激光物理小論文

1、姓 名： 湯椅幃 班 級： 08物理 （1）班 專 業(yè)： 物理學 院 系： 理學院物理系 氦-氖(He-Ne)激光器湯其剛（紅河學院 理學院物理系 08物理一班）摘 要：本文介紹了氦氖激光器的工作原理，結構及諧振腔，氦和氖原子的能級圖，氦氖氖激光器的速率方程，激發(fā)過程和輸出特性，并簡單介紹了其應用和優(yōu)點。關鍵詞：氦氖激光器；原理；結構及諧振腔，速率方程；激發(fā)過程；輸出特性一氦-氖(He-Ne)激光器簡介氦氖（He-Ne）激光器首臺氦氖激光器誕生于1960年，它可以在可見光區(qū)及紅外區(qū)中產(chǎn)生多種波長和激光譜線，主要產(chǎn)生的有632.8nm紅光和1.15m及3.39m紅外光。632.8nm氦氖激光器最

2、大連續(xù)輸出功率可達到一W，壽命也達到一萬小時以上。借助調節(jié)放大電流大小，使功率穩(wěn)定性達到30秒內的誤差為0.005，十分鐘內的誤差為0.015的功率穩(wěn)定度；發(fā)散角僅為0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的氣體激光器所固有的方向性好，單色性好，相干性強諸優(yōu)點外，還具有結構簡單、壽命長、價廉、頻率穩(wěn)定等特點。氦氖激光在精確指示，激光測量，醫(yī)療衛(wèi)生方面有很廣泛的用途。二氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放電管內的氣體在涌有一定高的電壓及電流（在電場作用下氣體放電），放電管中的電子就會由負極以高速向正極運動。在運動中與工作物質內的氦原子進行碰撞，電子的能量傳給原子，促使原子的能量提高

3、，基態(tài)原子躍遷到高能級的激發(fā)態(tài)。這時如有基態(tài)氖原子與兩能級上的氦原子相碰，氦原子的能量傳遞給氖原子，并從基態(tài)躍遷到激發(fā)的能級狀態(tài)，而氦原子回到了基態(tài)上。因為放電管上所加的電壓，電流連續(xù)不斷供給，原子不斷地發(fā)生碰撞。這就產(chǎn)生了激光必須具備的基本條件。在發(fā)生受激輻射時，分別發(fā)出波長3.39m，632.8nm，1.53m三種激光，而這三種激光中除632.8nm為可見光中的紅外光外，另二種是紅外區(qū)的輻射光。因反射鏡的反射率不同，只輸出一種較長的光波632.8nm的激光。三He-Ne激光器結構及諧振腔：HeNe激光器的結構形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成。放電

4、管是氦一氖激光器的心臟，它是產(chǎn)生激光的地方。放電管通常由毛細管和貯氣室構成。放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。貯氣室與毛細管相連，這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補償因慢漏氣及管內元件放氣或吸附氣體造成He,Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。放電管一般是用GG17玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好的器件可用 熱脹系數(shù)小的石英玻璃制作。HeNe激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外

5、。HeNe激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。 HeNe激光管的結構形式是多種多樣的，按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內腔式、外腔式和半內腔式。 內腔式如圖中(a)所示，將諧振腔的兩反射鏡調整好后，用膠固定在放電管的兩端，其優(yōu)點是使用時不必進行調整，非常方便，陰極與毛細管同軸放置，其結構緊湊、不易碎裂，安裝方便。 缺點是在工作過程中放電管受熱變形時,諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長，其熱穩(wěn)定性越差，所以內腔式激光管的長度一般不超過一米。而且當諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內表面污染后也無法清除。并

6、且由于陰極放在放電管內，陰極濺射物質易污染窗片，使用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，使同軸式激光管功率的穩(wěn)定性不如旁軸式。外腔式如圖中（b）所示，優(yōu)點：這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離，可增加儲氣量。同時濺射物質不易污染窗片，所以壽命比同軸式長，放電管的熱變形對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調整，所以長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。放電管的兩端貼有布儒斯特窗片，還可使激光得到線偏振的激光輸出。缺點：由于反射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調整，使用不方便，體積大，安裝使用不方便，易破碎。四氦和氖原子的能級圖激光器的工作氣體是He和Ne，其中產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣。He

7、是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。圖（1）為He和Ne的能級圖。He原子有兩個電子，沒激發(fā)時這兩個原子都分布在1S0殼層上，He原子處于基態(tài)。當He原子受激時，使其中一個電子從1S激發(fā)到2S，He原子成為激發(fā)態(tài)。 He原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級，分別記為23S1、21S0。Ne原子有10個電子，基態(tài)1S0(電子分布為1S22S22P6)。激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3P等，它們對應的外層電子組態(tài)分別為2P53s、2P54s、2P5S5、2P53P、2P54P。 圖1 與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖五氦-氖(He-Ne)激光器的速率方程如圖所示是氦氖激光器的四能級結構示意圖，圖2 氦-

8、氖(He-Ne)激光器四能級結構示意圖如圖所示，在這四種能級系統(tǒng)中，E2并不是激光上能級，最高工作能級E3shi激光上能級。泵浦源將工作原子從E0基態(tài)能級抽運到E3激光上能級，E3的壽命長，為亞穩(wěn)態(tài)。同樣，在亞穩(wěn)態(tài)E3于激發(fā)態(tài)E2激光下能級之間較易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。通過激光輻射躍遷到達E2激光下能級的粒子數(shù)需要經(jīng)過E1下瀉能級才能回到E0基態(tài)，才能完成產(chǎn)生激光過程的循環(huán)。所以，在該種結構中，E1下瀉能級向E0基態(tài)躍遷的速度要求在技術上加以保證，在HeNe激光器中使用毛細放電管加強E1下瀉能級于管壁的碰撞加速下瀉。激光過程中發(fā)生在主要能級之間的主要躍遷有三種，常常采用躍遷圖示的方式進行討論。一種是

9、自發(fā)輻射躍遷，發(fā)生速率由自發(fā)輻射速率A決定，以A標示；二是受激躍遷，以受激躍遷速率W標示；三是無輻射躍遷，又叫弛豫，用弛豫速率S標示；下腳標標示發(fā)生躍遷的始末能級。在上圖中，設各能級上的原子集居密度分別為，和，介質中總的原子集居數(shù)密度為n，則可以寫出四能級的速率方程為： 六HeNe激光器的激發(fā)過程在HeNe激光器中，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的主要激發(fā)過程如下：第一是共振轉移。由能級圖可見，He原子的21S0、23S1態(tài)分別與Ne原子的3S、2S態(tài)靠得很近，二者很容易進行能量轉移，并且轉移幾率很高，可達95%，其轉移過程如下：第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動能的電子進行非

10、彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和3S態(tài)，與共振轉移相比，這種過程激發(fā)的速率要小得多。第三是串級躍遷，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)，與前述兩過程相比，此過程貢獻最小。根據(jù)能量躍遷選擇定則，Ne原子可以產(chǎn)生很多條譜線，其中最強的譜線有三條，即0.6328um、3.39um和1.15um，對應躍遷能級分別為3S22P4,3S23P4和2S22P4。2P和3P態(tài)，不能直接向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。lS態(tài)向基態(tài)的躍遷是被選擇定則禁止的，不能自發(fā)地回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。這就是為什么HeNe激光器中要有一根內徑較細的放電管的原因。從能級圖可

11、見，HeNe激光器是典型的四能級系統(tǒng)。七、HeNe激光器的輸出特性 （1）譜線競爭: He-Ne激光器三條強的激光譜線：3S®2P 0.6328mm ， 2S®2P 1.15mm ， 3S®3P 3.39mm 中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質膜反射鏡的波長選擇。見圖(2) 0.6328um和3.39umm兩條激光譜線有共同的激光上能級3S,而后者增益系數(shù)比較高,如果不進行抑制,則3.39um的輻射在腔內振蕩過程中將消耗大量的3S2態(tài)原子。抑制3.39um輻射的辦法主要有:選用對3.39um的光具有低反射率的諧振腔反射鏡,使3.39um達不到閾值條件,如下圖所示

12、,在腔內加色散棱鏡,將兩譜線分開,通過調整諧振腔反射鏡的位置,只允許0.6328um的輻射起振,而使3.39um的輻射偏離出諧振腔外; 圖3腔內放置甲烷吸收盒,因為甲烷對3.39um的光具有強吸收而對0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振蕩; 外加非均勻磁場也能抑制3.39um振蕩。根據(jù)塞曼效應,磁場可引起譜線分裂,分裂的大小與磁場強度成正比。如果激光管內磁場分布不均勻,則各處譜線分裂程度不同并連成一片,相當于譜線變寬。300高斯非均勻磁場中,兩譜線加寬均約900MHz,0.6328umm原譜線半寬度約1500MHz,非均勻磁場對它展寬的比例不大。但3.39um原譜線寬只有3

13、00MHz左右,非均勻磁場的加寬比它大幾倍。由于增益系數(shù)反比于線寬,所以外加非均勻磁場后,3.39um的增益系數(shù)急劇下降,而0.6328m的增益系數(shù)卻下降很少.結果提高了0.63281um的競爭能力,3.39um則被抑制。外加非均勻磁場的裝置如上圖所示,沿放電管軸向放置許多小磁鐵,相鄰的極性相同,這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場。 圖4 (2) 輸出功率特性 : He-Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。 圖5表示輸出功率與放電電流的關系曲線。曲線表明:在氣壓比為定值時,每個總氣壓都存在一個輸出最大的放電電流,其大小隨著總氣壓的升高而降低,這是因為氣壓升高,只需要較小的放電電流就能得到

14、相同的電子密度。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流 圖5 輸出功率與放電電流的關系曲線 He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件。 實驗發(fā)現(xiàn)，氦氣與氖氣的分壓比為71時是最佳分壓比。而總壓強在100Pa400Pa。選用He氣作輔助氣體的原因:Ne原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級 ；He*與Ne*能級極相近, 易發(fā)生能量共振轉移 。若放電毛細管的直徑為d，充氣壓強為p，則存在一個使輸出功率最大的最佳pd值。給出了在不同的毛細管內徑d和長度l時,輸出功率與充氣總氣壓和氣壓比的實驗曲線。由圖可見,內徑d不同,最佳充氣壓和氣壓比也不同。氣壓也增加

15、。計算可得:當取最佳充氣條件時,最佳氣壓Popt與毛細管內徑的乘積約為一常數(shù),一般Poptd=480533Pamm. 圖6輸出功率與充氣總氣壓和氣壓比的實驗曲線在最佳放電條件下，工作物質的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。 八、HeNe激光器的壽命 HeNe激光器使用一段時間或存放一段時間后，它的輸出功率會逐漸降低，以致最后沒有激光輸出?，F(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1e的工作時間為器件的壽命。影響器件壽命的因素大致有以下幾方面：1慢漏氣 當放電管密封不嚴密時，空氣中的氮、氫等氣體分子會滲透到管內，使放電條件改變并加快氦、氖原子激發(fā)態(tài)的消失速率，無疑，這將影響器件輸出功率。出現(xiàn)慢漏氣時，激光

16、器的放電顏色將由正常放電時的橙紅色變?yōu)樽仙ㄗ仙堑肿虞x光放電產(chǎn)生的）。容易出現(xiàn)慢漏氣的地方有：電極與玻璃封接處；諧振腔反射鏡或布儒斯特窗與放電管粘合處以及吹制管坯時可能留下來的微小漏氣孔。為防止慢漏氣，要提高封接工藝水平并改革現(xiàn)有封接方法。2放電管內元件放氣 放電管內的元件及放電管內壁都會吸附雜質氣體，如果除氣不徹底，以后就會慢慢釋放出來。同時激光管清洗得不干凈時，污物和洗液也會放出大量雜質氣體，這些雜質氣體會改變原充氣的氣體成分，影響輸出功率。為克服放氣，要對放電管及其內部元件進行認真清潔處理和除氣。此外，在放電管內可放置吸氣劑，例如鋇鈦、鋇鋁鎳等，它們可吸收大量氮氣、二氧化碳、一氧化碳

17、、水蒸氣、氧、氫等，但不吸收氦、氖。3陰極濺射 陰極在正離子轟擊下會產(chǎn)生陰極濺射，濺射出來的金屬材料會吸收工作氣體，導致管內工作氣壓降低。同時濺射物質還會污染諧振腔反射鏡或布儒斯特窗片。為了減少濺射，要選用不易濺射的金屬做電極，并避免表面放電電流密度超過濺射閾值。為防止濺射物吸收造成的工作氣壓降低，在充氣時可略高于最佳總氣壓。4工作氣體的吸附、吸收和滲透 放電管內的工作氣體可被電極和管壁吸附在表面，或吸收到金屬和玻璃內部，甚至還會透過管壁滲透到大氣中去。氖的電離電位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直徑比氖小，它滲出管外的能力比氖強。由于這些原因，管內的總氣壓和氦、氖氣壓比會慢慢變化，使之偏離最佳工作狀態(tài)，造成輸出功率下降。為防止氦氣滲出，要選用滲氦低的材料做放電管。為防止氦氣滲出造成氣壓比降低，充氣時充入的氣壓可高于最佳氣壓比。還可以采用三層套管，即在放電管外再加一層氦氣補償套管，管內充入的氦氣，氣壓應高于放電管內的氣壓。5諧振腔反射鏡的污染濺射沉積在反射鏡上或放電管內未加清除掉的污物揮發(fā)后會沉積到反射鏡上，促使其反射率下降。為防止反射鏡污染，除認真清潔內部和減少濺射外，設計HeNe激光器時，應注意反射鏡到陰極的距離要大于3cm。 目前HeNe激光器最長的壽命可達10萬小時九、氦氖激光器的優(yōu)點及應用 HeNe激光器擁有非常多其他激光器所難以