氦氖激光器

n 4n 0n eS0/4n (eS4A ) 2.4.4
S02：电子激发速率常数 A： 自发辐射几率
A
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将2.4.4式代入2.4.2式，有
n3(K0nK 1/1n30)nen (Se0 S44A)
2.4.5
同样，Ne的2P4能级的粒子密度n2的速率方程为
dd2ntn1neS02n2neS2n2A 2.4.6
n1：Ne基态（11S0）上的粒子数密度
dd3 ntK1n4K0nn3n3 3
2.4.1 n2：Ne（2P4）能级上的粒子数密度
n3：Ne（3S2）能级上的粒子数密度
稳态时，dn3/dt＝0，由上式有
n4：He（21S0）能级上的粒子数密度
n3
Kn1n4
Kn0 1/3
K: 转移速率常数
2.4.2 3 Ne（3S2）的粒子数驰豫到其他能
He + e
He（21S0）+ e
He + e
He（23S1）+ e
He（21S0）+ Ne
He + Ne（3S2)+0.048ev
He（23S1）+ Ne
He + 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 + Ne
e + Ne（2S)
e + Ne
e + Ne（3S)
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
A
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2.5 He-Ne激光器的输出功率
1.1 He-Ne激光器的增益系数 He-Ne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。 Ne原子在 到 +d 范围内的小信号反转粒子密度按多普 勒非均匀展宽公式为
基态原子
A
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1.4气体放电的方式 图：
图中：D点以前，非自持放电 （D点为气体放电的着火点）
DE段： 辉光放电过渡区
EF段： 正常辉光放电区
FG段： 反常辉光放电区
GH段： 弧光放电过渡区 （G点为弧光着火电压点）
H点以后： 稳定弧光放电区A
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二 氦氖激光器
2.1氦氖激光器的结构
工作物质： He-Ne气体（He为辅助气体），气压比为5：1－7：1
泵浦系统：为实现粒子数反转提供外界能量 电激励 光激励 热激励 化学能激励 核能激励
A
3
一 气体激光器的基本知识
气体激光器的优点： 1. 工作物质均匀性好，输出激光光束质量好 2. 谱线宽，从远红外到紫外 3. 输出功率大，转换效率高（电光转换） 4. 结构简单，成本低
1.1 气体放电基本原理
气体放电粒子种类： 1）中性粒子 CO2, He－Ne
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
复合激发： 先形成分子离子，再与电子碰撞获得激发态Ne分子
A
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2.4 He－Ne激光器的最佳放电条件
2.4.1 求粒子反转数△n＝n3-n2 Ne（3S2）能级上粒子数密度n3
n0：He基态（11S0）上的粒子数密度
级的驰豫时间
同理，He（21S0）能级上的粒子数密度n4的 速率方程为：
ne： 电子密度
d d4n tn0neS04 (n4neS4n4A ) 2.4.3
S04： He基态（11S0）到He（21S0）的 电子激发速率常数 A′：衰减几率
稳态后，dn4/dt＝0，由2.4.3可得
S4: 消激发速率常数
稳态后，dn2/dt＝0，得
n2n 1n eS0/2n (eS2A )
因自发辐射几率A很大，故上式可变为：
2.4.7
n2n1neS02/A
2.4.8
根据2.4.5和2.4.8两式，就可以分析粒子反转数△n与放电条件的关系
A
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2.4.2 △n与放电电流的关系
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
2）带电粒子 Ar+
3）激发粒子 A′
碰撞规律： 弹性碰撞 非弹性碰撞
A
4
1.2 激发与电离
e+A
e + A′ （原子激发）
高速电子
基态原子
低速电子
激发态原子
e+A
e + A+ + △e （原子电离）
电子能量 ＞ 激发能（电离能）
1.3 共振能量转移
A* + B A + B* +/- △e
亚稳态原子
优点：1. 光束质量好 Θ＜1mrad 2.单色质量好，带宽＜22Hz 3.稳定性高 功率稳定（ ＜2％）
频率稳定（ ＜5×10-15）
4.在可见光区
A
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He－Ne激光器实例
普通氦氖激光器
电源和激光管封装在一起
A
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2.3 He－Ne激光器的工作能级 典型的四能级系统 图：
A
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共振转移：
源自文库
He原子的21S0和23S1态分别与Ne原子的3S﹑2S态靠得很近
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
A
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2.2 He－Ne激光器的特点 典型谱线： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他谱线： 612nm 594nm 543nm
A
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2.4.3 △n与He﹑Ne气压的关系
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：
氦－氖气体激光器
A
1
基本内容 回顾：激光器的基本结构 一 激光器的基本知识 二 氦氖激光器的工作原理介绍
A
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回顾：激光器的基本结构
所有激光器的基本组成都包括三大部分：
工作物质： 激光器的核心 氦氖激光器的He－ Ne气 Nd+3：YAG激光器中的Nd+3
谐振腔： 形成激光振荡的必要条件，还对光 束质量起着约束作用 平平腔 平凹腔 稳定 腔 非稳腔
成正比，ne＝K′i，K′为比例系数；而n0﹑n1﹑A ﹑ 放电电流无关，因此2.4.5和2.4.8式可表示为：
等 3均与
n3K 1i/K (2iA )
n2 K3i
粒子数密度与放电电流的关系图
其中
K 1 K K 1 n 0 S n 0/4 K (0 1 n /3 )
K2 KS4
K3Kn1S02/A