氦氖激光器

了.诀 .. 沪 .. 沪 .l 沪 .. 沪 ., 沪 ., 沪 ·t沪 二矛 “沪 .. 沪 .. 沪 ·、 : 激 光 讲 座 { 、 . 沪 ., 沪 二诀 .. 沪 .’矛 ,, 沪.. 矛 .. , ”矛 二沪 沪 二沪 . / 氦 一氖 激 光 器 上海师范大学物理系光学教研组 氦一氖激光器是具有连续输出特性的气体激光器 , 尽管它的输出功率不大(一般为毫瓦级 , 最大的也只有近百毫瓦) , 但由于它的结构简单、操作方便、造价低廉 , 并且输出可见激光—红光 。 因此它在精密测量 、 准直 、 导向和全息照相等方面得到广泛的应用 。 本文仅就氦一氛激光 器的构造 、工作原理和工作特性作一些简单的介绍。 一、 氦一氖激光器的构造 图 1 是内腔式氦一氖激光器的结构示意图 。 激光管的中心部分是一根毛细玻璃管 , 构成放 电管 , 外壳为储气部分 , A 是钨棒 , 作为阳极 ; C 是铝或铝制成的圆筒 , 作为阴极 。 玻壳的两端 贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜 , 构成平面一凹面共振腔 , 激光束从一端输出 。 反 射镜涂以多层介质膜 , 以获得高反射率 。 对长 2 0 0 毫米左右的管子 , 输出端的反射率约 9 8 沁 左右 , 另一端的反射率为 99 多 以上 。 这样长的管子 , 。般选用直径 1 毫米多些的毛细玻璃管 , 充以 2 . 6 毛左右 (1 毛 ~ 1 /7 60 毫米汞高)的氦一氖混合气体。 氦和氖分压比选取 5 ~ 7 左右 , 输出可达 2 毫瓦芳 。 若要求 10 毫瓦以上的单模输出 , 放电管长度需超过 印O 毫米 , 内径比上 述管子大淤2 ~ 3 毫米) , 而混合气体的气压可略低些 。 、 图 1 内那曦卜氖激光管的构造 图 2 半外腔式氦一氛激光管的结构 图 1 所示的这类管子的反射镜 , 以储气部分 的玻璃管作为间隔器 , 由于环境温度 的起伏引 起腔长的变化 , 从而使激光束的频率和强度漂移 。 此外 , 这类管子输出激光的偏振态也是不确 定的。 因此 , 在精密测量中所用的激光器 , 一般采用 图 2 所示的半外腔结构 。 从图 2 可见 , 这 类管子的放电管的一端是石英平行平面 , 它的法线与放电管的轴线成一定夹角料 , 所以放电管 和共振腔的一个端面是分离的 。 共振腔的一块镜子安装在一压电陶瓷上 , 而这一压 电陶瓷与 另一端的反射镜之间用热胀系数比较小的石英管或殷钢棒连接 , 在激光器运转时 , 可以通过压 电陶瓷上所加 电压的变化而抵消腔长的变化 , 使两反射镜间距 (即腔长)恒定 , 从而保证激光束 的频率和功率稳定 , 通常称这类管子为稳频管 , 但这类管子仍然无法克服管子变形而引起的输 出特性的变化。 因此 , 在高精度测量中 , 大多采用 共振腔的两端都与放电管分离的全外腔式激 , 指 6犯8入波 一长的输出。 ” 夹角夕满足 ta 耐一、 , 。 为石英在 6 328 入处的折射率 。 此时 , 63 28 入光透过石英玻璃时的损耗最小。 了.诀 .. 沪 .. 沪 .l 沪 .. 沪 ., 沪 ., 沪 ·t沪 二矛 “沪 .. 沪 .. 沪 ·、 : 激 光 讲 座 { 、 . 沪 ., 沪 二诀 .. 沪 .’矛 ,, 沪.. 矛 .. , ”矛 二沪 沪 二沪 . / 氦 一氖 激 光 器 上海师范大学物理系光学教研组 氦一氖激光器是具有连续输出特性的气体激光器 , 尽管它的输出功率不大(一般为毫瓦级 , 最大的也只有近百毫瓦) , 但由于它的结构简单、操作方便、造价低廉 , 并且输出可见激光—红光 。 因此它在精密测量 、 准直 、 导向和全息照相等方面得到广泛的应用 。 本文仅就氦一氛激光 器的构造 、工作原理和工作特性作一些简单的介绍。 一、 氦一氖激光器的构造 图 1 是内腔式氦一氖激光器的结构示意图 。 激光管的中心部分是一根毛细玻璃管 , 构成放 电管 , 外壳为储气部分 , A 是钨棒 , 作为阳极 ; C 是铝或铝制成的圆筒 , 作为阴极 。 玻壳的两端 贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜 , 构成平面一凹面共振腔 , 激光束从一端输出 。 反 射镜涂以多层介质膜 , 以获得高反射率 。 对长 2 0 0 毫米左右的管子 , 输出端的反射率约 9 8 沁 左右 , 另一端的反射率为 99 多 以上 。 这样长的管子 , 。般选用直径 1 毫米多些的毛细玻璃管 , 充以 2 . 6 毛左右 (1 毛 ~ 1 /7 60 毫米汞高)的氦一氖混合气体。 氦和氖分压比选取 5 ~ 7 左右 , 输出可达 2 毫瓦芳 。 若要求 10 毫瓦以上的单模输出 , 放电管长度需超过 印O 毫米 , 内径比上 述管子大淤2 ~ 3 毫米) , 而混合气体的气压可略低些 。 、 图 1 内那曦卜氖激光管的构造 图 2 半外腔式氦一氛激光管的结构 图 1 所示的这类管子的反射镜 , 以储气部分 的玻璃管作为间隔器 , 由于环境温度 的起伏引 起腔长的变化 , 从而使激光束的频率和强度漂移 。 此外 , 这类管子输出激光的偏振态也是不确 定的。 因此 , 在精密测量中所用的激光器 , 一般采用 图 2 所示的半外腔结构 。 从图 2 可见 , 这 类管子的放电管的一端是石英平行平面 , 它的法线与放电管的轴线成一定夹角料 , 所以放电管 和共振腔的一个端面是分离的 。 共振腔的一块镜子安装在一压电陶瓷上 , 而这一压 电陶瓷与 另一端的反射镜之间用热胀系数比较小的石英管或殷钢棒连接 , 在激光器运转时 , 可以通过压 电陶瓷上所加 电压的变化而抵消腔长的变化 , 使两反射镜间距 (即腔长)恒定 , 从而保证激光束 的频率和功率稳定 , 通常称这类管子为稳频管 , 但这类管子仍然无法克服管子变形而引起的输 出特性的变化。 因此 , 在高精度测量中 , 大多采用 共振腔的两端都与放电管分离的全外腔式激 , 指 6犯8入波 一长的输出。 ” 夹角夕满足 ta 耐一、 , 。 为石英在 6 328 入处的折射率 。 此时 , 63 28 入光透过石英玻璃时的损耗最小。 不足以维持连续振荡 , 因为在 3习。 Zp 受激跃迁而发射出 6 328 久激光的同时 , 将使 Zp 能级 上的粒子数增多而破坏反转条件 , 此外 , 也会造成基态粒子数 的减少而影响抽运 。 对氖原子来 说 , ZP 向 1尽跃迁的几率很大 , 并辐射出红橙色的光 , 困难的是 1习 向基态跃迁的几率很小 , 因 而不利于下能级“抽空” 。 不仅如此 , 由于它的长寿命 , 容易与带有一定动能的电子碰撞 , 而又 回到 ZP 能级上去 , 这更有损于反转 。 在氦一氖管中 , 1 5 能级的抽空主要是通过 1习态的粒子与管壁碰撞后又回到基态来 完成 的。 因此 氦一氖激光器的放电管直径不能太大 。 对 6 328 久的激光输出来说 , 增益随放 电管直 径的减小而增加 。 下式示 ZP 能级的抽空过程 : N 。(2尸)一 N 。(1 8 ) + 6 0 9 6久橄光) 管 壁 碰 撞 一 一- 一一一今 (2) N e (1习) Ne( 2P )”+ 热能 三 、 氦一氖激光器的工作特性 氦一氖激光器的工作特性主要是指工作电流、放电管径 、总气压 、分压比等因素与输出功率 的关系 。 下面 , 我们就上述这些因素是如何影响输出功率大小的问作一定性的解释和讨论 , 以使在制作和使用氦一氖激光器时 , 对如何选择这些参数作一参考 。 输出功率的大小直接与上 、 下能级的激发速率有关 , 而激发速率又与电子浓度 、 电子温度 (电子平均能量) 、 氦和氖的浓度 、 管壁碎灭程度等有关 , 工作 电流 、 管径、 气压诸因素正是通过 这些量而影响上 、下能级的激发速率 , 也即影响输出功率大小的。 在其他诸因素恒定时 , 电子浓度与工作 电流成正比 , 但我们不能期望增大工作电流 以提高 电子浓度从而增加激光输出功率 。 因为在电子浓度 增加使上能级激发速度增大的同时 , 也会 增加上能级的氖与电子碰撞而回到基态的几率 (消激发过程 ) , 此外 , 当电子浓度增大时 , 下能 级的激发速率也会增加。 这三个过程中 , 后面两个过程对激光输出的贡献与第一过程的贡献 恰恰相反 。 在工作电流较小 , 即电子 浓度较低时 , 激发上能级的一面 占主要方面 , 因而输出功 率随电流增加而增大 (见图4) , 但当电流 (即电子浓度 )达一定值 以后 , 由于上能级消激发过程 ƒ顺坦„哥俘田潺 乙 ¹ 的影响 , 致使上能级激发速率的纯增长次于下能级激 发速率的增加 , 从而使输出功率随电流增大而减弱 , 所 以在实际使用时 , 有一最佳电流值 , 此时输出功率最 大。 通常把这一输出功率作为该激光器 的功率 。 气压和气压比通过电子温度和气体原子浓度影响 上 、下能级的激发速率 。 在总气压比较高时 , 电子 自由 程 (两次碰撞之间在轴向加速可 以行进 的距离 ) 比较 小 , 因而加速获得的动能较小 , 不利于上能级的激发 , 所以输出功率较小。 在总气压较小时 , 尽管 电子动能 可以大些 , 但氦一氖原子浓度太小 , 也不利于上能级的 最佳 电流 电流互任意》 图 4 氦一氖管中输出功率与电流的关系 激发 。 所以在确定管径和分压比时 , 存在一个最佳总气压 , 尸H e : P 、e ~ 6 : 1 时 , 发现 P , 佳 满足下式 : P , 佳 沐 d ~ 2 . 9 ~ 3 . 6毛 ·毫米 对于管径 d 小于 3 毫米的管子 , 当四今†二一 (3 ) . 6 3 在总气压确定时 , 减少氖的含量可以提高电子温度 , 但会使氖的原子数减少 , 两者对土能 级激发的作用是相互矛盾的 , 存在一最佳气压比 , 此时 , 既有足够的氖原子数 , 又有较高的电子 温度 。 例如 , 对毫 d < 3 米的管子 , 一般取 尸He : 尸 N e一 5 ~ 7 : 1 , 对于大管径激光器 , P H e : P Ne 取 7 ~ 1 0 : 1 。 管径的大小既影响上能级的消激发速率 , 又影响电子温度 。 此外 , 尽管增益几乎随管径的 减小而增大 , 但从输出功率考虑 , 管径不能取得太小 , 因为小孔径在振荡器中引入过多的衍射 损耗而减少激光输出。 一般视腔的长短选取合适的管径 , 如对 2石O 毫米长的共振腔 , 放电管直 径一般取 1 . 3 毫米。 除了上面讨论的一些参数和工作条件对输出功率的影响外 , 反射镜的反射率 、放电管和腔 体的结构 , 也会影响输出功率 。 我们可以通过实践和参阅有关资料来选择合适的数值和结构。 犷~ ‘奋‘” ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~一~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~一~ ~ ~ ~ ~ ~ ~一~ ~ 飞;务‘-‘;;冬‘"夕导‘冬冬‘‘乡"今、乡‘‘‘每务乡每.毒‘;l;务冬、l奢冬乡l务务"夕务、⋯冬冬111浦《激光》杂志征稿简则 一 、 《激光》杂志是报导我国激光研究的进展和成果 、 普及与提高相结合专业性刊物。 它以马 克思列宁主义、毛泽东思想为指导 , 坚持理论联系实际, 遵照“百花齐放、 百家争鸣, , 的方针 , 通过学 木经验的交流和讨论 , 促进激光研究成果的推广和激光技术的发展 , 为我国社会主义革命和社会 主义建设服务。 二 、 本刊主要登载下列的文章 : (1 ) 在激光研究中, 学习和运用马克思列宁主义 、 毛泽东思想的体会, 宣传唯物辩证法, 批刘唯心论和形而上学的心得体会 ; (2) 我国激光的研究与应用的进展与成果 (含括实验研究 、技术革新 、理论探索等); (3) 关于激光研究新成就 、新发展 、 新动向的评述以及不同学术观点的讨论 ; (4) 关于国内激光重要学术活动的报导 。 三 、 来稿注意事项: (1 ) 文稿要观点明确, 数据可靠, 内容力求言简意明 , 做到清稿定稿 。 文前附本文提要 。 (2) 文中引用马克思、 恩格斯、 列宁 、斯大林和毛主席的语录, 请注明出处, 以便核对。 (3) 文稿务必用钢笔 (切勿用圆珠笔 、 复写或油印)在稿纸上缮写清楚 , 切勿潦草 , 标点符号置 于行内, 亦占一格。 简体字只限于采用已公布者, 切勿自造或误用 。 稿中外文字母、符号须分清大、 小写 , 正 、斜体, 希腊字母或拉丁字母 ; 用作上标或下标的字母 、 数码或符号 , 其位置高低须区别明 显 ;如要用黑体字请于字下加波线。 文中容易混淆的外文字母、 符号 , 在第一次出现时 , 请用铅笔 在稿纸旁边注释。 (4) 文中插图 , 须用黑堪按工程图精绘在洁白绘图纸或描图纸上 , 要求墨浓黑 、 线条光洁 均匀 , 图中文字一律用软铅笔书写清晰 , 以便贴印刷字体后制版 。 图的大小一般在 14 丫 20 匣米与 8 丫 1 0 厘米之间为宜 。 文中插图的文字说明 , 请于稿纸上插图所在位置注明 。 照片务求黑白分明 , 层次清晰。 (5) 参考资料与注释各用数字标明次序。 往释写在加注处同页下端 。 参考资料 目录尽 量用 扫’字 ; 如果手写 , 必须仿印刷体书写 , 集中附列于文末 , 尚未正式公开发表的资料请勿引用和列人。 资料 目录写法为 : 作者 , 书刊名称 , 年份 , 卷数 , 期别 , 页数。 (6 ) 作者须自留底稿。 来稿经审阅后 , 如有必要得请作者修改。 (7) 本刊不登之稿当妥为退还。 (8 ) 来稿请注明作者真实姓名 、服务机关及详细通迅地址。 (9) 来稿请寄: 上海市 8 211 邮政信箱《激光》杂志编辑部。 甲 t了心‘、‘心不‘白‘护丫.‘‘.乙孟、,￡乙、.‘止、.乙之、,‘之、.‘‘.‘‘.‘z丫.走产t.‘挤.‘‘.‘‘.‘‘.份‘.‘亡、.‘乙、,‘‘.进‘.孟子心‘‘-花‘峥名r丫.‘孟、,‘‘.己子孟,‘廿杏‘‘‘‘‘‘电孟Jr.‘乙、.‘‘.‘廿、,术山‘‘‘走‘.‘占.‘‘奋