氦氖激光器论文

单模非均匀加宽氦氖激光器姓名：邓凡水学号B41014031专业：10电科激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器和激光放大器的发展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器（晶体和玻璃）；②气体激光器；③液体激光器；④半导体激光器；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器具有很诱人的前景。气体激光器所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等。我要介绍的氦氖激光器就属于气体激光器中的原子气体激光器。氦氖激光器于1961年A.贾文等人研制成功，是最早研制成功的气体激光器。氦氖激光器的结构与特点工作物质：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﹑单细管式典型谱线：632.8nm1.15m3.39m其他谱线：612nm594nm543nm优点：1.光束质量好Θ＜1mrad2.单色质量好，带宽＜22Hz3.稳定性高功率稳定（＜2％）频率稳定（＜5×10-15）4.在可见光区氦氖激光器的工作原理最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成，当一些氖原子在实现了集聚数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地产生出相当强的激光，这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近100%，即完全反射，另一个反射率约为98%，激光就是从后一个反射镜射出的。一、激励机制氦氖激光器是典型的四能级系统，阴极和阳极间通过充有氦氖混合气的毛细管放电使氖原子的某一对或几对能级间形成集居数反转。虽然混合气体中氦的含量倍于氖，但激光跃迁只发生于氖原子的能级间，辅助气体氦的作用是提高泵浦效率。在一定的放电条件下，阴极发射的电子向阳极运动并被电场加速，快速电子与基态氦原子发生非弹性碰撞时将氦原子激发到激发态21S0而自身减速。21S0是亚稳态，因而可积聚大量氦原子。当激发态氦原子和基态氖原子发生非弹性碰撞时将氖原子激发到3S2能级。这一过程称作共振能量转移。共振能量转移碰撞截面随对应激发态能量差的减小而急剧增加。由于氦原子的21S0和氖原子的3S2能级十分接近，因而具有很大的共振能量转移截面。而激光跃迁的下能级2P4上的氖原子仅仅来源于电子碰撞激发和高能级的串级激发，其寿命又比上能级3S2的寿命低一个量级，所以在氖原子的3S2和2P4能级间很容易建立集居数反转状态并实现连续激光运转。共振能量转移：He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S﹑2S态靠得很近He+eHe（21S0）+eHe+eHe（23S1）+eHe（21S0）+NeHe+Ne（3S2)+0.048evHe（23S1）+NeHe+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+Nee+Ne（2S)e+Nee+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。二、谱线竞争氦氖激光器的三条最强的激光谱线中哪一条谱线起振完全取决于谐振30413/1KnnKnn)(4440404AnSnnSnndtdnee)/(40404ASnSnnnee))(/1(43004013ASnKnSnnKnneeAnSnnSnndtdnee2220212腔介质膜反射镜的波长选择。632.8nm和3.39m两条激光谱线具有相同的上能级，因此这两条谱线之间存在着强烈的竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，显然3.39m谱线的增益系数远大于632.8nm谱线。在较长的632.8nm氦氖激光器中，虽然介质膜反射镜对632.8nm波长的光具有较高的反射率，仍然会产生较强的3.39m波长的放大的自发辐射或激光，这将使上能级集居数减少，从而导致632.8nm激光功率下降。为了获得较强的632.8nm激光输出，可采用下述方法抑制3.39m辐射的产生：借助腔内棱镜色散使3.39m激光不能起振：腔内插入对3.39m波长的光吸收的元件：借助轴向非均匀磁场使3.39m谱线线宽增加，从而使其增益下降。三、最佳放电条件求粒子反转数△n＝n3-n2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同样，Ne的2P4能级的粒子密度n2的速率方程为3330413nnKnnKndtdn稳态后，dn2/dt＝0，得因自发辐射几率A很大，故上式可变为：就可以分析粒子反转数△n与放电条件的关系。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，从而可表示为：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四、输出功率氦氖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。但输出功率的公式不容易求解，一般引入图解法。影响氦氖激光器输出功率的因素很多，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所以有必要使用一定的方法提高输出功率：)/(20212ASnSnnneeASnnne/0212)/(213AiKiKniKn321、增加毛细管长度可使输出功率增加。但过长，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，并合理设计谐振腔长，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。单横模的实现谐振腔中不同横模具有不同的损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。激光器以TEM00模单模运转的充分条件是：TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的单程损耗，即应有eg000√r1r2(1-δ_00)≫1而损耗高于基模的相邻横模却应该同时满足eg100√r1r2(1-δ_10)1式中，g000和g100分别为工作物质中TEM00模和TEM10模的小信号增益系数；δ_00和δ_10分别为二模式的单程衍射损耗。在各个横模的增益大体相同的条件下，不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选择的根据。因此，必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，δ_10／δ_00越大，则横模鉴别力越高。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有足够的比例。实现横模选择的几种具体方法：1、小孔光阑选模在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗，使其滞上面两个公式，从而使激光器实现基横模运行。这一方法的实质是使光斑尺寸较小的基模无阻挡地通过小孔光阑，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不同，所以小孔光阑的大小因其位置而异。为了扩大基横模体积，充分利用激光工作物质常采用聚焦光阑法选模。2、谐振腔参数g、N选择法适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N值，使谐振腔的衍射损耗满足上面两个公式，可使激光器的输出基横激光束。3、非稳腔选模非稳腔是高损耗腔，不同的横模的损耗有很大差异。近年来，利用非稳腔在高增益激光器中选择横模的方法被广泛采用。4、微调谐振腔对于平面腔，当腔镜倾斜时基模损耗增加最显著，腔的偏调有利于高阶模的优先振荡。对于稳定腔，由于基模体积最小而高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显著增大，基模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。这样，适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。非均匀加宽—多普勒加宽（多纵模振荡）如果假设能级是无限窄的，则可近似认为自发辐射是单色的，辐射时全部功率P都集中在一个单一的频率上，实际上由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，而是分布在中心频率附近的一个很小的频率范围内，这就叫谱线加宽。谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属于均匀加宽类型。而非均匀加宽的特点是，原子体系中每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的。气体工作物质中的多普勒加宽和固体工作物质中的晶格缺陷加宽均属非均匀加宽类型。虽然氦氖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，但是氦氖激光器谱线宽度的数据中：Δυ_N≈107Hz,Δυ_L为（100～300Hz）,Δυ_≈1500MHz。可见，在氦氖激光器中，可以认为是多普勒加宽占主要优势。在氦氖激光器中，假设有多个纵模满足振荡条件，由于某一纵模光强的增加，并不会使整个增益曲线均匀下降，而只是在增益曲线上造成对称的两个烧孔，所以只要纵模间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所以小信号增益系数大于一定值的纵模都能稳定振荡。因此，在氦氖激光器中，是多纵模振荡。