－3。通常充入的氦气为氦－4，用氦－3输出功率可提高25％。因为氦－3比氦－4轻，运动速度比氦－4大，与氖原子叫唤能量的速率加大，同时更有利于共振转移。但是由于其价格太高，一般不轻易使用此方法。 6选取最佳透过率。一般用实验的方法选取最佳透过率。不过对最佳透过率的精确度不必做过高的要求。 null1.4 输出功率的稳定性 He-He激光器在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或随即的波动。 波动频率1Hz以下的为功率漂移 波动频率1Hz以上的为噪声 产生噪声的原因有：自发辐射的随即性 振荡模的不稳定性 谐振腔的振动 激光电源的变化 放电噪声等 造成漂移的原因有： 1 放电电流波动造成输出功率的波动； 2谐振腔光轴与毛细管轴线相对位置发生变化引起功率波动 ； 3纵模的变化引起输出功率的波动。在只有少数几个纵模振荡的短腔激光器中，温度的变化或其他原因导致腔长发生了变化，谐振腔的纵模也要发生改变，将造成增益曲线的烧孔面积变化，从而引起输出功率的波动。null减小功率漂移的措施： 一 根据产生漂移的原因，在器件结构和工艺上采取改进措施； 尽量提高器件的净增益；减小热变形，采用热胀系数小的材料做放电管；抑制3.39m的振荡或采取稳频措施，减小纵模变化的影响；尽量减小放电管的应力，应力越大，热变形越大。 二 外部控制的办法减小功率漂移； 主动控制法：利用输出功率的变化取控制激光器本身产生激光。如将输出功率的变化与给定的基准比较，其差值放大后去控制激光管的放电电流或控制激光管周围的非均匀磁场强度。 被动控制法：在激光输出的光路中放入可控衰减器，取用部分激光功率产生控制信号去控制衰减器。当激光器出去功率大于稳定功率时，衰减器程度加大，通过衰减器后的激光功率相应减小。反之亦然，从而达到稳定功率的目的。null2.6 He-He激光器的频率特性及稳频 2.6.1 He-He激光器的频率特性 在适当的放电条件下，He-He激光器已经获得了100多条谱线。其中最主要的是0.6328m和3.39m两条。 一般的He-He激光器都是多纵模振荡，为了提高相干性，应尽量降低激光振荡的线宽，最好是单纵模振荡。方法有： 1 缩短腔长，增大纵模间隔，使得只有一个纵模超过阈值而振荡。但腔长短，单程增益小，输出功率低。 2 选模技术，如在腔内放置F-P具，使标准具只允许一个纵模振荡。 频率的稳定性： 一 频率的稳定度： 一连续点燃工作时间内，频率变化量与平均频率之比。分短期稳定度和长期稳定度 二 频率的再现性： 不同时间不同地点或不同环境下，激光频率的再现程度 null2.6.2 稳频的方法 1. 兰姆凹陷法稳频 把激光振动频率稳定在兰姆凹陷的中心频率v0上。 在谐振腔上加一压电陶瓷，振荡器输出的频率为f的音频电压信号Vc加到压电陶瓷上，压电陶瓷就在Vc的作用下以同样的频率伸缩，谐振腔的长度也以同样的频率变化。 频率在v0附近时，IV0成单向脉动变化，其变化频率为2f。若选频放大器的中心频率放在f上，则产生的2f电压信号不能被放大，输出为零，压电陶瓷不变，腔长维持不变，振荡频率维持不变。 当频率移动到了偏离的位置，输出功率的变化频率随之成为f，其产生的光电信号经过选频放大后，由相敏检波器输出负极性直流电压，使压电陶瓷伸长，带动谐振腔变短，使振荡频率恢复到V0。 此方法稳频可达10-9～10-10稳定度，频率再现性可达10-7 null2. 饱和吸收法稳频 用一外腔管内放置吸收管，吸收管内充的气体在激光振荡频率处有一强的锐吸收峰。这种低气压气体的吸收峰所对应的频率是十分稳定的，所以稳频精度高。 对于主要由非均匀展宽的谱线来说，只有那些沿激光管轴方向速度为零（Vz＝0）的原子吸收频率为v0的光子；而对于不在中心频率v0的某一频率V来说，则有 的两群原子吸收频率为v的光子。所以在v0处吸收小而容易达到饱和，出现了吸收下陷。 null3 赛曼稳频 横向赛曼稳频和纵向赛曼稳频 （1）横向赛曼稳频 当垂直于He­­-Ne放电管轴线外加磁场时，中心频率为的激光谱线就会分裂成频率为三条偏振谱线，分为振动方向平行于磁场和垂直于磁场两个方向。由于频率牵引作用，两偏振线分别向各自的中心频率偏移，产生频差fb。v不同，产生的频差也不同。v与fb的关系呈S形或倒S形。 如果把工作点选在S曲线的线性段ac间，即以该点f值（对于纵模频率v）为基准，凡偏离f时都自动调整谐振腔长度，使回到f，则可达到稳频的目的。 nullv横向赛曼效应稳频的装置方块图：450检偏器光电接收放大fb－v转换伺服系统压电陶瓷PZTnull（2）纵向赛曼稳频 沿He-Ne激光放电管轴向加磁场，则引起纵向赛曼效应，即加上纵向磁场后，原中心频率为的0.6328m谱线会分裂成两条谱线，一条是左旋圆偏振光，一条是右旋圆偏振光。 若有频率为的单纵模起振，加纵向磁场后产生IL和IR两圆偏振光。由于频率牵引作用，左旋圆偏振光IL的频率要于v，右旋圆偏振光的频率低于v，于是产生频率差f。f的大小与v有关，与磁场强度和谐振腔品质因素有关。按照横向赛曼稳频的原理，可以用频差f作为失调量进行稳频。由于产生频率差，两圆偏振光的功率也发生变化。不同v处，光强差IL-IR也不同，因此以为稳定工作点，利用与光强差的关系也可以进行纵向赛曼稳频。 null利用拍频原理进行纵向赛曼稳频的装置原理图：1/4波片450检偏器前置放大器△f检偏器f－v变换器差分放大器压电陶瓷null2.7 He-Ne激光器的其他输出特性 2.7.1 He-Ne激光束的发散角及光点漂移 对于He-Ne激光器常用平凹腔的TEM00模的远场发散角 ,其中 R为凹面镜的曲率半径，L为腔长。 为了得到小的发散角，应选用大R或大L 光点漂移： 激光束光斑的中心位置随时变动 根本原因：工作过程中由于温度辩护，震动等因素使谐振腔反射镜的角度发生了变化所致。 减小光点漂移的措施 （1）选择合适的谐振腔 （2）减小两反射镜倾角变化 （3）从激光器外部采取措施减小光电漂移的影响 null2.7.2 He-Ne激光器的偏振特性及获得偏振输出的方法 在外腔和半外腔式He-Ne激光器中，由于布儒斯特窗的存在，输出的激光为偏振光 （1）为克服调整困难，采用了内腔式激光器中加有布儒斯特窗的方法获得偏振光输出 （2）在放电管上加有均匀横向磁场的磁起偏He-Ne激光器，既保留了全内腔激光器的特点，又可获得高偏振度的偏振光的输出 null2.8 He-Ne激光器的结构与设计 1 结构 内腔式 外腔式 半外腔式 旁轴式 单毛细管式 2 设计 （1）确定放电毛细管长度l和谐振腔长度L l＝PW/P0 L=l＋2 △l （△l＝35～40mm） （2）确定反射镜的曲率半径R R=βl β为腔结构参数，取1 ～ 3.5 计算取值2 （3）确定放电毛细管直径D 以光束强度分布的特点来确定 ω凹＝0.3D 根据多纵模均匀增宽器件特性确定 D≤118L/(3×104-32L)null(4) 确定总气压和气压比 根据激光器最佳PD值范围确定 P 再根据气压比图大致确定气压比 （5）确定输出镜的最佳透过率 (6)估算输出功率