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1、第第2章典型激光器章典型激光器第1页，本讲稿共12页一、基本结构（1）M1、M2是两个反射镜，构成一个光学谐振腔。是两个反射镜，构成一个光学谐振腔。M1是平是平面反射镜，镀七层介质膜，属面反射镜，镀七层介质膜，属/4入膜系（或硫化锌一氧化镁，入膜系（或硫化锌一氧化镁，或氧化锆一氧化硅）。反射率或氧化锆一氧化硅）。反射率R9598。M2是凹面反射是凹面反射镜，镀镜，镀17层介质膜，反射率层介质膜，反射率R100，也属，也属1/4入膜系（入膜系（/4膜膜系中的系中的有三种波长：有三种波长：6328、1.15m、3.39m）。你希望这个）。你希望这个He-Ne激光器出什么波长就镀什么膜。激光器出什么
2、波长就镀什么膜。第2页，本讲稿共12页（2）激光器（除反射镜）激光器（除反射镜M1、M2外的全部）是硬质玻璃（或石外的全部）是硬质玻璃（或石英玻璃）壳，由人工吹制而成。英玻璃）壳，由人工吹制而成。S内充内充He气和气和Ne气，气，He：Ne7：1，总气压为几托。，总气压为几托。（3）毛细管：一根玻璃管，内径）毛细管：一根玻璃管，内径0.82mm。当电极加上高压。当电极加上高压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。转。（4）阴极区。区内装有阴级）阴极区。区内装有阴级D，一般都用铅做成筒状，因，一般都用铅做成筒状，因为铅的电子发
3、射率高和溅射率小，筒状是为了增加电子发为铅的电子发射率高和溅射率小，筒状是为了增加电子发射面积和减少阴极溅射。射面积和减少阴极溅射。（5）阳极：是一直径为）阳极：是一直径为2mm的钨杆（棍）。的钨杆（棍）。（6）高压直流电源：能输出几千伏电压，电流从）高压直流电源：能输出几千伏电压，电流从3mA10mA。这种这种He-Ne激光器具有全封闭结构，叫内腔式激光器。激光器具有全封闭结构，叫内腔式激光器。第3页，本讲稿共12页（7）布氏窗：输出线偏振光，垂直于纸面的光反射出腔外。）布氏窗：输出线偏振光，垂直于纸面的光反射出腔外。二、氦氖激光器放电通路和所需电压和电流二、氦氖激光器放电通路和所需电压和电
4、流 1.打开高压直流电源，电源输出一数千伏直流高压。打开高压直流电源，电源输出一数千伏直流高压。2.直流高压加在正负极上，通路是：正极直流高压加在正负极上，通路是：正极A区（毛细管）区（毛细管）C区区D负极负极R（大电阻，几十（大电阻，几十K）电源电源正极。正极。高压使高压使He-Ne气体击穿导电，电流（几气体击穿导电，电流（几mA）沿上述回路流）沿上述回路流动放电气体呈橙红色，口头上说：激光器点着了。动放电气体呈橙红色，口头上说：激光器点着了。3.气体击穿前，气体击穿前，He-Ne激光器正负极间电压为数千伏，气体激光器正负极间电压为数千伏，气体击穿后，大电阻击穿后，大电阻R分去部分电压，在分
5、去部分电压，在200mm长管的两极间有长管的两极间有数百伏电压，流过数百伏电压，流过He-Ne激光的电流比较小，激光的电流比较小，410mA。第4页，本讲稿共12页4.激光器点着后，激光器点着后，He原子立即被抽运到高能级，实现粒子数原子立即被抽运到高能级，实现粒子数反转并形成增益大于损耗的状态，立即出现激光束。反转并形成增益大于损耗的状态，立即出现激光束。三、氦氖激光器三、氦氖激光器632.8nm波长激光激发机理波长激光激发机理所谓激光激发机理就是激光器和产生激光有关的各能级所谓激光激发机理就是激光器和产生激光有关的各能级的跃迁过程。的跃迁过程。第5页，本讲稿共12页1、632.8nmHe和
6、和Ne的能的能级结构（和产生激光有级结构（和产生激光有关的）如图所示。在能关的）如图所示。在能级图中，以竖线表示一级图中，以竖线表示一个原子的计量值，能级个原子的计量值，能级图没有横坐标。图没有横坐标。（1）氦有三个能级参予激光过程。基态 和亚稳态能级 2 ，亚稳态能级有较长的寿命。（2）氖有四个能级参予）氖有四个能级参予632.8nm的激光过程。的激光过程。基态基态2 。能级：能级：1S2（1S是一组能级，共是一组能级，共4个，个，1S2是其中之一）。是其中之一）。能级能级2P4（2P是一组能级，共是一组能级，共10个子能级，其余九个不参予个子能级，其余九个不参予632.8nm激光的激光过程
7、），激光的激光过程），寿命寿命19.1ms。能级能级2（2S能级共有五个子能级共有五个子能级、其余四个不参予能级、其余四个不参予632.8nm的激光过程），寿命的激光过程），寿命1020m。第6页，本讲稿共12页（7）1S态原子主要通过与管壁碰撞把能量交给管壁而回到态原子主要通过与管壁碰撞把能量交给管壁而回到基态，这一过程称为基态，这一过程称为“管壁效应管壁效应”。（6）2P4能级不能向基态跃迁（违禁的），而是通过自发辐能级不能向基态跃迁（违禁的），而是通过自发辐射跃迁到射跃迁到1S2态。态。（5）Ne*原子的（原子的（3S2）向）向2P4跃迁，发出跃迁，发出632.8nm的光。的光。（4）H
8、e原子在2 能级上不能通过自发辐射回到基态。但He*原子和基态Ne原子发生非弹性碰撞，把能量转移给Ne原子，使Ne原子激发到3S2能级上。这就是所谓能量的共振转移。2.激发过程激发过程（1）在热平衡状态下，）在热平衡状态下，He原子和原子和Ne原子几乎全部原子几乎全部在自己的基态上（也就是在自己的基态上（也就是所有原子都处于能量最低所有原子都处于能量最低状态），而其它能级基本状态），而其它能级基本上是空的。上是空的。（3）He原子的 2 是亚稳态，寿命较长，能积累大量He原子。激发态原子常用He*表示。（2）当激光管放电时（电流大小合适），阴极发射电子高速向阳极运动，电子在运动中与基态He原子
9、发生频繁非弹性碰撞，电子能量转移给He原子，使He原子从基态激发到2 。这种碰撞可能是几个电子轮番碰撞一个He。第7页，本讲稿共12页（a）He的2 能级比Ne的3S2能级能量稍低一些（0.0048eV），这一能量是由原子热运动的动能补充的。（b）Ne的3S2能级寿命不太长（1020mS），但He*和基态Ne原子碰撞几率极大，所以3S2上能积累大量激发态Ne原子。说明：四、激光产生的过程 1.在激光管点燃时，下述二过程同时发生着：第8页，本讲稿共12页（1）Ne*（2S2）能级（激光上能级）粒子的积累过程：）能级（激光上能级）粒子的积累过程：共振转移电子碰撞Ne原子从基态被高速率抽运到激光上能
10、级3S2。He1He2（2）Ne（2P4）能级（激光下能级）的出空过程：）能级（激光下能级）的出空过程：2P4 1S2基态 自发辐射管壁效应总之，激光上能级粒子数增大，而激光下能级是空的，所以总之，激光上能级粒子数增大，而激光下能级是空的，所以粒子数反转就建立起来了，从而在毛细管内建立起增益区。粒子数反转就建立起来了，从而在毛细管内建立起增益区。第9页，本讲稿共12页2.光学谐振腔的反馈反射作用，使平行于毛细管轴线运动的光学谐振腔的反馈反射作用，使平行于毛细管轴线运动的光子反复通过毛细管多次而得到放大。光子反复通过毛细管多次而得到放大。3.当光在毛细管中通过时，如果所获得增益高于光的损耗时，当
11、光在毛细管中通过时，如果所获得增益高于光的损耗时，激光就产生了。激光就产生了。光的单程损失，主要是两片反射镜透射率引起的。光的单程损失，主要是两片反射镜透射率引起的。光增益系数（单程）光增益系数（单程）:例如：当全反镜和输出镜的透过率分别为例如：当全反镜和输出镜的透过率分别为 和和 （九层介质膜）时，总损耗（单程）（九层介质膜）时，总损耗（单程）2.2。这时腔长多。这时腔长多长才能出光？（长才能出光？（G）如果）如果d=1mm，计算得毛细血管有效长，计算得毛细血管有效长度必须大于度必须大于70mm才能产生激光。才能产生激光。第10页，本讲稿共12页五、影响激光功率的参数1.两反射镜不平行（称为
12、光学谐振腔失调）。这时，反射两反射镜不平行（称为光学谐振腔失调）。这时，反射镜失去反馈作用（或说腔损耗增大），一般认为二镜平行镜失去反馈作用（或说腔损耗增大），一般认为二镜平行度应小于约半分。度应小于约半分。2.输出镜最佳透过率。如果输出镜反射率输出镜最佳透过率。如果输出镜反射率R很大，则光腔很大，则光腔损失很小，易于满足增益大于损耗，很易出光，但光只损失很小，易于满足增益大于损耗，很易出光，但光只在腔内而不能输出；如果输出镜反射率在腔内而不能输出；如果输出镜反射率R很小，光腔损失很小，光腔损失就大，以至于增益比损耗还小，又不能产生光辐射。所就大，以至于增益比损耗还小，又不能产生光辐射。所以要
13、求有最佳透过率，它往往是由实验得出。以要求有最佳透过率，它往往是由实验得出。3.最佳放电电流。经验证明、激光管点燃后，如果从最小最佳放电电流。经验证明、激光管点燃后，如果从最小输入电流（一般输入电流（一般3mA）逐渐增大，）逐渐增大，He-Ne激光光功率也增激光光功率也增大，但达到一定值后，电流增加，光功率反而变小。大，但达到一定值后，电流增加，光功率反而变小。第11页，本讲稿共12页六、输出特性 1.输出功率。有两个特点：（输出功率。有两个特点：（a）可以连续输出。）可以连续输出。(b)通过激通过激光器内毛细血管加长激光功率可以从光器内毛细血管加长激光功率可以从0.5mw增加到增加到30mw。2.方向性好。方向性好于红宝石激光器，接近理论值。因为方向性好。方向性好于红宝石激光器，接近理论值。因为激光介质是气体，总是均匀的，而红宝石内有应力和气泡。激光介质是气体，总是均匀的，而红宝石内有应力和气泡。3.单色性好。在采取一定措施后，He-Ne激光使长的误差范围如下：。第12页，本讲稿共12页