第5章-典型激光器

图(5.10) 与激光跃迁有关的He-Ne原 子的部分能级图
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
b、激发过程 在He—Ne激光器中，实现粒子数 反转的主要激发过程如下： 第一是共振转移。由能级图可见， He原子的21S0、23S1态分别与Ne原 子的3S、2S态靠得很近，二者很容 易进行能量转移，并且转移几率很 高，可达95%，其转移过程如下：
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
e、寿命
2．放电管内元件放气 放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，如果除气不彻 底，以后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时，污物和 洗液也会放出大量杂质气体，这些杂质气体会改变原充气的气体成 分，影响输出功率。 为克服放气，要对放电管及其内部元件进行认真清洁处理和除气。 此外，在放电管内可放置吸气剂，例如钡钛、钡铝镍等，它们可吸 收大量杂质气体，但不吸收氦、氖。
④在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
e、寿命 He－Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率 会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降 到最高功率的1／e的工作时间为器件的寿命。 影响器件寿命的因素大致有以下几方面： 1．慢漏气 当放电管密封不严密时，空气中的氮、氢等气体分子会渗透到管 内，使放电条件改变并加快氦、氖原子激发态的消失速率，无疑， 这将影响器件输出功率。出现慢漏气时，激光器的放电颜色将由正 常放电时的橙红色变为紫色（紫色是氮分子辉光放电产生的）。 容易出现慢漏气的地方有：电极与玻璃封接处；谐振腔反射镜 或布儒斯特窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏 气孔。为防止慢漏气，要提高封接工艺水平并改革现有封接方法。
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
b、激发过程 第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原 子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和 3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。
第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后 再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。
He*与Ne*能级极相近, 易发生能量共振转移 。
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
d、输出特性 ③若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出 功率最大的最佳pd值。 右图给出了在不同的毛细管内 径d和长度l时,输出功率与充气 总气压和气压比的实验曲线。 由图可见,内径d不同,最佳充气 压和气压比也不同。气压也增 加。计算可得:当取最佳充气条 件时,最佳气压λPopt与毛细管 内径的乘积约为一常数,一般 Poptd=480~533Pamm.
②腔内放置甲烷吸收盒,因为甲烷对3.39um的光具有强吸 收而对0.6328um的光透明,因此可用甲烷抑制3.39um振荡;
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
c、谱线竞争 ③外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应,磁场可 引起谱线分裂,分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场 分布不均匀,则各处谱线分裂程度不同并连成一片,相当于谱线变 宽。300高斯非均匀磁场中,两谱线加宽均约900MHz， 0.6328um原谱线半宽度约1500MHz,非均匀磁场对它展宽的比例 不大。但3.39um原谱线宽只有300MHz左右,非均匀磁场的加宽 比它大几倍。由于增益系数反比于线宽,所以外加非均匀磁场 后,3.39um的增益系数急剧下降,而0.6328μm的增益系数却下降 很少，结果提高了0.63281um的竞争能力,3.39um则被抑制。外 加非均匀磁场的装置如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁, 相邻的极性相同,这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。
He-Ne激光器
a、基本结构 He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组 成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。
放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管 通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、 氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电 使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不 发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附 气体造成 He,Ne 气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。 放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的 器 件 可 用 热 胀 系 数 小 的 石 英 玻 璃 制 作 。
§5.2 气体激光器
• 气体放电激励基础 • He-Ne激光器 • CO2激光器
§5.2 气体激光器
气体放电激励基础
气体放电 是指在高压作用下，气体分子（或原子） 发生电离而导电的现象。 直流连续放电 按放电 管电极 所加电 压不同
高频放电
脉冲放电
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
d、输出特性
He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。 ① 右图表示输出功率与放电电流 的关系曲线。曲线表明:在气压比为 定值时,每个总气压都存在一个输出 最大的放电电流,其大小随着总气压 的升高而降低,这是因为气压升高,只 需要较小的放电电流就能得到相同 的电子密度。 在最佳充气条件下，使输出功率 最大的放电电流叫最佳放电电流
第五章 典型激光器
5.1 概述 5.2 气体激光器
5.3 固体激光器 5.4 半导体激光器
§5.1 概述
• 激光器的基本结构 • 激光器的分类及其主要输出特性
§5.1 概述
激光器的基本结构
medium
r1
Pump for producing an inversion
r2
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
图(3.6) 与激光跃迁有关的He-Ne原 子的部分能级图
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
c、谱线竞争 He-Ne激光器三条强的激光谱线： 3S2P 0.6328m，2S2P 1.15m，3S3P 3.39m 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜 反射镜的波长选择。
0.6328um和3.39umm两条激光谱线有共同的激 光上能级3S,而后者增益系数比较高,如果不进行抑制, 则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2 态原子。
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
c、谱线竞争 抑制3.39um辐射的办法主要有: ①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜,使 339um达不到阈值条件,如下图所示,在腔内加色散棱镜,将两 谱线分开,通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许0.6328um的 辐射起振,而使3.39um的辐射偏离出谐振腔外;
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
光纤激光器 工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域
晶体光纤、 波长调谐范 塑料光光 纤纤、非 半导体 近红外到 围宽、器件 掺杂光纤 线性光学 激光二 远红外波 紧凑： 效应光纤、 极管 段 光纤通讯领 稀土类掺 域等 杂
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
化学激光器 工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域
功率高、无 紫外－－ 需外界提供 气体、液 HF、DF、 红外（甚 泵源： 化学能 至微米波 体 COIL 国防、科研 段） 领域等
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
自由电子激光器 工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
半导体激光器 工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域 小型化、结 构简单、寿 命长： 近红外 注入电 （920－ 光通信、光 流 1650nm） 存储、光信 息处理、科 研、医疗等
ⅢA －ⅤA ⅡB －ⅥA 半导体材 ⅣA －ⅥA 料 化合物半 导体
按工作物质分类

按运转方式分类

固体激光器 气体激光器 染料激光器 半导体激光器 连续激光器 脉冲激光器 超短脉冲激光器 远红外、红外激光器 可见光激光器 紫外、真空紫外激光器 X光激光器
按工作波段分类

§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
气体激光器
工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域 工农业生 产、国防、 科研、医 学等
红宝石、 Nd:YAG、 固体介质 铷玻璃、 掺钛蓝宝 石
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
液体激光器
工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域
红宝石、 结构简单： 有机化合 Nd:YAG、 闪光灯 紫外－－工业、国防、 物、无机 铷玻璃、 和激光 近红外 科研、医学 化合物 掺钛蓝宝 等 石
输出功率与放电电流的关系Hale Waihona Puke Baidu线
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
d、输出特性
② He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存 在最佳充气条件。 实验发现，氦气与氖气的分压比为7／1时是最佳分压比。而 总压强在100Pa～400Pa。
选用He气作辅助气体的原因:
Ne原子不能直接被电子碰撞(几率很小)激发到激光 上能级；
能量转换效 空间周 毫米－微 率高、波长 相对论电 自由电子 期磁场 米波段 连续可调： 或电磁 子束 激光器 生物、医疗、 （可调谐） 场 核能等
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
X射线激光器 工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域
等离子体
X射线
1－10nm 生物医学领 光泵浦 波段 域等
外腔式 优点：可以方便的在腔内插入其他光学元件， 获得调频、调幅输出 缺点：腔镜与放电管的相对位置容易改变，使 用中需经常加以调整。 半腔式 优缺点：介于内、外腔式之间
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
b、工作原理 激光器的工作气体是He和 Ne，其中产生激光跃迁的是Ne 气。He是辅助气体，用以提高 Ne原子的泵浦速率。 He原子有两个电子，没激 发时这两个原子都分布在1S0壳 层上，He原子处于基态。当He 原子受激时，使其中一个电子 从1S激发到2S，He原子成为激 发态。 He原子有两个亚稳态能 级，分别记为23S1、21S0。
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
b、激发过程 根据能量跃迁选择定则，Ne原 子可以产生很多条谱线，其中最 强的谱线有三条，即0.6328um、 3.39um和1.15um，对应跃迁能级 分别为3S2→2P4,3S2→3P4和 2S2→2P4。2P和3P态，不能直接 向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。 lS态向基态的跃迁是被选择定则禁 止的，不能自发地回到基态，但 它与管壁碰撞时，可把能量交给 管壁，自己回到基态。这就是为 什么He—Ne激光器中要有一根内 径较细的放电管的原因。
3．阴极溅射 阴极在正离子轰击下会产生阴极溅射，溅射出来的金属材料会吸 收工作气体，导致管内工作气压降低。同时溅射物质还会污染谐振 腔反射镜或布儒斯特窗片。为了减少溅射，要选用不易溅射的金属 做电极，并避免表面放电电流密度超过溅射阈值。为防止溅射物吸 收造成的工作气压降低，在充气时可略高于最佳总气压。
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
a、基本结构
优点：方便、腔内损耗小，利于提高输出功率
缺点：工作中毛细管受热变形时，谐振腔反射 镜将偏离原来校准状态，引起输出特性 改变
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
a、基本结构
He-Ne激光器的基本结构形式
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
器件结构简 单、造价低 He为辅助 632.8nm、 可见光到 廉：准直、 气体、Ne 1.15m、 高压直 近红外区 精密计量、 为工作物 3.39 m、 流电源 域 信息处理、 质 1.52 m等 医疗、印刷 等
§5.2 气体激光器
He-Ne激光器
a、基本结构－（激光管＋电源）
§5.2 气体激光器
气体放电激 原子、 真空紫外 气体、金 励、电子束、 分子、 －－远红 热激励和化 属蒸汽 离子 外 学反应激励
§5.1 概述
激光器的分类及其主要输出特性
固体激光器
工作物质 分类 激励源 输出波段 应用领域 输出能量大： 闪光灯 和半导 可见光－工业、国防、 体激光 －红外 科研、医学 二极管 等