原理后半部分激光器件

第二講氣體激光器

氣體放電基本原理

He-Ne激光器

Ar+激光器

CO2激光器以單一氣體、混合氣體或蒸氣作為激光工作物質?？煞譃樵蛹す馄?、分子激光器和離子激光器三大類。優(yōu)點：

1.工作物質均勻一致。保證了激光束光束質量，大部分氣體激光器產(chǎn)生接近高斯分布的光束模式。激光束的相干性和單色性優(yōu)于固體、半導體激光器。

2.譜線范圍寬。有數(shù)百種氣體和蒸氣可以產(chǎn)生激光，已經(jīng)觀測到的激光譜線近萬余條。譜線范圍從亞毫米波到真空紫外波段，甚至x射線、γ射線波段。發(fā)展方向：高功率、大能量、高可靠性、小型化氣體激光器的特點氣體激光器的泵浦由于氣體工作物質的吸收譜線寬度小，不宜采用發(fā)射連續(xù)譜的非相干光源泵浦，通常采用氣體放電泵浦方式。在放電過程中，受電場加速而獲得了足夠動能的電子與粒子碰撞時，將粒子激發(fā)到高能態(tài)，在某一對能級間形成了粒子數(shù)反轉分布。還可以采用化學泵浦、熱泵浦和核泵浦。應用

與其它種類的激光器比較，氣體激光器的突出優(yōu)點是輸出激光的質量好。因此，氣體激光器在各個領域得到了愈來愈多的應用。第一章氣體放電基本原理

（一）氣體放電基本過程

在外加電場作用下，氣體中產(chǎn)生電流形成電離氣體稱之為氣體放電現(xiàn)象。常用的氣體激光器屬于弱電離氣體放電，氣體電離度很少有超過0.1％的。氣體放電過程中會產(chǎn)生多種粒子，它們之間的相互作用過程是一個復雜的電、光、化學作用的系統(tǒng)。

1、氣體放電粒子種類（1）中性氣體粒子：沒有電離前已存在粒子，激光工作物質及其輔助氣體。（2）帶電粒子：電子、負離子、正離子；其中電子對放電起主導作用。（3）受激粒子和光子：帶電粒子在電場力的作用下，產(chǎn)生運動和碰撞，使其能級發(fā)生變化，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，成為激發(fā)態(tài)粒子，激發(fā)態(tài)粒子從上能級向下能級躍遷時，會輻射光子。

一、氣體放電粒子種類及其碰撞的基本規(guī)律（1）彈性碰撞和非彈性碰撞

a)彈性碰撞：碰撞的粒子間只交換動能和動量，不交換內能，粒子間遵守動能和動量守恒定律。

彈性碰撞在確定氣體放電的傳遞系數(shù)中起主要作用，如熱傳導、電傳導、擴散、漂移等系數(shù)。

b)

非彈性碰撞：碰撞的粒子間既交換動能也交換內能，粒子間遵守能量和動量守恒定律。

非彈性碰撞在確定氣體放電的電參量和光參量中起主要作用，如電子溫度或能量、電子密度、受激能級的粒子數(shù)分布等。

2、粒子碰撞的基本規(guī)律

（2）碰撞能量轉移

A.彈性碰撞特點：碰撞前后動能和動量不變結果：平均能量損失率為若m1<<m2,很小

例如電子與氣體原子發(fā)生彈性碰撞,電子的平均能量損失率很小，但碰撞頻繁，單位時間傳遞總能量不可忽視。若m1m2

，1/2

例如離子與氣體原子或分子發(fā)生彈性碰撞，粒子間大量交換能量B.非彈性碰撞

特點：碰撞前后能量和動量不變，粒子的一部分動能轉換為粒子的內能W。轉換最大內能

若m1m2Wmax=E1/2

兩個質量相近粒子，離子最多將動能一半轉換為粒子的內能。若m1m2Wmax=E1

結論：質量小的粒子與質量大的粒子在非彈性碰撞時，如電子與原子碰撞，電子的動能可以絕大部分轉換為原子的內能，使原子發(fā)生激發(fā)或電離，這是氣體激光器利用放電激勵的主要機理。(3)碰撞截面、平均自由程和速率系數(shù)

A.碰撞截面:

s=πa2

單位：cm2.

代表大量電子與原子碰撞概率的統(tǒng)計平均值。既有粒子半徑的概念，又有相互碰撞概率的概念。

總碰撞截面：單位氣體體積中所有碰撞截面之和。它與氣體的壓強和溫度有關。

Q=Qm+Qe+Qi+…

Qm：彈性碰撞截面

Qe：激發(fā)碰撞截面

Qi：電離碰撞截面B.平均自由程：指每兩次碰撞之間所走路程的平均值。

l=1/Q

式中Q=Ns（總碰撞截面，表示單位體積中所有碰撞截面之和，單位cm－1）C.速率系數(shù)R

：單位時間內單位體積發(fā)生的碰撞次數(shù)。單位為cm3·s-1。f(v)：速度分布函數(shù)。s(v)：碰撞截面，是相對速度的函數(shù)二、激發(fā)與電離激發(fā)：中性氣體粒子(如原子)與其他粒子(如電子、正離子、光子等)發(fā)生碰撞時，原子中的價電子吸收外來粒子的能量，從原來的能級躍遷到較高的能級上去。電離：原子中一個或幾個電子因碰撞吸收能量而脫離了原子變成自由電子，使原子成為帶正電荷離子。

激發(fā)是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的必要條件。電離是維持放電平衡的必要條件。1.諧振能級和亞穩(wěn)能級諧振能級：受激原子自發(fā)躍遷回基態(tài)的過程稱為諧振躍遷過程。相應的激發(fā)能級稱為諧振能級。原子的激發(fā)能以光子形式輻射出來。受激原子壽命很短，約為10-8s

。諧振頻率亞穩(wěn)能級：不能通過輻射光子而自發(fā)躍遷回基態(tài)或較低能級的能級稱亞穩(wěn)能級。處于這種狀態(tài)的受激原子成為亞穩(wěn)原子。亞穩(wěn)原子壽命10-2s～10-4s。

2.電子碰撞引起的激發(fā)和電離

（1）電子與原子碰撞引起的激發(fā)和電離

原子激發(fā)原子電離

表示快速電子，A表示基態(tài)原子，A’表示受激原子，A+表示一次電離的正離子。

當電子能量很低時，電子與氣體原子碰撞不能使原子激發(fā)，只發(fā)生彈性碰撞；而當電子能量大于激發(fā)能時，電子才可能使原子激發(fā)。

氦的激發(fā)截面與電子能量關系曲線激發(fā)截面（電離截面）與電子能量的關系并非線性，有一最大值。電子能量小于激發(fā)能時，無激發(fā)。最大激發(fā)截面~4x10-18cm2(碰撞截面~10-16cm2)（2）電子與分子碰撞引起的激發(fā)和電離激發(fā)電離分子分解

此類碰撞會使分子的振動能級和轉動能級激發(fā)，這是CO2和CO激發(fā)的主要機理。b.振動能級和轉動能級的激發(fā)所需的能量很小。（3）電子與受激原子碰撞產(chǎn)生逐次激發(fā)和逐次電離逐次激發(fā)逐次電離

a.逐次激發(fā)和逐次電離使要求的電子平均能量降低。

b.亞穩(wěn)態(tài)原子和諧振輻射擴散使受激原子壽命增加，使逐次激發(fā)和逐次電離的概率增加。

（4）電子與正離子碰撞引起的激發(fā)和電離激發(fā)電離此過程要求電子有很高的能量。3.激發(fā)原子碰撞引起的激發(fā)和電離

（1）共振轉移：亞穩(wěn)原子A*與基態(tài)原子B碰撞，使基態(tài)原子B變成受激原子B’，亞穩(wěn)原子A*變成基態(tài)原子A。

概率由DE大小決定。

He-Ne、CO2激光器都有共振轉移。（2）潘寧電離

條件：亞穩(wěn)態(tài)原子的激發(fā)能大于和它相碰原子的電離能。4.光激發(fā)和光電離氣體粒子由于吸收了光子能量h，產(chǎn)生激發(fā)和電離。（激發(fā)能）（電離能）

使氣體電離的光一般是紫外光或更短波長的光。（銫原子電離電位3.89eV（所有元素中最低，對應光電離的波長為318.7nm）

光電離可用于氣體激光器預電離。5.其它形式的激發(fā)和電離（1）熱激發(fā)和熱電離高溫條件下，氣體粒子相互碰撞形成地激發(fā)和電離。一般情況下，在高氣壓和超高氣壓氣體中，形成弧光放電，熱激發(fā)和熱電離才起主導作用。（2）放射性射線引起的激發(fā)、電離與剩余電離放射性射線(a、b、g)都是高能粒子，能使氣體電離。三、復合、吸附與轉荷1.復合：

正負粒子中和形成中性粒子的過程。有空間復合和管壁復合。當電荷密度較大、氣壓比較高時，帶電粒子以空間復合為主；而當電荷密度較小，氣壓較低，放電管半徑較小，電極間距離較長時，則以管壁復合為主。

（1）空間復合

電子復合：電子與正離子在空間復合。

輻射復合

離解復合

離子復合：正、負離子在空間復合。

使原子與分子動能增加使其中一個激發(fā)使其中一個激發(fā)放出光子由于正、負離子的相對運動速度比較小，因此離子復合概率比電子復合概率大得多。（2）管壁復合

帶電粒子在放電管中運動，電子速度快，先到達管壁，且數(shù)量多，形成電場，吸引正離子，形成復合，稱為管壁復合。由于復合放出的能量可直接傳遞給管壁，致使管壁發(fā)熱。電子與中性粒子碰撞，中性粒子吸附電子，使粒子形成負離子。吸附概率與原子、分子結構有關，主要是外層電子數(shù)量。惰性氣體具有封閉外殼層，很難吸附電子；但有些氣體，外層缺電子，就容易吸附電子，形成負離子。吸附電子的總結果，使氣體導電條件變差。在CO2激光器中，這是帶電粒子減少的主要過程。2.吸附

正、負離子與氣體粒子碰撞，會發(fā)生電荷轉移，產(chǎn)生高速中性粒子和激發(fā)態(tài)離子。(1)對稱諧振轉荷：同一種類的兩個粒子間發(fā)生的電荷轉移。

(2)非對稱諧振轉荷：不同種類的兩個粒子間發(fā)生的電荷轉移。

如氮離子激光器427.8nm輻射，就是靠轉荷過程產(chǎn)生。

3.轉荷（二）氣體擊穿與各種放電形式

氣體在一般狀態(tài)下是絕緣體，但在一定條件下，可以形成電流，形成了導體。稱之為氣體擊穿。放電形式的分類：（1）維持放電方式：

自持放電：離開外界電離源，仍能維持放電。

非自持放電：離開外界電離源，不能維持放電。

（2）放電參量是否隨時間變化

穩(wěn)態(tài)放電：輝光放電、弧光放電、電暈放電。

非穩(wěn)態(tài)放電：高頻放電、脈沖放電、火花放電。

一、氣體擊穿及伏安特性1.氣體放電伏安特性I：非自持放電區(qū)A-C

（C點擊穿電壓）II：自持暗放電區(qū)C-DIII：過渡區(qū)D-EIV：正常輝光放電區(qū)E-FV：異常輝光放電區(qū)F-GVI：過渡區(qū)G-HVII：弧光放電區(qū)H-KI：非自持放電區(qū)A-C：電流很小10-20—10-11A。C點電壓稱著火電壓或擊穿電壓。II：自持暗放電區(qū)C-D：放電穩(wěn)定，電流仍很小10-10—10-7A。去掉電離源，仍能維持放電。III：過渡區(qū)D-E：放電將不穩(wěn)定，電流迅速增大，管壓降突然下降，到E點放電才穩(wěn)定。IV：正常輝光放電區(qū)E-F：電流增大，管壓降基本不變，管內出現(xiàn)輝光，陰極表面輝光斑隨電流增大而增大。V：異常輝光放電區(qū)F-G：放電電流過了F點，電流增大，管壓降又隨之增加，輝光布滿陰極表面，電流在10-4—10-1A。VI：過渡區(qū)G-H：提高電源電壓，電流迅速增大，管壓降突然下降，出現(xiàn)負的伏安特性。VII：弧光放電區(qū)H-K：出現(xiàn)明亮的弧光，電流在10-1A以上。擊穿電壓US是氣體激光器重要參量之一。（1）帕邢定律：擊穿電壓US是氣壓p和電極間距d乘積pd的函數(shù)，且擊穿電壓US有最小值。以（pd）min為界，曲線可分為左、右部分：2.擊穿電壓及影響因素

左部：pd增大，US下降?？偱鲎泊螖?shù)N起主導作用，利于放電。右部：pd增大，US上升。電子從每個自由程獲得能量減少起主導作用，不利于放電。A.氣體種類和成分氣體中摻入少量雜質氣體，若滿足潘寧電離條件，則電離率上升，如He＋Ne、He＋Gd，US下降。摻入少量負電性氣體，惰性氣體加入鹵族元素，它易吸附電子形成負離子，電子密度下降，US升高。摻入少量分子性氣體，US升高。例如CO2中N2増多，使電子能量降低，放電空間電離系數(shù)下降，放電困難，US升高。

B.電極材料與表面狀況陰極材料與表面狀況的變化直接影響到正離子轟擊下的陰極二次電子發(fā)射系數(shù)的大小。從而影響到擊穿電壓的大小。一般要求對陰極進行工藝處理．使其發(fā)射電子穩(wěn)定，以保持擊穿電壓的穩(wěn)定。不同材料有不同濺射率，隨原子序號的變化而變化。主要金屬的濺射率排序為：AgAuCuPtNiFeAlMoWTaAg、Au、Cu容易產(chǎn)生濺射；Al、Mo、W濺射率較?。?）影響擊穿電壓的其它因素C.電場分布的影響電極結構和極性決定了放電管擊穿前電極間的電場分布，它對擊穿電壓有顯著影響。例如，圓柱形電極系統(tǒng)，其極間電場分布是非均勻的?？刹捎镁鶆驁鲭姌O：Rogowski電極、Chang電極、Ernst電極等。若電極的極性接法不同。對陰極表面的電場強弱有很大影響，所以擊穿電壓會發(fā)生明顯的不同。D.預電離的影響：采用預電離的方法可降低US。放電管電極間在未加擊穿電壓之前，由于外界電離源的作用，使放電空間形成初始帶電粒子，即預電離。常用增強預電離的方法來降低擊穿電壓。例如，用強紫外光照射陰極使其產(chǎn)生光電子發(fā)射，或照射氣體使氣體原子光電離。也可在高氣壓放電管內加輔助電極，首先在輔助電極間產(chǎn)生預放電，這不僅能降低擊穿電壓，也可改善主放電的穩(wěn)定性。1.輝光放電的外貌和組成區(qū)域

陰極區(qū)，過渡區(qū)，正柱區(qū)，陽極區(qū)二、輝光放電的特征（1）陰極區(qū)：自持放電條件在此滿足，維持放電的關鍵區(qū)域。1）阿斯頓暗區(qū)電子被強電場加速，電子初速度小。不發(fā)光。2）陰極光層電子能量大于激發(fā)能，伴隨輻射發(fā)光。3）陰極暗區(qū)電子能量大于電離能，引起氣體電離，激發(fā)概率小，發(fā)光強度減弱。等離子體輝光放電的唯相結構陽極輝區(qū)正柱區(qū)法拉第暗區(qū)陰極輝區(qū)阿斯頓暗區(qū)陽極暗區(qū)和負極輝光區(qū)在實驗中并沒有觀測到;電壓增大，正柱區(qū)長度減小正柱區(qū)一端是半球體，可能是未電離的氬氣流動對輝光放電的影響d=155mm,P=40Pa實驗中觀察到的各區(qū)分布圖三個基本規(guī)律：a.當輝光放電電流較小時，陰極表面并未完全由輝光覆蓋，隨電流增大，陰極表面輝光成比例增大，但陰極電流密度jc、陰極位降UC保持不便；繼續(xù)增大電流，進入反常輝光放電。b.改變氣壓P，陰極區(qū)厚度dc發(fā)生變化。pdc=常數(shù)，氣壓高，陰極區(qū)厚度dc可以縮得很短。c.在陰極區(qū)，jc/p2為常數(shù)。當氣壓增大，電流密度增大。三個主要參量：陰極電流密度jc、陰極位降UC陰極區(qū)厚度dc。

（2）過渡區(qū):負輝區(qū)：高能電子繼續(xù)產(chǎn)生電離和激發(fā)，使帶電粒子密度增加，輻射發(fā)光增強；慢速電子與正離子復合，產(chǎn)生較強復合發(fā)光。法拉第暗區(qū)：電子能量低，不足以引起電離和激發(fā)，形成暗區(qū)。

(3)正柱區(qū)—等離子體區(qū)：電子與離子濃度很高，是等離子體區(qū)，起傳導電流作用，電位梯度很小，電場均勻。不是維持放電主要區(qū)域。氣體激光器大多是利用正柱區(qū)中粒子數(shù)反轉形成激光輻射。

（4）陽極區(qū)：陽極暗區(qū)，陽極輝光。作用：保證陽極接收到足夠電子以形成電流。三、弧光放電--大電流，低電壓氬離子激光器內的放電過程屬于弧光放電。閃電電焊電纜短路弧光燈弧光放電的一般特征（與輝光放電相比）

①弧光放電中陰極發(fā)射電子的機理主要是熱發(fā)射(難熔或低導熱的陰極材料)或場致發(fā)射(易熔或高導熱的陰極材料)，而輝光放電的陰極電子發(fā)射主要是過程；②弧光放電的陰極位降只有幾V~幾十V，而輝光放電的陰極位降為幾百V；弧光放電的陰極電流密度很大（幾十mA~幾千A/cm2），而輝光放電中陰極電流密度只有A~mA/cm2；高氣壓弧光放電為連續(xù)光譜(低氣壓弧光放電為分立光譜)，而輝光放電為分立光譜。弧光放電為下降的V—A特性曲線（Ua隨放電電流I增大而降低），而輝光放電中，陰極位降Un幾乎為常數(shù)。第二章氦氖激光器

（一）氦氖激光器的結構1.He-Ne激光器特點(1)He-Ne激光器是最早研制成功的氣體激光器(1960年末)。是最典型的惰性氣體激光器。(2)He-Ne激光器輸出的激光是連續(xù)光。(3)輸出譜線多。從可見光到紅外多條激光譜線。最強的是632.8nm、1150nm和3390nm三條譜線。目前又獲得橙光(612nm)、黃光(594nm)、綠光(543nm)的激光輸出。(4)輸出功率較小。放電管長幾十厘米的He-Ne激光器輸出功率為毫瓦量級，放電管長1～2米的激光器輸出功率可達數(shù)十毫瓦（最大的可達1W）。(5)結構簡單、使用方便、工作可靠、制造容易、光束質量好(發(fā)散角小于1mrad，接近衍射極限；單色性好，帶寬小于20Hz)。(6)應用廣泛。至今仍然是應用最廣泛的一種氣體激光器。特別是廣泛應用于精密測量、檢測、準直、導向、全息照相、信息處理、醫(yī)療、水中照明以及光學實驗和研究等許多方面。2.He-Ne激光器的結構(1)結構

He-Ne激光器的結構形式很多，但是都是由激光管和激光電源兩部分組成。

激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成。(2)類型①根據(jù)放電管和反射鏡放置的方式分—He-Ne激光器可以分為內腔式、外腔式和半內腔式三種。②按陰極及貯氣室位置的不同分—He-Ne激光器可以分為同軸式、旁軸式。3.各種結構的特點

(1)內腔式（適于短管）

將諧振腔的兩個反射鏡調整好后，用膠等材料固定在放電管的兩端。優(yōu)點——使用時不必進行調整，非常方便。缺點——在工作過程中放電管受熱變形，諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損壞增加，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。當諧振腔反射鏡損壞后不易更換，反射鏡內表面污染也無法清除。內腔式氦氖激光管的封接軟封接：將玻璃外套管兩端磨成相互平行，用粘合劑將輸出鏡、全反鏡粘貼在其玻璃外套管兩端。通常粘合劑是用普通環(huán)氧樹脂，壽命在一年左右（因普通環(huán)氧樹脂老化而使激光管漏氣）。此種工藝二十年前已逐漸被淘汰了。硬封接：在玻璃外套管兩端接上與玻璃膨脹系數(shù)相同的可伐（KOVAR，鐵鎳鈷合金）材料接頭，用低溫玻璃粉將輸出鏡、全反鏡粘貼在可伐接頭上，調節(jié)可伐接頭上的螺絲，使輸出鏡、全反鏡相互平行與放電管垂直。高溫封接：輸出鏡、全反鏡采用與玻璃外套管相同膨脹系數(shù)的玻璃材料，用高溫將輸出鏡、全反鏡封接在其玻璃外套管的兩端，用高溫小火煨烤玻璃外套管兩端，調整輸出鏡、全反鏡平行度，使其相互平行與放電管垂直。(2)外腔式（適于長管）

諧振腔反射鏡和放電管是分離的。反射鏡上有調整機構，可隨時進行調整。放電管的兩端貼有布儒斯特窗片（與毛細管軸線成布儒斯特角放置的平板玻璃），它既可以密封放電管，還可以使激光得到線偏振的激光輸出。優(yōu)點——諧振腔與放電管分離，放電管的熱變形對諧振腔的影響較小，加之諧振腔可以調整，所以長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。缺點——由于諧振腔與放電管分離，相對位置易變，需要經(jīng)常調整，使用不方便。外腔式氦氖激光器反射鏡與布氏窗的密封

由于靜電作用，放電管極易吸塵?；覊m、潮氣會污染布氏窗、輸出鏡、全反鏡，從而造成的激光輸出功率下降。方法：用無彈性的圓筒狀部件（如滌綸薄膜卷成的圓筒等）套在布氏窗與輸出鏡、全反鏡之間。此方法密封較差。用乳膠指套套在布氏窗與輸出鏡、全反鏡之間。乳膠指套幾個月就老化了，需要經(jīng)常換。

用模具成型耐老化的硅膠套緊扣在布氏窗與輸出鏡、全反鏡之間的。此方法密封性最好。(3)半內腔式一端采用內腔結構，另一端用布氏窗密封，放電管與反射鏡分開。兼有前兩者的優(yōu)點，適于作特殊要求的小型激光器的結構。(4)同軸式

陰極與毛細管同軸放置。優(yōu)點——結構緊湊、不易破碎，安裝方便。缺點——由于陰極安放在放電管內，陰極濺射物質容易污染窗片，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。反射鏡陽極毛細管陰極輸出透鏡同軸式、內腔式(5)旁軸式

陰極放在放電管外的支管里。優(yōu)點——可以增加儲氣量，濺射物質不易污染窗片，壽命比同軸式長，功率的穩(wěn)定性好。缺點——體積大，安裝使用不方便，易破碎。4.放電管

放電管是He-Ne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氣和氖氣，其比例為：

PHe:PNe=6:1

當電極上加上高壓后，毛細管中的氣體開始放電，使氖原子受激發(fā)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。（二）氦氖激光器的工作原理1.He-Ne激光器的能級分布(1)He和Ne能級分布圖

He-Ne激光器的激光工作物質是Ne原子，即激光輻射發(fā)生在Ne原子不同的能級之間。

He-Ne激光器的放電管是一充有氦氖（PHe:PNe=6:1）混合氣體的毛細管，氦氣主要起著提高氖原子的泵浦效率的作用。HeNe

He-Ne原子能級分布示意圖(2)He能級分布①基態(tài)11S0——兩個核外電子都處于最低能態(tài)(電子組態(tài)1s)，原子態(tài)為11S0(基態(tài))。②激發(fā)態(tài)21S0和23S1——當外界給氦原子提供一定能量后，一個電子留在1s，另一個躍遷到較高能態(tài)(1s2s,1s2p,1s3s)。其中與氦氖激光有關的電子組態(tài)是1s2s的21S0和23S1(原子激發(fā)態(tài))能級。③激發(fā)態(tài)21S0和23S1特點——與基態(tài)之間禁戒輻射躍遷。He(21S0)原子輻射壽命為2×10-2秒，He(23S1)原子的壽命為6×10-5秒，比其他能級原子的壽命(10-8秒)要長。(3)Ne能級分布①基態(tài)——Z＝10，電子組態(tài)為1s22s22p6。②激發(fā)態(tài)——受激時，最外層2p6中的一個電子獲得能量躍遷到較高能態(tài)，其他電子仍維持原狀態(tài)形成激發(fā)態(tài)。相應的電子組態(tài)為：1s22s22p53s,1s22s22p53p,1s22s22p54s,1s22s22p54p,1s22s22p55s等。③激發(fā)態(tài)能級分布——S軌道的組態(tài)有四個原子能級組成，P軌道的組態(tài)有10個原子能級組成。④能級特點（Ne）

根據(jù)輻射選擇定則，1S、2S、3S能級中一些能級與基態(tài)之間允許輻射躍遷。

2P、3P能級是禁戒的，它們不能向基態(tài)躍遷，只能以輻射形式向較低的1S能級躍遷。

1S態(tài)也不能直接向基態(tài)躍遷，可與管壁碰撞，把能量交給管壁，然后回到基態(tài)。電子組態(tài)帕邢符號電子組態(tài)帕邢符號電子組態(tài)帕邢符號2p53s(1S)>16eV1S52p53p(2P)>18eV2P102p54p(3P)>20eV3P101S42P93P91S32P83P81S22P73P72p54s(2S)>19eV2S52P63P62S42P53P52S32P43P42S22P33P32p55s(3S)>20eV3S52P23P23S42P13P13S33S22.He-Ne激光器的激發(fā)機理(1)電子直接碰撞激發(fā)

放電空間的快速電子e*和氖原子發(fā)生非彈性碰撞，使得氖原子直接被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。

e*+Ne→e+Ne*(2S,2p54s;3S,2p55s)。激發(fā)到3S和2S上的幾率非常?。ê图ぐl(fā)到1S和2P相比），所以通過這種方法激發(fā)的粒子數(shù)很少，不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。(2)共振能量轉移激發(fā)①He原子的激發(fā)在一定放電條件下，具有一定能量的電子和基態(tài)的氦原子發(fā)生非彈性碰撞時將氦原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)23S1和21S0，23S1(10-4秒)和21S0(10-2秒)是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，因此,可以積聚大量的激發(fā)態(tài)的氦原子。

He(11S0)+e*→He*(21S0)+eHe(11S0)+e*→He*(23S1)+e②能量共振轉移由于23S1和21S0上的氦原子的能量與3S、2S能級上氖原子的能量幾乎相等，兩者碰撞很容發(fā)生能量轉移，兩者都是亞穩(wěn)態(tài)，電子碰撞截面大，轉移幾率很高，可達95％。當二者發(fā)生非彈性碰撞時，將把能量傳遞給氖原子，并把氖原子激發(fā)到3S和2S能級上，這個過程稱為能量共振轉移

He*(21S0)+Ne(11S0)→Ne*(3S)+He(11S0)+0.048eV

He*(23S1)+Ne(11S0)→Ne*(2S)+He(11S0)+0.039eV配氣比例PHe:PNe=6:1，加大共振轉移幾率(3)串級激發(fā)基態(tài)Ne與電子碰撞躍遷到更高的能級，然后再躍遷到2S和3S能級，和前面兩種激發(fā)相比要小得多。

(4)激光下能級的激發(fā)與馳豫①下能級Ne(2P、3P)激發(fā)—主要是電子碰撞激發(fā)。

Ne(11S0)+e*→Ne(2P、3P)+e②馳豫——由輻射選擇定則知道，2P、3P與基態(tài)之間禁戒躍遷，這些能級上的粒子主要通過自發(fā)輻射向Ne(1S)能級馳豫，且馳豫速度非?？?。它們的平均壽命只有10-8s。Ne(1S)上的粒子主要通過與其他粒子及管壁碰撞而回到基態(tài)。

3.He-Ne激光器的激光輻射(1)粒子數(shù)反轉由于3S壽命(>10-6s)比3P和2P的壽命(10-8s)長，2S壽命(>10-6s)比2P的壽命(10-8s)長，因此，當3S和2S積聚的氖原子足夠多時，會在3S和3P、3S和2P、2S和2P能級之間形成粒子數(shù)反轉，通過受激輻射產(chǎn)生激光輸出。由于S能級和P能級都是由多條能級組成，所以可產(chǎn)生上百條譜線。HeNe

He-Ne原子能級分布示意圖(2)He-Ne激光器主要激光譜線主要的激光譜線有三條：3S→2P，輸出激光波長為632.8nm，為紅色激光。(有十條譜線輸出)2S→2P，輸出激光波長為1150nm，為紅外激光。3S→3P，輸出激光波長為3390nm，為紅外激光。目前商用的He-Ne激光器的主要譜線是632.8nm，為紅色激光。〔除此之外還有黃色(594nm)、綠色(543nm)、橙色(606nm、612nm)〕。三、氦氖激光器的工作特性工作特性（1）電子溫度一定He、Ne比例下，放電管內電子溫度隨pD值增大而下降；pD值不變，電子溫度也不變。對一種氣體而言，存在一個最佳電子溫度，這時的電子平均能量最有利于激光上能級粒子積累和下能級粒子排空。

pD值過大，電子溫度過低，不易將He原子激發(fā)到上能級；

pD值過小，激光物質少，模體積小，衍射損耗大，電流密度過高，激光輸出減小。應綜合考慮各方面因素，尋求最佳電子溫度。對He—Ne激光器一般選取的pD值為

4×102——6.6×102(Pa·mm)。

對于不同成分的氣體．相同pD值對應的電子溫度是不同的。越易電離的氣體，電子溫度越低。Ne的電離電位較He低，其電離截面為He的兩倍。所以在純Ne氣體中的電子溫度低于He以及He、Ne混合氣中的電子溫度。（2）增益：光在單位距離內光強增加的百分比。

a.放電參數(shù)的影響：增益G正比于粒子反轉數(shù)。放電電流與增益關系式：

K0、K1、K2、K3、K4是與激光器的譜線、結構尺寸及放電參數(shù)有關的系數(shù)。可通過實驗測定。

在電流逐漸增大、電子密度增強的過程中，激光上能級的粒子最初呈線性增長。隨著電子碰撞消激發(fā)加劇，粒子增長速度減緩，最后達到飽和狀態(tài)。而激光下能級的粒子在此過程中始終保持著線性增長的關系，故而使粒子數(shù)反轉值在某一放電電流條件下，出現(xiàn)最大值。從圖中可看到，隨放電電流變化，增益存在一個最佳值。最佳總氣壓：氣壓過低，上能級粒子數(shù)減少，增益小。氣壓過高，電子與原子碰撞增多，電子平均能量下降，上能級粒子數(shù)減少，增益小。最佳氣體比例：He-Ne激光器中Ne的激發(fā)主要靠He的亞穩(wěn)態(tài)粒子能量的共振轉移，所以He氣壓高于Ne氣壓。為獲得最大增益，激光器應在最佳放電條件（放電電流、總氣壓、氣體混合比）下工作。

b.增益分布：增益沿放電管軸向分布均勻，徑向分布不均勻影響因素：放電電流、總氣壓和氣體混合比。隨電流增大，管軸中心出現(xiàn)增益飽和并下降；電流繼續(xù)增大，管壁附近出現(xiàn)增益下降。在一定電流下，氣壓增大，管軸中心出現(xiàn)增益飽和并下降。這是因中心處Ne(1s)粒子在氣壓較大時不易擴散到管壁碰撞弛豫，導致ΔN減小，增益下降。Ne增多，增益下降且徑向分布加寬。(3)輸出功率

He-Ne激光器輸出功率和輸出模式緊密相關。

a）單縱模基橫模

A為光束有效面積，一般為放電管截面積的1/5。輸出鏡透過率沿光軸方向傳播的光強

b）多縱?；鶛M模K為比例系數(shù)；Is為飽和光強；對于0.6328um波長紅光，KIS=30±3（W/cm2）G0：小信號增益系數(shù)；α：除透過率損耗外的其它光學損耗之和。

l：有效放電長度。He-Ne激光器多為多縱?；鶛M模光束，只有當腔長足夠短（<10cm），縱模間隔與譜線寬度滿足C/2L≥Dn，才能輸出單縱?；鶛M模光束。2.輸出功率的影響因素影響He-Ne激光器輸出功率的因素很多，例如：毛細管的長度和直徑、諧振腔的損耗、輸出耦合、放電電流、He和Ne的比例以及氣體的壓強都會影響工作物質的增益吸數(shù)，從而影響He-Ne激光器的輸出功率。下面僅就毛細管的長度和直徑、放電電流、He和Ne比例以及氣體壓強對輸出功率的影響作一簡要分析。(1)放電管長度對輸出功率的影響

He-Ne激光器輸出功率通常在毫瓦量級。它的輸出功率主要取決于放電毛細管的長度。例如：毛細管長度為10cm時，632.8nm激光的單模輸出功率為0.5mW;毛細管的長度為(25～30)cm時，單模輸出功率約為(2～4)mW;毛細管的長度為(150～200)cm時，輸出功率約為50mW。由公式可以看出：放電管長度l越長，激光介質區(qū)越長，PW越大。(2)放電電流對輸出功率的影響

He-Ne激光器的放電電流對輸出功率有很大的影響。輸出功率并不是隨氣體放電電流的增加而單調增加，對于每一種充氣總壓強，其間存在某個使輸出功率最大的放電電流，如圖所示。放電電流與混合氣體的比例和總壓強有關。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流稱為最佳放電電流。102030405060

70

(mA)50403020100

輸出功率與放電電流的關系

輸出功率為什么會如此變化呢？這是因為在放電管中不僅存在著激發(fā)過程，而且同時還存在著消激發(fā)過程。氖的激光躍遷上能級(3S和2S)的粒子數(shù)密度n2正比于氦的亞穩(wěn)態(tài)(23S1和21S0)上的粒子數(shù)n3。在穩(wěn)定的情況下，n3可以近似表示為：式中：J為放電電流密度，K1、K2、K3為常數(shù)，nHe為基態(tài)氦原子密度。HeNe

當放電電流較小時，n3正比于J。隨著放電電流的增加，n3逐漸趨于飽和。由于n2正比于n3，所以隨著放電電流的增加，n2也將趨于飽和。另一方面，激光躍遷下能級(2P)的粒子數(shù)n1正比于J。因此，當放電電流較小時，反轉粒子數(shù)隨放電電流的增加而增加，達到最大值后，卻隨放電電流的增加而減少。如圖所示。通過上面的分析可以看出，為什么會有一個最佳放電電流。粒子數(shù)激光上能級3S和2S、下能級2P粒子數(shù)隨放電電流密度的變化(3)輸出功率和氦氖氣體比例的關系

由于激光躍遷是由氖原子產(chǎn)生的，所以，如果氖原子的比例過小，將會降低激光的輸出功率。氖原子的比例是否越大越好呢？由于氖原子的電離電位較低，其比例過大會因電離過多而使離子數(shù)目增加，在較低的電場下，就能維持一定的放電電流，過低的電場將會導致電子的速度(能量)下降，使得氦原子的激發(fā)速率降低，由此導致粒子數(shù)下降，從而導致輸出功率的下降。通常取PHe/PNe=5~10(4)輸出功率和充氣壓強的關系氣體壓強的降低，使得電子與氣體原子的碰撞減少，從而導致電子溫度(平均動能)增加，使激發(fā)速率升高，增加輸出功率。但是，過低的氣體壓強，將會導致氦氖原子的減少，而使得輸出功率下降。所以，充氣壓強即不能太高，也不能太低。1002003004005002.01.51.00.5總壓強(Pa)(5)輸出功率與放電管直徑的關系在最佳放電條件下，工作物質的增益系數(shù)和毛細管的直徑成反比。G0=310-4/D原因：躍遷到2P上的氖原子，是借助于自發(fā)輻射躍遷到1S能級上，然后通過與管壁碰撞釋放能量的途徑返回基態(tài)。如果毛細管直徑增大，原子與管壁碰撞的機會減少，滯留在1S上的氖原子可能吸收自發(fā)輻射光子重新返回到2P上，從而導致集居反轉數(shù)的減少，使激光輸出減少。毛細管過細，又會使得氦氖原子數(shù)目減少，從而使激發(fā)的原子數(shù)下降，導致輸出功率下降。

D應取一個恰當?shù)闹?，電流與管徑經(jīng)驗公式：

I=19*(D-1)(mA)抑制3.39umI=3.5+1.5D2

（mA）不抑制3.39um(6)輸出功率與輸出透鏡的關系激光器諧振腔的損耗有兩種：一種是有用損耗，即激光器輸出透鏡的透射；一種是無用損耗(用表示)，它包括諧振腔反射鏡的吸收、散射及全反射鏡的透射。透射率太大或太小，都使輸出功率下降。透射率小，諧振腔損耗小，腔內激光振蕩較強，由于輸出的比例小，所以輸出功率低。透射率大，腔內損耗增大使腔內振蕩減弱，功率輸出也會減少。只有某一適當?shù)耐干渎什攀馆敵龉β蕿樽畲蟆?123456786.05.04.03.02.01.0輸出功率mW透過率目前，氦氖激光器的輸出透鏡采用交替鍍ZnS和MgF2，短管鍍11層，長管鍍9層；全反射鏡鍍17層，來實現(xiàn)耦合。增反射膜(高反射膜)增加反設光的強度也可以通過鍍膜的方法實現(xiàn)，這時所鍍的光學薄膜稱為增反射膜(或稱為高反射膜)。如果在玻璃表面鍍上一層硫化鋅(ZnS,ne=2.4)薄膜，當滿足關系

反射光將是干涉加強，這就使反射光增強了，而透射光就將減弱。薄膜的最小厚度應為(相應于k=1）反射率可以提高30%以上。為了提高反射率可以采用多層膜。通常在玻璃表面上交替鍍上高折射率的ZnS膜和低折射率的MgF2膜，每層厚度為λ/4ne。一般鍍到7層和9層，13層可使反射率達到94%。3.輸出模式和發(fā)散角(1)振蕩模式

He-Ne激光器通常采用平凹腔。在實際應用中，一般要求激光器工作于基模(TEM00)狀態(tài)。(2)激光束發(fā)散角激光束的方向性由其遠場發(fā)散角表征：W0為高斯光束的束腰半徑。(∞)越小，光束的方向性越好，表示光束能量在方向上越集中。(3)頻率特性

He-Ne激光器是一種以多普勒展寬為主的綜合性譜線展寬。在一般條件下，它的振蕩譜線帶寬v≈1500MHz，包含有多個頻率間隔為c/2L的縱模振蕩。例如：L=1m時，將可能有十個縱模振蕩。此時，相應的波長范圍為如果需要單模工作，可以縮短腔長，如果L=10cm，就會只有單模振蕩。但是，這樣會減少輸出功率。為了既單模工作，又保證足夠的輸出功率，可采用各種選縱模技術，以保證單模輸出。4.譜線競爭(1)譜線競爭

在同一個激光器中，可能有多條激光譜線，而有些譜線對應于同一個激光上能級。因此，它們之間就存在對公有能級上粒子數(shù)的競爭，其中一條譜線產(chǎn)生振蕩以后，因用于其它譜線的反轉粒子數(shù)減少，而使它們的增益和輸出功率降低，甚至完全被抑制。這種現(xiàn)象稱為譜線競爭。特別是那些高增益、諧振腔反射鏡對其有高反射的譜線，一旦產(chǎn)生振蕩就能使其它譜線被抑制。(2)He-Ne激光器的譜線競爭①632.8nm和3390nm的譜線競爭在He-Ne激光器中存在著多條激光譜線，競爭最嚴重的是632.8nm和3390nm的兩條激光譜線，因為它們具有相同的激光上能級(3S)。由于增益系數(shù)與波長的三次方成正比，所以3390nm的激光譜線的增益系數(shù)遠遠大于632.8nm激光譜線的增益系數(shù)。在輸出波長為632.8nm的He-Ne激光器中，為了獲得632.8nm激光輸出，要采取一些方法抑制3390nm輻射的產(chǎn)生。HeNe

He-Ne原子能級分布示意圖②543.36nm和3.39m、632.8nm的譜線競爭

當前He-Ne激光器正向多色方向發(fā)展，人們最感興趣的是3S2到2P10躍遷的543.36nm的綠光。它接近于人眼最敏感的555nm的黃綠光。它與3.39m、632.8nm激光譜線具有共同的激光上能級。由于它的增益最小，因此要獲得543.36nm的激光輸出，必須想法抑制3.39μm和632.8nm等與它共上能級的譜線。(3)抑制譜線的方法為了抑制某條或某幾條譜線，通常采用的方法是：采用選擇性諧振腔、棱鏡色散法、腔內吸收法、外加非均勻磁場法。①采用選擇性諧振腔

只適用于短腔器件。使其諧振腔對所需激光光譜呈高反射，而對其他譜線為低反射、高損耗。例如：為了輸出543.36nm的激光。要求反射鏡對該波長譜線的反射率大于99.9%。而對632.8nm譜線低于80%，對3.39m譜線要低于2％。②棱鏡色散法

利用腔內棱鏡色散把3390nm的激光偏轉掉，使其不能起振。在諧振腔內放置一個棱鏡，通過調整反射鏡使所需要的光在腔內振蕩，而其他光偏離腔外。為了保證光線來回反射，棱鏡要制成頂角為的等腰三角形。的大小有下式?jīng)Q定：n為棱鏡材料在所需振蕩光波長時的折射率。棱鏡色散法抑制3390nm激光譜線示意圖③腔內吸收法

諧振腔內加入一個對要抑制譜線有強吸收而對所需振蕩譜線為透明的元件，來實現(xiàn)若譜線的振蕩。腔內插入吸收3390nm輻射的吸收元件(如甲烷吸收盒、石英等)。④外加非均勻磁場法上述的幾種措施都是從增加譜線在腔內的損耗來實現(xiàn)抑制，但是對于放電管較長的激光器，這些措施都不足以抑制高增益的譜線。最有效的方法是采用非均勻磁場，降低介質對譜線的增益系數(shù)來達到抑制的目的。

如圖所示，利用塞曼效應即譜線在磁場中會引起分裂，分裂的大小v隨磁場強弱改變。如果在放電管外加一軸向非均勻磁場，由弱到強連續(xù)變化，激光器所觀察到的譜線就是連續(xù)增寬。該頻率等于最強磁場引起譜線分裂的線距：SSNNSSNN非均勻磁場法示意圖其中：Hm是最強磁場強度；B是玻爾磁子；h是普郎克常數(shù)。

g是蘭德因子，僅與原子該譜線上能級量子數(shù)有關。若其譜線上能級的軌道量子數(shù)為L、自旋量子數(shù)為S、內量子數(shù)為J，那么3.39m、632.8nm、543.36nm三條譜線都是共用Ne的3S2能級，所以它們的g相同。即有相同的塞曼效應。在0～3×10-2T非均勻磁場的作用下，塞曼增寬約為900MHz。激光譜線(nm)543.36632.83390原譜線線寬(MHz