氦氖激光器電源設(shè)計(jì)報(bào)告

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1、通信與信息工程學(xué)院激光器件與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)姓名：學(xué)號(hào)：1207060221指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：2016.1.4-2016.1.15成績(jī)：評(píng)語(yǔ)：通信與信息工程學(xué)院二〇一六年氦氖激光器電源設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)熟悉激光器的基本原理和組成；2)掌握氦氖激光器工作原理；3)掌握氣體激光器對(duì)電源的要求；4)學(xué)會(huì)氣體激光器電源的設(shè)計(jì)和制作方法；5)完成3mW氦氖激光器放電電源的制作與調(diào)試。2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備He-Ne激光器、萬(wàn)用表、線路板、1N4007型二極管、0.022μF瓷片容器10uF電解電容、1MΩ電阻、44KΩ10W碳膜電阻。3氦氖激光器的工作原理3.1氦氖激光器的基本組成1)放

2、電管放電管由放電毛細(xì)管和貯氣管構(gòu)成，其中毛細(xì)管處于增益介質(zhì)工作區(qū)，是決定激光器輸出性能的關(guān)鍵組成部分，之所以采用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)是由氖原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定的。貯氣管與毛細(xì)管相連，且毛細(xì)管的一端有隔板，這是為了保證放電管的工作物質(zhì)總量，使毛細(xì)管內(nèi)的氣體得到不斷的更新，減緩了放電時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的雜質(zhì)氣體的增加和氦氖氣壓比的變化速率，延長(zhǎng)了器件壽命。普通的氦氖激光器放電管一般用GG17硬質(zhì)玻璃制成，而高穩(wěn)定性器件常采用熱脹洗漱更小的適應(yīng)玻璃制成。2)電極電極有陽(yáng)極和陰極，陰極多采用冷陰極方式，冷陰極材料多采用陰極濺射效應(yīng)小，電子發(fā)射率高的鋁和鋁合金制成。為了進(jìn)一步增加電子發(fā)射截面和降低濺射效應(yīng)，陰極常制成

3、圓筒狀，并有盡可能大的尺寸；陽(yáng)極一般用鎢針制成。一般氦氖激光器多采用直流放電激勵(lì)，處于正常輝光放電區(qū)域，屬于高電壓、低電流自持放電，起輝電壓約為8kV/m，放電電流在幾毫安到幾百毫安范圍內(nèi)，作為增益區(qū)域的毛細(xì)管幾乎整體處在正柱區(qū)中。3)光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔有一對(duì)鍍有多層高反射率介質(zhì)膜的反射鏡組成，一般采用平凹腔形式，平面鏡為輸出鏡，透過(guò)率約為1%~2%，凹面鏡為全反射鏡，反射率接近100%。通常根據(jù)諧振腔的結(jié)構(gòu)不同分為內(nèi)腔式氦氖激光器、外腔式氦氖激光器、半內(nèi)腔式氦氖激光器、旁軸式氦氖激光器和單毛細(xì)管式氦氖激光器。3.2氦氖激光器的最佳放電條件放電條件包括放電電流，充氣氣壓，充氣混合比等。

4、這三者均與放電管直徑有著密切關(guān)系。對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的充氣氣壓，存在一個(gè)與最大輸出功率對(duì)應(yīng)的放電電流。充氣氣壓增大，最佳放電電流減小。放電電流的變化主要是改變電子密度，對(duì)輸出功率的影響具體分析。在最佳充氣條件下，對(duì)應(yīng)著最大輸出功率的放電電流成為最佳放電電流。在充氣混合比一定時(shí)，每個(gè)充氣氣壓存在一個(gè)最佳放電電流，最佳放電電流隨總氣壓的升高而降低，還與放電管直徑有關(guān)，隨放電管直徑增大而增大。3.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立過(guò)程氦氖激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的建立過(guò)程取決于能級(jí)結(jié)構(gòu)。氦氖激光躍遷屬于典型的四能級(jí)系統(tǒng)。泵浦能級(jí)為氦原子的亞穩(wěn)態(tài)、，激光上能級(jí)為氖原子的、，激光下能級(jí)為和，均為激發(fā)態(tài)。理論和實(shí)驗(yàn)表明

5、：采用直流放電激勵(lì)的氦氖激光器，其放電毛細(xì)管增益區(qū)處在正常輝光放電的正柱區(qū)，正柱區(qū)為等離子體。氦氖激光器實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布主要依靠電子碰撞激發(fā)和氦氖原子間的共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)的激發(fā)，以及對(duì)激光下能級(jí)的消激發(fā)過(guò)程。3.3.1激光上能級(jí)、的激發(fā)1）電子碰撞激發(fā)以適當(dāng)能量的電子與基態(tài)氖原子碰撞，使其激發(fā)到2s、3s態(tài)。反應(yīng)方程為（3-1）除此以外，處在正柱區(qū)的電子對(duì)1s、2p和3p能級(jí)也有激發(fā)，而且對(duì)1s、2p能級(jí)的激發(fā)幾率大于對(duì)2s、3s態(tài)的激發(fā)幾率，因此，單靠電子碰撞激發(fā)是不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的。常稱這些不能按人們意愿控制的激發(fā)為非選擇性激發(fā)。2）共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移激發(fā)以

6、適當(dāng)能量的電子與基態(tài)氦原子碰撞，使其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)21S。23S1，反應(yīng)方程為（3-2）這要求快電子具有能量分別為20.55eV、19.77eV，相應(yīng)電子溫度高達(dá)，比工作氣體溫度高。一般來(lái)說(shuō)，亞穩(wěn)態(tài)氦原子經(jīng)過(guò)共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)基態(tài)氖原子的選擇性激發(fā)，比電子碰撞激發(fā)的幾率要大。3.3.2激光下能級(jí)的消激發(fā)激光下能級(jí)的激發(fā)主要是電子碰撞，使基態(tài)氖原子躍遷到激發(fā)態(tài)和，其反應(yīng)方程為：（3-3）從激發(fā)態(tài)2P和3p向低能級(jí)的躍遷過(guò)程稱為消激發(fā)，主要是以自發(fā)輻射的形式首先躍遷到1s態(tài)，弛豫速率很快，因此1s能級(jí)上的氖原子數(shù)將出現(xiàn)堆積。把這種低能級(jí)粒子數(shù)出現(xiàn)阻塞的現(xiàn)象稱為瓶頸效應(yīng)。為了提高粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)分

7、布的絕對(duì)值，關(guān)鍵是排空1s能級(jí)的粒子。有效的方法時(shí)選擇低氣壓，細(xì)放電管直徑的結(jié)構(gòu)。4.氦氖激光器對(duì)電源的要求4.1氣體放電的基本原理氣體激光器的激勵(lì)方式一般是采用氣體放電。在平常情況下氣態(tài)物質(zhì)是絕緣體，當(dāng)加上電壓時(shí)，氣體中產(chǎn)生的電流很微弱，但當(dāng)電壓升高至一定值時(shí)電流會(huì)突然增大，同時(shí)電極間電壓突然減小，氣體從絕緣體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體,這叫做氣體的擊穿或“著火”。按照氣體導(dǎo)電的伏安特性曲線來(lái)劃分，擊穿后氣體導(dǎo)電還可分為正常輝光放電和反常輝光