《激光原理》課件：2-2

1、2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器632.8nm1.15 m3.39 m有三種波長有三種波長不可見不可見2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器一、一、 基本結構基本結構 （1） M1、M2是兩個反射鏡，構成一個光學諧振腔。是兩個反射鏡，構成一個光學諧振腔。M1是是平面反射鏡，鍍七層介質膜，屬平面反射鏡，鍍七層介質膜，屬/4 膜系（或硫化鋅一氧化鎂，膜系（或硫化鋅一氧化鎂，或氧化鋯一氧化硅）。反射率或氧化鋯一氧化硅）。反射率R9598。M2是凹面反是凹面反射鏡，鍍射鏡，鍍17層介質膜，反射率層介質膜，反射率R100，也屬，也屬1/4入膜系（入膜系（

2、/4膜系中的膜系中的有三種波長：有三種波長：6328、1.15m、3.39m）。你希望這）。你希望這個個He-Ne激光器出什么波長就鍍什么膜。激光器出什么波長就鍍什么膜。激光激光2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（2）激光器（除反射鏡）激光器（除反射鏡M1、M2外的全部）是硬質玻璃（或外的全部）是硬質玻璃（或石英玻璃）殼，由人工吹制而成。石英玻璃）殼，由人工吹制而成。S內充內充He氣和氣和Ne氣，氣，He：Ne7：1，總氣壓為幾托。，總氣壓為幾托。（3）毛細管（）毛細管（A）：一根玻璃管，內徑）：一根玻璃管，內徑0.82mm。當電極加。當電極加上高壓后，毛細管中的氣體

3、開始放電使氖原子受激，產生粒上高壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產生粒子數反轉。子數反轉。（4）陰極區(qū)。區(qū)內裝有陰級）陰極區(qū)。區(qū)內裝有陰級D，一般都用鉛做成筒狀，因為鉛，一般都用鉛做成筒狀，因為鉛的電子發(fā)射率高和濺射率小，筒狀是為了增加電子發(fā)射面積和的電子發(fā)射率高和濺射率小，筒狀是為了增加電子發(fā)射面積和減少陰極濺射（氣體發(fā)生自激放電，從陰極發(fā)射出的原子或原減少陰極濺射（氣體發(fā)生自激放電，從陰極發(fā)射出的原子或原子團可沉積在陽極或真空室的壁上，這種濺射稱為陰極濺射）。子團可沉積在陽極或真空室的壁上，這種濺射稱為陰極濺射）。（5）陽極（）陽極（C）：是一直徑為）：是一直徑為2mm的鎢桿（棍

4、）。的鎢桿（棍）。（6）高壓直流電源：能輸出幾千伏電壓，電流從）高壓直流電源：能輸出幾千伏電壓，電流從3mA10mA。這種這種He-Ne激光器具有全封閉結構，叫內腔式激光器。激光器具有全封閉結構，叫內腔式激光器。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（7）布氏窗：輸出線偏振光，垂直于紙面的光反射出腔外。）布氏窗：輸出線偏振光，垂直于紙面的光反射出腔外。 二、氦氖激光器放電通路和所需電壓和電流二、氦氖激光器放電通路和所需電壓和電流 1. 打開高壓直流電源，電源輸出一數千伏直流高壓。打開高壓直流電源，電源輸出一數千伏直流高壓。2. 直流高壓加在正負極上，通路是：正極直流高壓加

5、在正負極上，通路是：正極A區(qū)（毛細管）區(qū)（毛細管）C區(qū)區(qū)D負極負極R（大電阻，幾十（大電阻，幾十K）電源電源正極。正極。高壓使高壓使He-Ne氣體擊穿導電，電流（幾氣體擊穿導電，電流（幾mA）沿上述回路流）沿上述回路流動放電氣體呈橙紅色，口頭上說：激光器點著了。動放電氣體呈橙紅色，口頭上說：激光器點著了。3. 氣體擊穿前，氣體擊穿前，He-Ne激光器正負極間電壓為數千伏，氣體激光器正負極間電壓為數千伏，氣體擊穿后，大電阻擊穿后，大電阻R分去部分電壓，在長管的兩極間有數百伏分去部分電壓，在長管的兩極間有數百伏電壓，流過電壓，流過He-Ne激光的電流比較小，激光的電流比較小，410mA。4. 激光

6、器點著后，激光器點著后，Ne原子立即被抽運到高能級，實現粒子數原子立即被抽運到高能級，實現粒子數反轉并形成增益大于損耗的狀態(tài)，立即出現激光束。反轉并形成增益大于損耗的狀態(tài)，立即出現激光束。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器三、氦氖激光器三、氦氖激光器632.8nm波長激光激發(fā)機理波長激光激發(fā)機理Ne基態(tài)的電子組態(tài)為：基態(tài)的電子組態(tài)為：622221PSSNe原子基態(tài)能級為：原子基態(tài)能級為：01S受激時，受激時，2P殼層中的一個電子躍遷到較高能級態(tài)而形殼層中的一個電子躍遷到較高能級態(tài)而形成激發(fā)態(tài)。成激發(fā)態(tài)。Ne原子電子激發(fā)組態(tài)可以為：原子電子激發(fā)組態(tài)可以為：SPSS322

7、1522PPSS3221522SPSS4221522PPSS4221522SPSS52215222.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器習慣上習慣上Ne原子的能級用帕刑符號表示，原子的能級用帕刑符號表示，Ne原子激發(fā)組態(tài)原子激發(fā)組態(tài)與帕刑符號的關系用下圖表示：與帕刑符號的關系用下圖表示：電子組態(tài)電子組態(tài) 帕邢符號帕邢符號1S2P2S3P3S子能級子能級1S51S41S31S22P102P92P82P72P62P52P42P32P22P12S52S42S32S23P103P93P83P73P63P53P43P33P23P13S53S43S33S2SP 325PP 325SP

8、425PP 425SP 5252.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器所謂激光激發(fā)機理就是激光器和產生激光有關的各能級所謂激光激發(fā)機理就是激光器和產生激光有關的各能級的躍遷過程。的躍遷過程。632.8nm激光輸出激光輸出4223PS 3.39 激光輸出激光輸出m4233PS 1.15 激光輸出激光輸出m4222PS 未未畫畫出出2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器1、和產生、和產生632.8nm激光激光有關的有關的He和和Ne的能級結的能級結構。構。（1）He有二個能級參予激光過程?；鶓B(tài)有二個能級參予激光過程?；鶓B(tài) 和亞穩(wěn)態(tài)能級和亞穩(wěn)態(tài)能級 2 ，亞

9、穩(wěn)態(tài)能級有較長的壽命。，亞穩(wěn)態(tài)能級有較長的壽命。01S01S（2）Ne有四個能級參予有四個能級參予632.8nm的激光過程。基態(tài)的激光過程。基態(tài) 。能。能級：級：1S2。能級：。能級：2P4 ，壽命是，壽命是19.1ms。能級：。能級：3S2（壽命（壽命1020ms。01S2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（7）1S態(tài)原子主要通過與管壁碰撞把能量交給管壁而回態(tài)原子主要通過與管壁碰撞把能量交給管壁而回到基態(tài)，這一過程稱為到基態(tài)，這一過程稱為“管壁效應管壁效應”。（6）2P4能級不能向基態(tài)躍遷（違禁的），而是通過自發(fā)輻能級不能向基態(tài)躍遷（違禁的），而是通過自發(fā)輻射躍遷到射

10、躍遷到1S2態(tài)。態(tài)。（5）Ne*原子的（原子的（3S2）向）向2P4躍遷，發(fā)出躍遷，發(fā)出632.8nm的光。的光。（4）He原子在原子在2 能級上不能通過自發(fā)輻射回到基態(tài)。但能級上不能通過自發(fā)輻射回到基態(tài)。但He*原子和基態(tài)原子和基態(tài)Ne原子發(fā)生非彈性碰撞，把能量轉移給原子發(fā)生非彈性碰撞，把能量轉移給Ne原原子，使子，使Ne原子激發(fā)到原子激發(fā)到3S2能級上。這就是所謂能量的共振轉能級上。這就是所謂能量的共振轉移。移。01S2. 激發(fā)過程激發(fā)過程（1）在熱平衡狀態(tài)下，）在熱平衡狀態(tài)下，He原子和原子和Ne原子幾乎全部原子幾乎全部在自己的基態(tài)上（也就是在自己的基態(tài)上（也就是所有原子都處于能量最低所

11、有原子都處于能量最低狀態(tài)），而其它能級基本狀態(tài)），而其它能級基本上是空的。上是空的。（3）He原子的原子的 2 是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，能積累大量是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，能積累大量He原原子。激發(fā)態(tài)原子常用子。激發(fā)態(tài)原子常用He*表示。表示。01S（2）當激光管放電時，陰極發(fā)射電子高速向陽極運動，電子在運）當激光管放電時，陰極發(fā)射電子高速向陽極運動，電子在運動中與基態(tài)動中與基態(tài)He原子發(fā)生頻繁非彈性碰撞，電子能量轉移給原子發(fā)生頻繁非彈性碰撞，電子能量轉移給He原子，原子，使使He原子從基態(tài)激發(fā)到原子從基態(tài)激發(fā)到2 。這種碰撞可能是幾個電子輪番碰撞。這種碰撞可能是幾個電子輪番碰撞一個一個He。01S2.

12、2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（a）He的的2 能級比能級比Ne的的3S2能級能量稍低一些能級能量稍低一些（0.0048eV），這一能量是由原子熱運動的動能補充的。），這一能量是由原子熱運動的動能補充的。01S（b）Ne的的3S2能級壽命不太長（能級壽命不太長（1020mS），但），但He*和基態(tài)和基態(tài)Ne原子碰撞幾率極大，所以原子碰撞幾率極大，所以3S2上能積累大量激發(fā)態(tài)上能積累大量激發(fā)態(tài)Ne原子。原子。說明：說明：四、激光產生的過程四、激光產生的過程 1. 在激光管點燃時，下述二過程同時發(fā)生著：在激光管點燃時，下述二過程同時發(fā)生著：2.2 HeNe激光器激光器第第

13、2章章 典型激光器典型激光器（1）Ne*（2S2）能級（激光上能級）粒子的積累過程：）能級（激光上能級）粒子的積累過程：共振轉移共振轉移電子碰撞電子碰撞Ne原子從基態(tài)被高速率抽運到激光上能級原子從基態(tài)被高速率抽運到激光上能級3S2。01SHe101SHe2（2）Ne（2P4）能級（激光下能級）的出空過程：）能級（激光下能級）的出空過程： 2P4 1S2基態(tài) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射管壁效應管壁效應總之，激光上能級粒子數增大，而激光下能級是空的，所以總之，激光上能級粒子數增大，而激光下能級是空的，所以粒子數反轉就建立起來了，從而在毛細管內建立起增益區(qū)。粒子數反轉就建立起來了，從而在毛細管內建立起增益區(qū)。

14、2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2. 光學諧振腔的反饋反射作用，使平行于毛細管軸線運動的光學諧振腔的反饋反射作用，使平行于毛細管軸線運動的光子反復通過毛細管多次而得到放大。光子反復通過毛細管多次而得到放大。3. 當光在毛細管中通過時，如果所獲得增益高于光的損耗時，當光在毛細管中通過時，如果所獲得增益高于光的損耗時，激光就產生了。激光就產生了。dlG4103光的單程損失，主要是兩片反射鏡透射率引起的。光的單程損失，主要是兩片反射鏡透射率引起的。光增益系數（單程）光增益系數（單程）:例如：當全反鏡和輸出鏡的透過率分別為例如：當全反鏡和輸出鏡的透過率分別為 和和 （九層介

15、質膜）時，總損耗（單程）（九層介質膜）時，總損耗（單程）2.2。這時腔長多。這時腔長多長才能出光？（長才能出光？（G）如果）如果d=1mm，計算得毛細血管有效，計算得毛細血管有效長度必須大于長度必須大于70mm才能產生激光。才能產生激光。%2 . 0T%2T2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器如何抑制如何抑制3.39 激光振蕩？激光振蕩？m（1）用色散棱鏡把）用色散棱鏡把3.39 的光散射掉。的光散射掉。m（2）腔內放置甲烷吸收盒。甲烷對）腔內放置甲烷吸收盒。甲烷對632.8nm的光的光 透明，對透明，對3.39 吸收。增大其在腔內的損吸收。增大其在腔內的損 耗抑制其振

16、蕩。耗抑制其振蕩。m（3）外加非均勻磁場。利用塞曼效應，磁場）外加非均勻磁場。利用塞曼效應，磁場 引起譜線分裂。波長越長譜線分裂越寬，引起譜線分裂。波長越長譜線分裂越寬， 增益越小。增益越小。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器五、影響激光功率的參數五、影響激光功率的參數1. 兩反射鏡不平行（稱為光學諧振腔失調）。這時，反射兩反射鏡不平行（稱為光學諧振腔失調）。這時，反射鏡失去反饋作用（或說腔損耗增大），一般認為二鏡平行鏡失去反饋作用（或說腔損耗增大），一般認為二鏡平行度應小于約半分。度應小于約半分。2. 輸出鏡最佳透過率。如果輸出鏡反射率輸出鏡最佳透過率。如果輸出鏡反

17、射率R很大，則光腔很大，則光腔損失很小，易于滿足增益大于損耗，很易出光，但光只損失很小，易于滿足增益大于損耗，很易出光，但光只在腔內而不能輸出；如果輸出鏡反射率在腔內而不能輸出；如果輸出鏡反射率R很小，光腔損失很小，光腔損失就大，以至于增益比損耗還小，又不能產生光輻射。所就大，以至于增益比損耗還小，又不能產生光輻射。所以要求有最佳透過率，它往往是由實驗得出。以要求有最佳透過率，它往往是由實驗得出。3. 最佳放電電流。經驗證明、激光管點燃后，如果從最小最佳放電電流。經驗證明、激光管點燃后，如果從最小輸入電流（一般輸入電流（一般3mA）逐漸增大，）逐漸增大，He-Ne激光光功率也增激光光功率也增大，但達到一定值后，電流增加，光功率反而變小。大，但達到一定值后，電流增加，光功率反而變小。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器六、輸出特性六、輸出特性 1. 輸出功率。有兩個特點：（