激光器件-第1篇-第二講-原子氣體激光器

激光器件設(shè)計(jì)激光器件設(shè)計(jì)

第一篇?dú)怏w激光器2023/11/72第一講氣體激光器的放電激勵(lì)基礎(chǔ)第二講原子氣體激光器第三講分子氣體激光器第四講氣體離子激光器

第一篇?dú)怏w激光器2023/11/73原子氣體激光器的工作物質(zhì)是中性原子氣體，其激光躍遷發(fā)生子中性原子的不同激發(fā)能態(tài)之間，能產(chǎn)生激光躍遷的原子種類(lèi)很多，主要有惰性氣體(氦、氖、氬、氪、氙)和某些金屬原子蒸氣(銅、金、錳、鉛、鋅等)。典型的是惰性氣體類(lèi)中的He-Ne激光器和金屬原子蒸氣類(lèi)中的銅蒸氣激光器。第二講原子氣體激光器2.1氦氖激光器的工作原理以氦氣和氖氣組成的混合氣體為工作物質(zhì)，其中氦氣是提高泵浦效率的輔助氣體，氖氣是產(chǎn)生激光的工作氣體。2023/11/74氦氖激光器的主要特點(diǎn)連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn),主要工作波段在可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域,最常用的工作波長(zhǎng)為632.8nm(紅光),其次是1.15μm和3.39μm以及1.52μm、543.5nm等He-Ne激光器輸出光束質(zhì)量很高,表現(xiàn)為單色性好(Δν<20Hz)和方向性好(θ<1mrad)由于增益低,輸出功率一般為毫瓦量級(jí)(0.5～100mW)，最大連續(xù)輸出功率可達(dá)1W輸出功率和頻率穩(wěn)定度高器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,制作容易使用方便，壽命長(zhǎng)應(yīng)用準(zhǔn)直、精密計(jì)量、信息處理、醫(yī)療、照排印刷等2023/11/752.1.1He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)

He-Ne激光器由激光管和電源兩部分組成,激光管主要包括放電管、電極和諧振腔三部分,放電管是He-Ne激光器的核心。放電管毛細(xì)管：處于增益介質(zhì)工作區(qū)，氣體放電僅在毛細(xì)管中進(jìn)行,當(dāng)在電極上施加高壓后,毛細(xì)管中的氣體開(kāi)始放電,使氖原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣管：不發(fā)生放電，作用是增加放電管的工作氣體總量，使毛細(xì)管內(nèi)的氣體不斷更新，減緩毛細(xì)管放電時(shí)產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體增加和He-Ne氣體氣壓比的變化速率延長(zhǎng)器件的壽命。2023/11/76電極陽(yáng)極：一般采用鎢針制成陰極：多采用電子發(fā)射率高而濺射率小的鋁及其合金制成，通常做成圓筒狀,并有盡可能大的尺寸光學(xué)諧振腔由一對(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。平面鏡為輸出反射鏡,透過(guò)率約1%～2%,凹面鏡為全反射鏡，反射率接近100%。按照諧振腔與放電管的放置方式不同,可分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式、傍軸式、單毛細(xì)管式

放電管一般采用GG17玻璃,要求輸出功率和頻率穩(wěn)定性好的器件可采用熱脹系數(shù)小的石英玻璃。放電管的密封采用玻璃粉加熱的“硬封接”技術(shù)，提高器件壽命。2023/11/77

內(nèi)腔式

將諧振腔的兩個(gè)反射鏡調(diào)整好后，用膠固定在放電管的兩端。

優(yōu)點(diǎn)：使用時(shí)不必進(jìn)行調(diào)整，非常方便。

缺點(diǎn)：在工作過(guò)程中放電管受熱變形，諧振腔反射鏡會(huì)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(zhǎng)，其熱穩(wěn)定性越差，所以內(nèi)腔式激光管的長(zhǎng)度一般不超過(guò)一米。當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染也無(wú)法清除。2023/11/78外腔式諧振腔反射鏡和放電管是分離的。反射鏡上有調(diào)整機(jī)構(gòu)，可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。放電管的兩端貼有布儒斯特窗片(與毛細(xì)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(diǎn)：諧振腔與放電管分離，放電管的熱變形對(duì)諧振腔的影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長(zhǎng)期使用中能保持穩(wěn)定輸出。缺點(diǎn)：由于諧振腔與放電管分離，相對(duì)位置易便，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便。2023/11/79半外腔式一端采用內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，另一端用布氏窗密封，放電管與反射鏡分開(kāi)。兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，適于作特殊要求的小型激光器的結(jié)構(gòu)。

2023/11/710旁軸式激光器的陰極與放電管不同軸。優(yōu)點(diǎn)：陰極濺射不致污染鏡片，器件壽命增長(zhǎng)。缺點(diǎn)：體積較大，不易攜帶。

單毛細(xì)管式?jīng)]有貯氣管，放電管由單一毛細(xì)管構(gòu)成。具有旁軸式結(jié)構(gòu)的部分優(yōu)點(diǎn)，還可以沿管壁加非均勻磁場(chǎng)，抑制較強(qiáng)譜線的輸出，適于較長(zhǎng)激光器中采用。2023/11/7112.1.2氦氖原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)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(xì)管；He-Ne激光器中的激光躍遷產(chǎn)生于Ne原子的不同激發(fā)態(tài)之間；He原子為輔助氣體,用作對(duì)Ne原子的共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移，提高Ne原子的泵浦速率。2023/11/712He原子核外有兩個(gè)電子,其基態(tài)電子組態(tài)為1s1s。He原子處于基態(tài),其能級(jí)符號(hào)表示為11S0

。當(dāng)He原子受激時(shí),其中,一個(gè)電子由1s殼層激發(fā)到2s殼層(電子組態(tài)為1s2s),使He原子處于激發(fā)態(tài)。該激發(fā)態(tài)中有兩個(gè)亞穩(wěn)能級(jí)(21S0和23

S1)與He-Ne激光躍遷有關(guān)。激發(fā)態(tài)21S0和23S1特點(diǎn)：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(jí)原子的壽命(10-8秒)要長(zhǎng)。為Ne原子的激發(fā)上能級(jí)的共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移提供了有利條件。氦原子能級(jí)分布2023/11/713Ne原子核外有10個(gè)電子,其基態(tài)電子組態(tài)為1s22s22p6

。Ne原子基態(tài)能級(jí)為1S0

。Ne原子有10個(gè)電子，基態(tài)1S0(電子分布為1s22s22p6)。激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3P等，它們對(duì)應(yīng)的外層電子組態(tài)分別為2p53s、2p54s、2p55s、2p53p、2p54p。受激時(shí),2p殼層中的一個(gè)電子躍遷到較高能態(tài)而形成激發(fā)態(tài)。與激光躍遷有關(guān)的Ne原子電子激發(fā)組態(tài)為1s22s22p53s、1s22s22p53p、1s22s22p54s、1s22s22p54p、1s22s22p55s。氖原子能級(jí)分布2023/11/714習(xí)慣上,Ne原子的能級(jí)用帕邢符號(hào)表示。根據(jù)能量躍遷選擇定則,在Ne原子的3S與2P、3P能態(tài)之間,2S與2P能態(tài)之間的很多對(duì)子能級(jí)之間都能產(chǎn)生躍遷譜線(現(xiàn)已獲得100多條譜線),其中,最強(qiáng)的譜線有3條,即632.8nm、3.39μm和1.15μm,分別對(duì)應(yīng)于3S2→2P4、3S2→3P4和2S2→2P4之間的躍遷。2P、3P能級(jí)是禁戒的，它們不能向基態(tài)躍遷，只能以自發(fā)輻射形式向較低的1S能級(jí)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)。一般He-Ne激光器輸出工作波長(zhǎng)為632.8nm，對(duì)應(yīng)于3S2→2P4的躍遷。躍遷至激光下能級(jí)2P4上的Ne原子通過(guò)自發(fā)輻射躍遷到1S能級(jí)，最后通過(guò)擴(kuò)散返回基態(tài)?？梢?jiàn)，He-Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。2023/11/7152.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)建立過(guò)程實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的主要激發(fā)過(guò)程有兩個(gè)：電子直接碰撞激發(fā)Ne原子和激發(fā)態(tài)He-Ne原子間的共振能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。第二種激發(fā)過(guò)程是建立3S2與2P4能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的最主要過(guò)程，其貢獻(xiàn)相當(dāng)于第一種過(guò)程的60-80倍。目的：實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)粒子積累和下能級(jí)粒子排空激光上能級(jí)的激發(fā)電子直接碰撞激發(fā)

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

激發(fā)到3S和2S上的幾率非常小(和激發(fā)到1S和2P相比),所以通過(guò)這種方法激發(fā)的粒子數(shù)很少,不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這種不能按人們意愿控制的激發(fā)被稱為非選擇激發(fā)。2023/11/716共振激發(fā)能量轉(zhuǎn)移

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(shí)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(zhǎng)，因此可以積聚大量的激發(fā)態(tài)的氦原子。

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激光上能級(jí)的激發(fā)2S1SNeS321S23SHe2P3P電子碰撞激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移②能量共振轉(zhuǎn)移由于23S1和21S0上的氦原子的能量與3S、2S能級(jí)上氖原子的能量幾乎相等，兩者碰撞很容發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，兩者都是亞穩(wěn)態(tài)，電子碰撞截面大，轉(zhuǎn)移幾率很高，可達(dá)95％。當(dāng)二者發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，將把能量傳遞給氖原子，并把氖原子激發(fā)到3S和2S能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程稱為能量共振轉(zhuǎn)移。

2023/11/718串級(jí)激發(fā)電子碰撞基態(tài)Ne原子使其躍遷到較高能級(jí)，高能級(jí)Ne又與基態(tài)Ne碰撞，使基態(tài)Ne躍遷到2S、3S能級(jí)，自己又回到較低能級(jí)過(guò)程。與前述兩過(guò)程相比，此過(guò)程貢獻(xiàn)最小。

復(fù)合激發(fā)Ne離子與He、Ne原子三體碰撞形成分子離子，再與電子碰撞獲得激發(fā)態(tài)Ne過(guò)程。2023/11/719

激光上能級(jí)的激發(fā)激光下能級(jí)的消激發(fā)下能級(jí)主要是電子直接碰撞激發(fā)根據(jù)躍遷選擇定則,位于激光下能級(jí)3P4,2P4能級(jí)的粒子向基態(tài)的躍遷是禁戒的，位于3P4,2P4能級(jí)的粒子不能直接向基態(tài)躍遷，而是以極快的速率自發(fā)輻射躍遷至1S態(tài)。1S態(tài)向基態(tài)的躍遷也屬于禁戒性質(zhì)，因此1S能級(jí)上的氖原子出現(xiàn)堆積，如果不能立即排空1S能級(jí)，這些原子就會(huì)被小能量的電子碰撞或捕獲光子而重新回到激光下能級(jí)2P和3P，從而降低粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的絕對(duì)值，使增益減小。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)”。2023/11/720要提高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的絕對(duì)值，關(guān)鍵是排空1S能級(jí)的粒子。方法：使1S能級(jí)上的粒子通過(guò)擴(kuò)散至管壁與管壁碰撞交換能量返回基態(tài)，稱其為“管壁效應(yīng)”。要加速1S能級(jí)粒子的排空，要求減小放電管管徑d的尺寸，而d的減小使激活模體積減小，使輸出功率下降。He-Ne激光器放電毛細(xì)管管徑d與小信增益最佳值Gm之間存在經(jīng)驗(yàn)公式:Gm=3×10-4/d(cm-1)激光下能級(jí)的消激發(fā)2023/11/7212.2He-Ne激光器的工作性質(zhì)

Ne原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)不僅決定了器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，還決定著器件的工作性質(zhì)，包括增益及增益飽和特性。2023/11/722增益系數(shù)G0如有一增益介質(zhì)，光強(qiáng)為I的準(zhǔn)單色光自端面入射，由于受激輻射，在傳播過(guò)程中光強(qiáng)將不斷增加，通?？梢杂迷鲆嫦禂?shù)來(lái)描述光通過(guò)單位長(zhǎng)度激活介質(zhì)后光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。設(shè)在距離z處光強(qiáng)為I(z)，在z+dz處光強(qiáng)為I(z)+dI(z)，則介質(zhì)對(duì)光的增益系數(shù)為2.2He-Ne激光器的工作性質(zhì)增益是決定激光器振蕩、模式競(jìng)爭(zhēng)及輸出功率等特性的重要因素，增益G0正比于激光上、下能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度差Δn0(G0∝Δn0)。激光器放電參數(shù)對(duì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布絕對(duì)值Δn0

有重要影響，放電參數(shù)主要包括：放電電流(i)、充氣總氣壓(p)、He,Ne氣壓比(PHe:PNe)。

以632.8nm譜線躍遷(3S2→3P4)為例,通過(guò)建立與求解速率方程分析Δn0

與放電條件之關(guān)系。2023/11/723設(shè):ne—?dú)怏w放電激勵(lì)時(shí)的電子密度Ne原子n3—激光上能級(jí)(3S2)的粒子數(shù)密度

n2—激光下能級(jí)(2P4)的粒子數(shù)密度

n1—基態(tài)(1S0)能級(jí)上的粒子數(shù)密度He原子n4—亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)(21S0)上的粒子數(shù)密度

n0—基態(tài)(11S0)能級(jí)上的粒子數(shù)密度

Ne原子3S2能級(jí)上粒子數(shù)密度(n3)的速率方程

Kn1n4:HeNe共振轉(zhuǎn)移的激發(fā)速率,K為轉(zhuǎn)移速率常數(shù)

Kn0n3:NeHe共振轉(zhuǎn)移的激發(fā)速率

n3/τ3

:

n3到其它能級(jí)的馳豫速率,τ3為其馳豫時(shí)間2023/11/7242.2.1He-Ne激光器速率方程組穩(wěn)態(tài)時(shí),可得：2023/11/725

Ne原子3S2能級(jí)上粒子數(shù)密度(n3)的速率方程

n4的居集主要是電子碰撞激發(fā)過(guò)程，其速率方程為：

n0neS04：電子碰撞激發(fā)速率；S04為激發(fā)速率常數(shù)

n4neS4：電子碰撞消激發(fā)速率；S4為消激發(fā)速率常數(shù)

n4A′：因共振能量轉(zhuǎn)移或逃逸出激活區(qū)而使n4衰減的速率；A′為衰減幾率

穩(wěn)態(tài)時(shí),可得：

He原子亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)21S0上粒子數(shù)密度(n4)的速率方程2023/11/726n2也是靠電子碰撞激發(fā)，其速率方程為：

n1neS02：電子碰撞激發(fā)速率；S02為激發(fā)速率常數(shù)

n2neS2：電子碰撞消激發(fā)速率；S2為消激發(fā)速率常數(shù)

n2A：自發(fā)輻射衰減速率；A為自發(fā)輻射幾率

穩(wěn)態(tài)時(shí),可得：

Ne原子激光下能級(jí)2P4粒子數(shù)密度(n2)的速率方程因自發(fā)輻射幾率A很大，與A相比neS2可忽略：2023/11/7272.2.2增益和放電條件之間的關(guān)系增益與放電電流i的關(guān)系

在氣壓p和充氣混合比PHe:PNe一定的條件下，ne∝i，即：ne=K'i

K′：比例系數(shù)。而n0,n1,τ3,A等均與i無(wú)關(guān)。將ne代入n3和n2式得：K1,K2與K3都是和放電電流無(wú)關(guān)的常數(shù)3S2能級(jí)：2P4能級(jí)：2023/11/7282023/11/729

線間距為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值，間距最大處電流為獲得最大增益放電電流。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值：增益與放電電流的關(guān)系

n2隨i呈線性增長(zhǎng)關(guān)系

(1)當(dāng)i較小時(shí)：K2i可忽略

(2)當(dāng)i較大時(shí),K2i隨之增大

隨i增大時(shí),n3最初呈線性增長(zhǎng)。隨著電子碰撞消激發(fā)加劇，粒子增長(zhǎng)速度減緩，最后達(dá)到飽和狀態(tài)。增益G0正比于激光上、下能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布值Δn0

在電流逐漸增大、電子密度增強(qiáng)的過(guò)程中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值在某一放電電流條件下，出現(xiàn)最大值,增益存在一個(gè)最佳值(1)當(dāng)i較小時(shí)(2)當(dāng)i較大時(shí)2023/11/730

因n3>>n2,故

在He、Ne氣壓比一定的條件下，放電電流取最佳工作電流增益與充氣總氣壓的關(guān)系總氣壓若總氣壓雖,但電子與原子碰撞次數(shù)也增多導(dǎo)致電子動(dòng)能下降2023/11/731器件存在一個(gè)最佳總氣壓popt，當(dāng)p=popt時(shí)，對(duì)應(yīng)著電子溫度Te的電子平均能量最有利于激光上能級(jí)粒子的積累和激光下能級(jí)粒子的排空，使增益最大。He-Ne激光器的總氣壓一般在幾帕-幾百帕之間。2023/11/732增益與充氣總氣壓的關(guān)系在總氣壓p一定的條件下，

由于n1比n0對(duì)n3的影響大

由于Ne原子激發(fā)上能級(jí)粒子數(shù)主要通過(guò)與He亞穩(wěn)態(tài)共振轉(zhuǎn)移而獲得,因此作為工作氣體的Ne氣所占比例要適當(dāng)，pHe：pNe也存在一最佳值。一般pHe：pNe≈7:1~10:1增益與氦氖氣體混合比的關(guān)系因Ne的電離電位低,易電離而導(dǎo)致電子能量下降

2023/11/733

最佳充氣總氣壓popt與最佳He,Ne混合比叫做最佳充氣條件。當(dāng)器件取最佳氣壓比與最佳總氣壓時(shí)，最佳總氣壓popt與放電管徑d的乘積為一常數(shù)，其取值范圍：

結(jié)論：為得到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δn0,即獲得最大增益G0，He-Ne激光器應(yīng)工作在最佳放電電流條件下，即采用最佳放電電流、最佳充氣總氣壓和最佳He、Ne氣壓比。2023/11/734增益分布增益沿放電管軸向分布均勻，徑向分布不均勻，受到放電電流、總氣壓和氣體混合比的影響。電流較小時(shí)，放電管內(nèi)增益的徑向分布同管內(nèi)電子密度的徑向分布一樣，呈零階貝塞爾函數(shù)分布；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)增益飽和并下降。在一定電流下，氣壓增大，管軸中心易出現(xiàn)增益飽和并下降。這是因中心處Ne(1S)粒子在氣壓較大時(shí)不易擴(kuò)散到管壁碰撞弛豫，導(dǎo)致Δn0減小，增益下降。氣體混合比減小，Ne原子增多，電離幾率增加，導(dǎo)致Δn0減小，離管軸較遠(yuǎn)處有較多Ne原子被激發(fā)，導(dǎo)致增益徑向分布低而寬。2023/11/7352.2.3增益曲線與增益飽和激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)與工作物質(zhì)的譜線加寬線型有關(guān)。氦氖激光器的譜線加寬屬于綜合加寬，由多普勒非均勻加寬和碰撞均勻加寬構(gòu)成。綜合加寬增益系數(shù)

G0D(ν0):純非均勻加寬時(shí)，中心頻率為ν0小信號(hào)增益系數(shù)

WR(ξ+iη):誤差函數(shù)

ΔνH：碰撞線寬；ΔνD：多普勒線寬

Iν：入射的頻率為ν的光強(qiáng)度；

IS：飽和光強(qiáng)2023/11/736η=0：即ΔνH<<ΔνD，曲線為多普勒非均勻加寬；η=0.2:相當(dāng)于氦氖激光器的典型情況，屬于綜合加寬氣壓越高，ΔνH越大，η越大，曲線下移，越接近均勻加寬增益曲線。2023/11/737小信號(hào)情況增益小信號(hào)情況下，入射光強(qiáng)Iν≈0，可得在中心頻率處(即ν=ν0)，可得最大增益值實(shí)驗(yàn)證明：最佳放電條件下，Gm=3×10-4/d(cm-1)2023/11/738增益飽和激光的增益飽和是指增益系數(shù)G隨入射光強(qiáng)的增大而下降的現(xiàn)象。其物理機(jī)制是強(qiáng)烈的受激輻射致使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少。當(dāng)Iν與IS可比擬時(shí)，隨著Iν的增加，增益G(ν,Iν)將減小，出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象。He-Ne激光器中，譜線屬綜合加寬，增益曲線會(huì)出現(xiàn)非均勻加寬譜線增益飽和的縱?！盁住爆F(xiàn)象，“燒孔”有一定的寬度δν，且正比于均勻加寬寬度ΔνH2023/11/739單模情況振蕩模在增益曲線上燒孔，增益飽和基本上是非均勻的，但由于均勻加寬的影響，振蕩模也使整個(gè)增益曲線產(chǎn)生一定程度的飽和，整個(gè)曲線有所下降。多模情況由于在增益曲線超過(guò)腔損耗的部分內(nèi)，有多個(gè)間隔為Δνq=c/2L縱模振蕩，增益飽和有兩種情況：(1)δν<Δνq/2，相鄰縱模燒孔不相重疊，各個(gè)縱模各自飽和，增益曲線的振蕩閾值以上部分不能全部“燒”掉，因此輸出較小功率；(2)δν>>Δνq/2，各縱模燒孔相重疊，曲線閾值以上部分全部被“燒”掉，整個(gè)非均勻加寬增益曲線出現(xiàn)類(lèi)似于均勻加寬的增益飽和。2023/11/7402.3He-Ne激光器的輸出特性

氦氖激光器的增益特性決定了激光器的輸出特性，包括輸出功率、發(fā)散度、偏振特性、頻率特性等。輸出特性參數(shù)也是設(shè)計(jì)激光器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論依據(jù)。2.3.1氦氖激光器的輸出功率

單縱模激光器的輸出功率對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，當(dāng)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩后，光在腔內(nèi)往返一次所獲得的飽和增益等于腔內(nèi)的光學(xué)總損耗。即:

GS(ν,Iν)：飽和增益系數(shù)

l：放電管長(zhǎng)度

αc：除透過(guò)率外光在腔內(nèi)往返一次的光學(xué)總損耗的百分?jǐn)?shù)

T：輸出鏡的透過(guò)率2023/11/741器件的輸出功率P表示為:

A：光束的有效橫截面積，其值一般小于放電管橫截面積，其值等于放電管橫截面積×放電管利用系數(shù)。Vm：腔內(nèi)振蕩光束的模體積

Vt：放電管體積放電管利用系數(shù)2023/11/742

對(duì)于平凹腔結(jié)構(gòu)的TEM00橫模,令Γ=R/L,則有:求出腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)Iν，即可求出輸出功率P。因Iν不僅與工作物質(zhì)的物理參數(shù)有關(guān),同時(shí)與激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),為此引入一個(gè)激發(fā)參量βGm：最大小信號(hào)增益

可見(jiàn),當(dāng)器件結(jié)構(gòu)確定以后，λ、T、αc

、Gm的值均可確定,則激發(fā)參量β可知.2023/11/743設(shè)激光器工作在中心頻率

上式給出了β

與Iν/IS

之間的關(guān)系，IS是飽和光強(qiáng),其值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)出對(duì)于結(jié)構(gòu)確定的激光器(λ,T,αc,Gm),可算出其β值,β值已知后,我們可利用圖解法從上圖關(guān)系曲線中查出Iν/IS。令

f=Iν/IS

則有P∝T，即增大輸出鏡透過(guò)率T可提高輸出功率P，但T的增大會(huì)導(dǎo)致Iν下降而引起P的下降，固存在一最佳透過(guò)率Topt。2023/11/744多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)可分為兩種情況：

δν<Δνq/2，相鄰縱模燒孔不相重疊每個(gè)縱模的輸出功率計(jì)算方法與單縱模情況相同，總功率為各個(gè)縱模功率和；δν>>Δνq/2，各縱模燒孔相重疊，存在模式競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)縱模數(shù)較大時(shí)，曲線閾值以上部分全部被“燒”掉，增益飽和類(lèi)似于均勻加寬的情形。

基橫模多縱模振蕩輸出功率計(jì)算輸出功率時(shí)可等效為一系列間隔為δν的縱模振蕩，腔內(nèi)總光強(qiáng)IT可用等效縱模平均頻率ν1的光強(qiáng)乘以等效縱模數(shù)來(lái)獲得。2023/11/745

設(shè)等效縱模的平均效率為ν1,其在腔內(nèi)光強(qiáng)為Iν1,則腔內(nèi)總光強(qiáng)It為:

Δνosc為振蕩線寬氦氖激光器譜線以非均勻加寬為主，則：2023/11/746同單縱模情況引入激發(fā)參量且穩(wěn)態(tài)工作后ν1處的大信號(hào)增益系數(shù)為:2023/11/747這些曲線近似于直線,其方程為:

K為直線斜率則基橫模多縱模He-Ne激光器的輸出功率P為:

KIS稱為632.8nm譜線的有效飽和參量,與氣壓無(wú)關(guān),其值為30±3(W·cm-2)。2023/11/748代入可得氦氖激光器最佳放電條件下的輸出功率為:由dP/dT=0，可得多縱模激光器的最佳透過(guò)率：相應(yīng)的最佳輸出功率為：上述公式的導(dǎo)出條件為Δνq≤ΔνH：放電管直徑滿足該條件得到最大輸出功率。若L=30cm，可得d≤0.12cm2023/11/749影響輸出功率的物理因素放電條件對(duì)輸出功率的影響要獲得大的輸出功率，必須選擇最佳放電條件。d=1.5mml=12.5cmd=3mml=55cmd=5mml=65cm對(duì)于直徑確定的放電管，每一氣壓比都有一最佳總氣壓。當(dāng)取得最佳充氣條件時(shí)，最佳總氣壓與放電管直徑乘積約為常數(shù)，通常取480~533Pa·cm，隨著放電管直徑的增大，最佳總氣壓隨著降低。2023/11/750最佳氣壓比隨放電管直徑增大而減小。在總氣壓不變的情況下，最佳氣壓比隨放電管直徑的增大而直線下降。氣壓比對(duì)輸出功率主要從電子溫度和激光物質(zhì)的密度兩方面來(lái)產(chǎn)生影響。選擇合理的氣壓比，使管內(nèi)既有足夠多的激光物質(zhì)Ne，又使電子處于最佳激發(fā)狀態(tài)。倘若總氣壓不變，增大放電管管徑d，管內(nèi)會(huì)因帶電粒子復(fù)合減少。軸向電場(chǎng)減小，電子溫度減低。此時(shí)，管內(nèi)只有降低氣壓比，才能使這樣的電子具有最佳激發(fā)。通常PHe：PNe=5~102023/11/751放電電流主要是改變電子密度，改變粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，從而改變?cè)鲆孑敵龉β省?/p>

在最佳充氣條件下，對(duì)應(yīng)著最大輸出功率的放電電流稱為最佳放電電流?？倸鈮涸龃?，最佳放電電流減小，這是因?yàn)闅鈮荷撸恍韬苄〉姆烹婋娏骶湍艿玫较嗤碾娮用芏取?023/11/752最佳放電電流還與放電管直徑有關(guān)，最佳放電電流隨著放電管直徑的增大而減小。放電電流與放電管管徑經(jīng)驗(yàn)公式：A：Iopt=3.5+1.5d2(mA)不抑制3.39μmB：Iopt=19(d-1)

(mA)抑制3.39μm2023/11/753透過(guò)率與腔損耗對(duì)輸出功率的影響透過(guò)率T最佳值當(dāng)T在Topt附近有小變化時(shí)，輸出功率不會(huì)有明顯變化。因此,對(duì)Topt的精度不必作太高的要求。實(shí)際運(yùn)用中,一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法確定最佳透過(guò)率。因He-Ne器件增益較低,輸出鏡透過(guò)率也比較低,因此其腔內(nèi)損耗對(duì)輸出功率影響較大，降低腔損耗將提高輸出功率。2023/11/754透過(guò)率與腔損耗對(duì)輸出功率的影響腔損耗主要包括腔鏡的吸收和散射損耗、放電管的衍射損耗、腔內(nèi)光學(xué)元件的附加損耗以及腔鏡失調(diào)的附加損耗等。降低腔內(nèi)損耗的措施:合理設(shè)計(jì)諧振腔:選用穩(wěn)定腔,如平凹腔,雙凹腔等,平凹腔使用多.設(shè)計(jì)l,R等參數(shù);合理選擇毛細(xì)管直徑d:減少衍射損耗;選高質(zhì)量的光學(xué)元件;精調(diào)諧振腔。2023/11/755

氦氖激光器的許多激發(fā)躍遷具有同一激光上能級(jí)(或下能級(jí))，因此在它們之間存在有通過(guò)共有能級(jí)上粒子數(shù)發(fā)生的相互影響而出現(xiàn)的譜線競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，即某些譜線的產(chǎn)生振蕩后會(huì)使其他一些譜線的增益和輸出功率減弱或被抑制。3.39μm譜線與632.8nm譜線共用一個(gè)激光上能級(jí)3S2,且增益都比較高，譜線競(jìng)爭(zhēng)尤為強(qiáng)烈。3.39μm譜線的振蕩，將大量消耗激光上能級(jí)的粒子，導(dǎo)致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制。因此，設(shè)法抑制3.39μm譜線振蕩是提高632.8nm輸出功率的重要手段。抑制方法

增大3.39μm譜線的損耗降低3.39μm譜線的增益譜線競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)對(duì)輸出功率的影響2023/11/756(1)

腔內(nèi)置色散棱鏡利用棱鏡的色散效應(yīng),調(diào)整腔鏡,使632.8nm可在腔內(nèi)形成振蕩,而3.39μm的光逸出腔外.2023/11/757(2)腔內(nèi)放置甲烷吸收盒

甲烷氣體在3.39μm附近有一強(qiáng)吸收區(qū)，而對(duì)632.8nm透明度很好2023/11/758(3)外加非均勻磁場(chǎng)

利用塞曼效應(yīng)，磁場(chǎng)引起譜線分裂，分裂的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。沿放電管軸放置多塊磁鐵，相鄰的極性相同，而在管線軸上形成非均勻磁場(chǎng)，非均勻磁場(chǎng)的作用相當(dāng)于把譜線展寬。由于工作介質(zhì)的增益系數(shù)反比于線寬，因此3.39μm增益系數(shù)顯著降低，632.8nm增益系數(shù)下降很少，從而提高了632.8nm的競(jìng)爭(zhēng)能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3.39μm的抑制。2023/11/759(4)使用同位素He-3He-Ne器件中所充氦氣通常為He-4。實(shí)驗(yàn)表明,使用He-3比用He-4輸出功率可提高25%左右，但He-3的價(jià)格高得多,一般情況下很少使用。2023/11/760輸出功率穩(wěn)定性是激光性能檢驗(yàn)的重要指標(biāo)，用功率穩(wěn)定度S表示，S定義為一段時(shí)間內(nèi)輸出功率變化的百分?jǐn)?shù)。

影響因素：（1）放電電流波動(dòng)：電網(wǎng)電壓波動(dòng)，放電參數(shù)變化（2）工作頻率波動(dòng)：PW∝G，G∝1/ν3。溫度變化會(huì)引起腔長(zhǎng)變化，導(dǎo)致頻率變化。（3）腔損耗波動(dòng)：環(huán)境氣流的影響；外界機(jī)械沖擊；放電管發(fā)熱而變形、伸長(zhǎng)或縮短導(dǎo)致腔內(nèi)損耗改變，輸出功率波動(dòng)。

輸出功率的穩(wěn)定性一段時(shí)間內(nèi)輸出功率平均值這段時(shí)間內(nèi)功率波動(dòng)值2023/11/761提高其穩(wěn)定度的措施：一是在器件材料選取以及結(jié)構(gòu)、工藝等方面加以改進(jìn)。如放電管采用線膨脹系數(shù)小的材料，諧振腔一端反射鏡裝有壓電陶瓷等；二是利用外部控制的辦法如功率反饋、電流反饋的方法來(lái)減小輸出功率的波動(dòng)。2023/11/762He-Ne激光束的束散角可認(rèn)為僅取決于其諧振腔的幾何尺寸(因工作物質(zhì)光學(xué)均勻性好,故可忽略光在腔內(nèi)傳播過(guò)程中所產(chǎn)生的畸變)。

光束發(fā)散角的定義:

對(duì)于TEM00，其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(半角)θ(∞)為:

遠(yuǎn)場(chǎng):w0為激光束束腰直徑，θ(∞)越小，表明能量在光束方向上越集中，也就是常說(shuō)的方向性好

2.3.2氦氖激光束的發(fā)散角z較小時(shí)，θ(z)也較小，即光斑半徑w(z)隨z的增加而緩慢增大，這種特性常稱為準(zhǔn)直特性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要在盡可能長(zhǎng)的距離內(nèi)保持激光束的準(zhǔn)直特性。一般把光斑半徑從束腰直徑w0增加到w0的傳輸距離稱為準(zhǔn)直長(zhǎng)度，或叫瑞利長(zhǎng)度ZR。激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角越小，輸出光束的瑞利長(zhǎng)度越長(zhǎng)，即準(zhǔn)直性越好。2023/11/764

對(duì)于He-Ne激光器常用的平凹腔:

R

：凹面鏡曲率半徑

L

：腔長(zhǎng)

令：2023/11/765L一定時(shí)，Γ增加，θ(∞)減??；Γ一定時(shí)，L增加，θ(∞)減小。

為得到較小束散角，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用大R或大L，但R、L過(guò)大，不僅諧振腔調(diào)整困難,而且在工作過(guò)程中易失調(diào)，同時(shí)造成輸出功率的漂移。因此，設(shè)計(jì)R與L參數(shù)時(shí)要統(tǒng)籌考慮。2023/11/766外腔式與半外腔式外腔式與半外腔式He-Ne激光器，由于布儒斯特窗的存在，輸出的激光為線偏振光，其偏振電矢量方向在放電管軸與布氏窗的法線所構(gòu)成的平面，稱作入射面。光的偏振度：外腔式He-Ne激光器，I∥/I⊥高達(dá)300:1~500:1，偏振度均在99%以上，半內(nèi)腔式的偏振度稍低一些。引起偏振度下降的主要因素是粘貼布氏窗片時(shí)布氏角的偏差及局部應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射等。2.3.3氦氖激光器的偏振特性2023/11/767內(nèi)腔式He-Ne激光器輸出的激光表現(xiàn)常為自然光的性質(zhì)，但也存在一定的偏振性，其偏振態(tài)較為復(fù)雜，與振蕩模數(shù)目、腔鏡反射率分布情況、振蕩譜線種類(lèi)等相關(guān)，并且在工作過(guò)程中，偏振特性還會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變化。磁起偏He-Ne激光器：在放電管上加上均勻橫向磁場(chǎng)，即保留了內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)緊湊使用方便的特點(diǎn)，又可獲得高偏振度的線偏振光輸出。2023/11/768內(nèi)腔式

He-Ne激光器使用一段時(shí)間或存放一段時(shí)間后，它的輸出功率會(huì)逐漸降低，以致最后沒(méi)有激光輸出?，F(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1/e的工作時(shí)間為器件的壽命。產(chǎn)生原因：放電管密封不嚴(yán)密，空氣中的氮、氫等氣體分子會(huì)滲透到管內(nèi)，使放電條件改變并加快氦、氖原子激發(fā)態(tài)的消失速率，影響器件輸出功率。特征：激光器的放電顏色將由正常放電時(shí)的橙紅色變?yōu)樽仙ㄗ仙堑肿虞x光放電產(chǎn)生的）。容易出現(xiàn)的地方：電極與玻璃封接處；諧振腔反射鏡或布儒斯特窗與放電管粘合處以及吹制管坯時(shí)可能留下來(lái)的微小漏氣孔。改進(jìn)措施：要提高封接工藝水平并改革現(xiàn)有封接方法，如用玻璃硬封接工藝代替環(huán)氧樹(shù)脂做膠合劑的粘接工藝。2.3.4氦氖激光器的壽命慢性漏氣2023/11/769產(chǎn)生原因：激光管制作過(guò)程中除氣不徹底，放電管內(nèi)的元件及放電管內(nèi)壁都會(huì)吸附雜質(zhì)氣體，以后就會(huì)慢慢釋放出來(lái)。同時(shí)激光管清洗得不干凈時(shí)，污物和洗液也會(huì)放出大量雜質(zhì)氣體，這些雜質(zhì)氣體會(huì)改變?cè)錃獾臍怏w成分，影響輸出功率。改進(jìn)措施：要對(duì)放電管及其內(nèi)部元件進(jìn)行認(rèn)真清潔處理和除氣。此外，在放電管內(nèi)可放置吸氣劑，例如鋇鈦、鋇鋁鎳等，可吸收大量氮?dú)?、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、氧、氫等，但不吸收氦、氖。產(chǎn)生原因：陰極在正離子轟擊下會(huì)產(chǎn)生陰極濺射，濺射出來(lái)的金屬材料會(huì)吸收工作氣體，導(dǎo)致管內(nèi)工作氣壓降低，同時(shí)濺射物質(zhì)還會(huì)污染諧振腔反射鏡或布儒斯特窗片。改進(jìn)措施：選用不易濺射的金屬做電極，如鋁、鉭、鋯，目前認(rèn)為鋁是最理想的電極材料。并避免表面放電電流密度超過(guò)濺射閾值。此外，在充氣時(shí)可略高于最佳總氣壓，防止濺射物吸收造成的工作氣壓降低。放電管內(nèi)元件放氣陰極濺射2023/11/770產(chǎn)生原因：放電管內(nèi)的工作氣體可被電極和管壁吸附在表面，或吸收到金屬和玻璃內(nèi)部，甚至還會(huì)透過(guò)管壁滲透到大氣中去。氖的電離電位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直徑比氖小，它滲出管外的能力比氖強(qiáng)。由于這些原因，管內(nèi)的總氣壓和氦、氖氣壓比會(huì)慢慢變化，使之偏離最佳工作狀態(tài)，造成輸出功率下降。改進(jìn)措施：選用滲氦低的材料做放電管，還可以采用三層套管，即在放電管外再加一層氦氣補(bǔ)償套管，管內(nèi)充入的氦氣氣壓應(yīng)高于放電管內(nèi)的氣壓。產(chǎn)生原因：濺射沉積在反射鏡上或放電管內(nèi)未加清除掉的污物揮發(fā)后會(huì)沉積到反射鏡上，促使其反射率下降。改進(jìn)措施：設(shè)計(jì)He-Ne激光器時(shí)，應(yīng)注意反射鏡到陰極的距離要大于3cm。

工作氣體的吸附、吸收和滲透諧振腔反射鏡的污染目前He-Ne激光器最長(zhǎng)的壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。2023/11/7712.4He-Ne激光器的穩(wěn)頻激光的特點(diǎn)之一是單色性好，即其線寬Δν與頻率ν的比值Δν/ν很小。由于各種不穩(wěn)定因素的影響，實(shí)際激光頻率的漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線寬極限。在精密干涉測(cè)量、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中，要求激光器所發(fā)出的激光有較高的頻率穩(wěn)定性。2.4.1氦氖激光器的頻率特性在未采用任何縱模選取措施的情況下，一般的氦氖激光器表現(xiàn)為多縱模振蕩。無(wú)源腔各縱模間隔Δυq和振蕩線寬Δυosc分別為

β—激勵(lì)參數(shù)，一般取2ΔυD—多普勒帶寬，常溫下約為850MHz

與Δυosc相對(duì)應(yīng)的相干長(zhǎng)度Lc為20cm，而Kr86原子單色光源的相干長(zhǎng)度可以達(dá)到75cm，可見(jiàn)多縱模氦氖激光器的單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。應(yīng)用的激光器都要求有盡可能小的振蕩帶寬，最好是單縱模且穩(wěn)頻運(yùn)轉(zhuǎn)。2023/11/772選單縱模的方法縮短腔長(zhǎng)當(dāng)腔長(zhǎng)L<15cm時(shí)，縱模間隔Δυq大于1000MHz，縱模間隔拉開(kāi)，使得只允許一個(gè)縱模能超過(guò)振蕩閾值，獲得單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。但由于腔長(zhǎng)縮短，其輸出功率一般約為0.5mW，使其應(yīng)用存在局限性。腔內(nèi)放置縱模選擇器—F-P標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)于折射率n、厚度D和入射角θ都已確定的標(biāo)準(zhǔn)具，具有確定的透過(guò)帶fm，fm是頻率的周期函數(shù)，相鄰兩個(gè)fm的間隔Δυfree為標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)透過(guò)帶寬為單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)條件:(1)在振蕩帶寬內(nèi)只有一個(gè)透射峰(2)在一個(gè)透射峰帶寬內(nèi)只有一個(gè)縱模2023/11/7732.4.2氦氖激光器的穩(wěn)頻方法基橫模、單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的縱模頻率為：頻率穩(wěn)定度:激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比

頻率復(fù)現(xiàn)性:激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量目前,穩(wěn)定度已達(dá)到10-9～10-13而復(fù)現(xiàn)性在10-7～10-12，實(shí)際應(yīng)用中,要求穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性都能在10-8以上。L為腔長(zhǎng)，n為工作物質(zhì)折射率。激光器工作中，由于各種因素影響，會(huì)引起L和n在微小范圍內(nèi)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致υq也會(huì)有微小變化:2023/11/774He-Ne激光器的頻率穩(wěn)定狀況振蕩頻率在整個(gè)多普勒線寬內(nèi)移動(dòng)(最大頻移情況)考慮一個(gè)縱模振蕩頻率在整個(gè)振蕩線寬內(nèi)移動(dòng)：頻率穩(wěn)定度取工作物質(zhì)溫度T=400K，M為Ne原子質(zhì)量等于20，得頻率穩(wěn)定度為3.8×10-6，這是He-Ne激光器最低頻率穩(wěn)定度。振蕩譜線僅有自發(fā)輻射線寬(最小頻移情況)有源諧振腔中，由于自發(fā)輻射的存在，使得縱模激光器的線寬不等于零，而有一個(gè)所謂單縱模激光器的極限線寬有源腔線寬Δυc，此時(shí)取腔損耗α=2%，腔長(zhǎng)L=20cm，功率P=0.1mW，得頻率穩(wěn)定度為5×10-17，這是He-Ne激光器所可能達(dá)到的頻率穩(wěn)定度極限，目前實(shí)際所能達(dá)到的最高穩(wěn)定度為10-14量級(jí)。2023/11/775影響頻率穩(wěn)定度的主要因素?zé)o源腔縱模頻率為：腔長(zhǎng)L及折射率n都在一定范圍內(nèi)變化,當(dāng)L的變化為

L，n的變化為

n時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為：頻率是否穩(wěn)定取決于腔長(zhǎng)和折射率是否穩(wěn)定2023/11/776(1)

溫度變化的影響

環(huán)境溫度的起伏或者激光管工作時(shí)發(fā)熱，都會(huì)使腔材料隨著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，即

式中，△T為溫度的變化量；α為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，硬質(zhì)玻璃α=10-5/0C，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷鋼α=9×10-7/0C。一般難以獲得優(yōu)于10-8的頻率穩(wěn)定度。引起n、L變化的外界因素采取的措施：a：選取膨脹系數(shù)小的材料做激光管和激光器支架，例如采用石英玻璃做激光管，用殷鋼做支架b:采取恒溫措施2023/11/777溫度、氣壓及濕度對(duì)頻率的影響定量關(guān)系為：(2)大氣變化的影響對(duì)于外腔式激光器，設(shè)諧振腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，放電管長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，則暴露在大氣中部分的相對(duì)長(zhǎng)度為(L-L0)/L，大氣的溫度、氣壓、濕度的變化都會(huì)引起大氣折射率的變化，從而導(dǎo)致激光振蕩頻率的變動(dòng)。頻率的變化與βTΔT、βpΔp、βHΔH、(L-L0)/L成正比采取的措施：a：減少相對(duì)長(zhǎng)度—在大氣中部分越少，影響越小b:把暴露于大氣中的部分屏蔽—免于大氣中的影響2023/11/778建筑物的振動(dòng)、車(chē)輛的通行、聲響等都會(huì)引起腔的支架振動(dòng),使腔的光學(xué)長(zhǎng)度改變,導(dǎo)致振蕩頻率的漂移。(3)機(jī)械振動(dòng)的影響對(duì)于L=100cm的光腔，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)引起10-6cm的腔長(zhǎng)改變時(shí)，頻率將有1×10-8的變化。因此，要克服機(jī)械振動(dòng)的影響，穩(wěn)頻激光器必須采取良好的防震措施。殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔長(zhǎng)的變化，如1.15μm波長(zhǎng)的He-Ne激光器，僅由于地磁場(chǎng)效應(yīng)可以產(chǎn)生140kHz的頻移。因而地磁場(chǎng)效應(yīng)和周?chē)娮觾x器的散磁場(chǎng)對(duì)于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。(4)磁場(chǎng)的影響2023/11/779引起頻率變化的內(nèi)部因素(1)激光管內(nèi)充氣壓比例不同，氣壓（影響碰撞線寬）、放電電流變化引起頻率變化。采取的措施：穩(wěn)壓，穩(wěn)流。(2)由于原子自發(fā)輻射造成的無(wú)規(guī)則噪聲影響到頻率。從上面的討論可以看出：外界溫度、大氣、振動(dòng)、內(nèi)部氣壓等影響腔長(zhǎng)L-△L，如果不加任何措施，穩(wěn)定度很差，一般頻率可以在整個(gè)譜寬范圍內(nèi)漂移。例如：He-Ne激光器Δυg≈1.5×109Hz，λ=632.8nm≈5×1014Hz，所以穩(wěn)定度：采取恒溫、防震、穩(wěn)壓、穩(wěn)流等措施以后，穩(wěn)定度可提到10-7。但在實(shí)際中要求穩(wěn)定度比10-7高，必須采取其他措施來(lái)進(jìn)行穩(wěn)頻。2023/11/780穩(wěn)頻方法概述穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)：保持n、L不變。被動(dòng)式穩(wěn)頻

利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合。

穩(wěn)頻的原理:采用負(fù)反饋電路控制穩(wěn)頻技術(shù)。選取一個(gè)穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差訊號(hào),通過(guò)負(fù)反饋電路去控制腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。主動(dòng)式穩(wěn)頻

鑒頻器：穩(wěn)頻的關(guān)鍵部件。①任務(wù)：a.提供標(biāo)準(zhǔn)頻率。b.頻率鑒別：當(dāng)激光器振蕩頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，能夠鑒別出來(lái)。②對(duì)鑒頻器的要求：a.中心頻率要穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)頻率不能有漂移。b.靈敏度要高，微小變化能鑒別。

2023/11/781③鑒頻器的類(lèi)型以原子譜線本身作為鑒頻器a.利用增益曲線的頂峰對(duì)應(yīng)的頻率υ0做標(biāo)準(zhǔn)頻率b.以藍(lán)姆凹陷的中心頻率υ0為標(biāo)準(zhǔn)頻率c.以增益曲線的塞曼分裂υ0為標(biāo)準(zhǔn)頻率以外界標(biāo)準(zhǔn)頻率作為鑒頻器a.無(wú)源腔的某一頻率做標(biāo)準(zhǔn)參考頻率b.利用飽和吸收體的吸收峰對(duì)應(yīng)的頻率做標(biāo)準(zhǔn)頻率2023/11/782蘭姆凹陷法穩(wěn)頻1.蘭姆凹陷對(duì)非均勻加寬激光介質(zhì)，由于增益燒孔效應(yīng)，導(dǎo)致激光器輸出的功率（或光強(qiáng)）在中心頻率υ0處最小。即在P-υ關(guān)系曲線上υ0處出現(xiàn)凹陷，這種現(xiàn)象叫做蘭姆凹陷。(a)增益曲線的燒孔效應(yīng)(b)蘭姆凹陷2023/11/7832.結(jié)構(gòu)和原理①單縱模激光器：其中一塊反射鏡固定在壓電陶瓷上。當(dāng)壓電陶瓷外表面加正電壓，內(nèi)表面加負(fù)電壓時(shí)，壓電陶瓷伸長(zhǎng)，L??；反之，L大。②光電探測(cè)器：利用光電轉(zhuǎn)換裝置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?hào)-誤差訊號(hào)。③電路系統(tǒng)：將誤差訊號(hào)轉(zhuǎn)成直流電壓加到壓電陶瓷上，以改變L→υ。2023/11/784工作原理：以凹陷中心頻率υ0做標(biāo)準(zhǔn)頻率。利用P-υ關(guān)系曲線，當(dāng)dL→dυ0→dP，通過(guò)電路系統(tǒng)把dP變成dV加到壓電陶瓷上，使dL→0→υ→υ0。dP：誤差信號(hào)，是由激光器輸出的功率和標(biāo)準(zhǔn)頻率υ0輸出的功率P0比較得到的信號(hào)。dP的大小表明dυ大小，dP大，dυ大，即υ偏離υ0大；dP的相位表明dυ偏離υ0的方向。dP和dυ同相則υ>υ0；dP和dυ反相則υ<υ0。dP靠在壓電陶瓷上加一調(diào)制電壓來(lái)得到。在壓電陶瓷加一直流偏壓和頻率為f的調(diào)制電壓。加直流偏壓的目的：在工作前調(diào)整激光器的振蕩頻率為凹陷的中心頻率υ0。氣體管中氣體的比例、氣壓的變化，工作過(guò)程中磁場(chǎng)、電場(chǎng)及放電電流的變化會(huì)引起υ0的漂移，因此需先調(diào)整激光器的頻率υ＝υ0。加調(diào)制電壓的目的：給出dP的大小和方向，對(duì)功率進(jìn)行低頻調(diào)制。2023/11/785穩(wěn)頻最關(guān)心的是穩(wěn)定度，要提高頻率的穩(wěn)定度，希望頻率微小的變化就能產(chǎn)生大的可以分辨的誤差訊號(hào)dP，即要求dP/dυ足夠大。(1)凹陷的深度越大，dP/dυ越大，靈敏度越高。一般要求凹陷的深度大約等于輸出功率的1/8，即△P/P0＝1/8，穩(wěn)定性好。增加深度的辦法：a.降低腔內(nèi)損耗—降低閾值。b.提高信號(hào)增益，可以調(diào)節(jié)放電電流，使工作在最佳狀態(tài)。(2)要求凹陷線型對(duì)稱，若不對(duì)稱，dP/dυ不對(duì)稱，dP/dυ小的一側(cè)靈敏度低，難以準(zhǔn)確調(diào)到凹陷中心。充氣種類(lèi)決定：He-Ne充純Ne20或Ne22，可對(duì)稱。3.穩(wěn)定度2023/11/786參考頻率υ0自身漂移，限制了蘭姆凹陷穩(wěn)頻的穩(wěn)定度，利用藍(lán)姆凹陷穩(wěn)頻的穩(wěn)定度最高可達(dá)10-9，復(fù)現(xiàn)性僅為10-7。1.塞曼效應(yīng)在磁場(chǎng)的作用下，光譜線發(fā)生分裂的現(xiàn)象，稱為塞曼效應(yīng)。例如He-Ne激光器λ＝632.8nm的激光，由Ne原子的3S2-2P4能級(jí)躍遷產(chǎn)生，加磁場(chǎng)以后，沿磁場(chǎng)方向觀察，分裂成中心頻率為υ0右的右旋光和中心頻率為υ0左的左旋光，兩光的交點(diǎn)是中心頻率υ0。當(dāng)υ<υ0時(shí)，右旋光光強(qiáng)比左旋光光強(qiáng)大，反之亦然。塞曼效應(yīng)磁場(chǎng)中原子能級(jí)的分裂賽曼效應(yīng)穩(wěn)頻2023/11/787利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲線的交點(diǎn)υ0作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)υ偏離υ0時(shí)，根據(jù)υ0左、υ0右光強(qiáng)的變化做誤差訊號(hào)，利用電路反饋系統(tǒng)加到壓電陶瓷上，控制激光器腔長(zhǎng)，使υ→υ0。2.穩(wěn)頻原理①激光器：反射鏡固定到壓電陶瓷上，壓電陶瓷上只加一直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)L，在激光管上加H＝300高斯均勻磁場(chǎng)，使光譜發(fā)生分裂。②電光晶體：在晶體上加交變電壓，用以改變左右旋光的相位差，即改變它們的偏振態(tài)。③檢偏器：恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置其偏振方向，使電壓為正半周時(shí)，右旋光能通過(guò)，電壓為負(fù)半周時(shí)，左旋光能通過(guò)。④光電轉(zhuǎn)換裝置⑤電路系統(tǒng)：給出偏差電壓dV2023/11/788塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的穩(wěn)定度為10-10，比蘭姆凹陷穩(wěn)頻高1個(gè)數(shù)量級(jí)。但同樣受放電條件等的影響，由于υ0有漂移，其復(fù)現(xiàn)性僅為10-7，再現(xiàn)性差，穩(wěn)定受到限制。二者共同特點(diǎn)：參考頻率為增益曲線的中心頻率。若利用更穩(wěn)定的外界頻率可以得到更高的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性—飽和吸收穩(wěn)頻。3.穩(wěn)定度2023/11/789在諧振腔中放入一個(gè)充有低氣壓氣體原子(或分子)的吸收管,它有和激光振蕩頻率配合很好的吸收線。由于吸收管氣壓很低，故碰撞加寬很小，可以忽略不計(jì)，吸收線中心頻率的壓力位移也很小，吸收管一般沒(méi)有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。所以在吸收線中心處形成一個(gè)位置穩(wěn)定且寬度很窄的凹陷，以此作為穩(wěn)頻的參考點(diǎn)，可使其頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性精度得到很大的提高。

飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖飽和吸收法穩(wěn)頻2023/11/790飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖

設(shè)吸收管內(nèi)物質(zhì)的吸收系數(shù)為A(v),當(dāng)入射光足夠強(qiáng)時(shí),由于下能級(jí)粒子數(shù)的減少和上能級(jí)粒子數(shù)的增加,

A(v)將隨入射光強(qiáng)之增加而減小,這就是吸收飽和現(xiàn)象。對(duì)于v=v0的光，其正向傳播和反向傳播的兩列行波光強(qiáng)均被υz=0的分子所吸收，即兩列光強(qiáng)作用于同一群分子上，故吸收容易達(dá)到飽和；而對(duì)于v≠

v0的光，則正向傳播和反向傳播的兩列光強(qiáng)分別被縱向速度為+υz及-υz的兩群(少于υz=0）分子所吸收，所以吸收不易達(dá)到飽和，在吸收線的v0處出現(xiàn)吸收凹陷。吸收介質(zhì)的吸收曲線2023/11/791

吸收介質(zhì)的吸收曲線在諧振腔中放置吸收管時(shí)諧振腔的往返損耗為：由于A(ν)-ν曲線在υ0處有一尖銳凹陷,激光器輸出功率在υ0'處出現(xiàn)一個(gè)尖銳的尖峰,稱為反蘭姆凹陷。利用反蘭姆凹陷,可使激光器的頻率穩(wěn)定在υ0',其穩(wěn)頻系統(tǒng)與蘭姆凹向法類(lèi)似。α：諧振腔的光學(xué)損耗T：諧振腔的透過(guò)率L'：吸收管長(zhǎng)度2023/11/7922.5He-Ne激光器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的基本要求運(yùn)行于TEM00模，較高的輸出功率、較小的發(fā)散角壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)牢固、工作穩(wěn)定、使用方便等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)放電管內(nèi)徑d和長(zhǎng)度l、諧振腔長(zhǎng)度L、反射鏡曲率半徑R和透過(guò)率T等以全內(nèi)腔式632.8nm譜線氦氖激光器設(shè)計(jì)為例。2023/11/793放電管長(zhǎng)度l和諧振腔長(zhǎng)度L

放電最佳條件下，輸出功率P∝G，G∝l對(duì)輸出功率要求為P的放電毛細(xì)管長(zhǎng)度為：P0為單位長(zhǎng)度的功率值，常為經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)0.6328μm激光，在最佳放電條件下，未抑制3.39μm譜線，P0=20mW/m，若抑制了3.39μm譜線，P0=50mW/m。放電毛細(xì)管長(zhǎng)度l確定后，則可確定諧振腔長(zhǎng)度

為了防止電極濺射污染鏡片以及加工工藝的要求，在放電毛細(xì)管的兩端加長(zhǎng)Δl，Δl為工藝長(zhǎng)度,一般情況下Δl>20mm。2.5He-Ne激光器的設(shè)計(jì)2023/11/794反射鏡曲率半徑R氦氖激光器增益較小，諧振腔一般采用平凹腔，平面鏡作輸出鏡，凹面鏡作反射鏡。反射鏡曲率半徑R由腔結(jié)構(gòu)參數(shù)Γ定。

對(duì)于R和L組成的平凹腔，TEM00模的腰斑位于平面鏡上，兩塊腔鏡上的光斑尺寸分別為：

Γ值越大，激光振蕩模越充滿放電管，放電管利用率越高，一般要求Γ>2。Γ值越大，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角越小，光束方向性也越好。

2023/11/795Γ