氦氖激光器論文

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1、單模非均勻加寬氦氖激光器姓名：鄧凡水學(xué)號B41014031專業(yè)：10電科激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。自1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光器和激光放大器的發(fā)展非常迅速。激光工作物質(zhì)已包括晶體、玻璃、光纖、氣體、半導(dǎo)體、液體及自由電子等數(shù)百種之多。根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體激光器（晶體和玻璃）；②氣體激光器；③液體激光器；④半導(dǎo)體激光器；⑤自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器具有很誘人的前景。氣體激光器所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)

2、氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的不同，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等。我要介紹的氦氖激光器就屬于氣體激光器中的原子氣體激光器。氦氖激光器于1961年A.賈文等人研制成功，是最早研制成功的氣體激光器。氦氖激光器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)工作物質(zhì)：He-Ne氣體（He為輔助氣體），氣壓比為5：1－7：1諧振腔：一般用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過率約1％－2％，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

3、的位置不同分為同軸式﹑旁軸式﹑單細(xì)管式典型譜線：632.8nm1.15mm3.39mm其他譜線：612nm594nm543nm優(yōu)點(diǎn)：1.光束質(zhì)量好Θ＜1mrad2.單色質(zhì)量好，帶寬＜22Hz3.穩(wěn)定性高功率穩(wěn)定（＜2％）頻率穩(wěn)定（＜5×10-15）4.在可見光區(qū)氦氖激光器的工作原理最簡單的光學(xué)共振腔是由放置在氦氖激光器兩端的兩個相互平行的反射鏡組成，當(dāng)一些氖原子在實現(xiàn)了集聚數(shù)反轉(zhuǎn)的兩能級間發(fā)生躍遷，輻射出平行于激光器方向的光子時，這些光子將在兩反射鏡之間來回反射，于是就不斷地引起受激輻射，很快地產(chǎn)生出相當(dāng)強(qiáng)的激光，這兩個

4、互相平行的反射鏡，一個反射率接近100%，即完全反射，另一個反射率約為98%，激光就是從后一個反射鏡射出的。一、激勵機(jī)制氦氖激光器是典型的四能級系統(tǒng)，陰極和陽極間通過充有氦氖混合氣的毛細(xì)管放電使氖原子的某一對或幾對能級間形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)。雖然混合氣體中氦的含量倍于氖，但激光躍遷只發(fā)生于氖原子的能級間，輔助氣體氦的作用是提高泵浦效率。在一定的放電條件下，陰極發(fā)射的電子向陽極運(yùn)動并被電場加速，快速電子與基態(tài)氦原子發(fā)生非彈性碰撞時將氦原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)21S0而自身減速。21S0是亞穩(wěn)態(tài)，因而可積聚大量氦原子。當(dāng)激發(fā)態(tài)氦原子和基態(tài)

5、氖原子發(fā)生非彈性碰撞時將氖原子激發(fā)到3S2能級。這一過程稱作共振能量轉(zhuǎn)移。共振能量轉(zhuǎn)移碰撞截面隨對應(yīng)激發(fā)態(tài)能量差的減小而急劇增加。由于氦原子的21S0和氖原子的3S2能級十分接近，因而具有很大的共振能量轉(zhuǎn)移截面。而激光躍遷的下能級2P4上的氖原子僅僅來源于電子碰撞激發(fā)和高能級的串級激發(fā)，其壽命又比上能級3S2的壽命低一個量級，所以在氖原子的3S2和2P4能級間很容易建立集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)并實現(xiàn)連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn)。共振能量轉(zhuǎn)移：He原子的21S0和23S1態(tài)分別與Ne原子的3S﹑2S態(tài)靠得很近He+eHe（21S0）+eHe+eHe

6、（23S1）+eHe（21S0）+NeHe+Ne（3S2)+0.048evHe（23S1）+NeHe+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+Nee+Ne（2S)e+Nee+Ne（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(xiàn)最小。二、譜線競爭氦氖激光器的三條最強(qiáng)的激光譜線中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。632.8nm和3.39mm兩條激光譜線具有相同的上能級，因此這兩條譜線之間存在著強(qiáng)烈的競爭。由于增益系數(shù)

7、與波長的三次方成正比，顯然3.39mm譜線的增益系數(shù)遠(yuǎn)大于632.8nm譜線。在較長的632.8nm氦氖激光器中，雖然介質(zhì)膜反射鏡對632.8nm波長的光具有較高的反射率，仍然會產(chǎn)生較強(qiáng)的3.39mm波長的放大的自發(fā)輻射或激光，這將使上能級集居數(shù)減少，從而導(dǎo)致632.8nm激光功率下降。為了獲得較強(qiáng)的632.8nm激光輸出，可采用下述方法抑制3.39mm輻射的產(chǎn)生：借助腔內(nèi)棱鏡色散使3.39mm激光不能起振：腔內(nèi)插入對3.39mm波長的光吸收的元件：借助軸向非均勻磁場使3.39mm譜線線寬增加，從而使其增益下降。三、最佳

8、放電條件求粒子反轉(zhuǎn)數(shù)△n＝n3-n2穩(wěn)態(tài)時，dn3/dt＝0，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/dt＝0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/dt＝0，得因自發(fā)輻射幾率A很大，故上式可變?yōu)椋壕涂梢苑治隽Ｗ臃崔D(zhuǎn)數(shù)△n與放電條件的關(guān)系。在充氣壓和充