氦氖激光器ppt課件

.,氦氖氣體激光器,.,基本內(nèi)容回顧：激光器的基本結構激光器的基本知識氦氖激光器的工作原理介紹,.,回顧：激光器的基本結構,所有激光器的基本組成都包括三大部分：,工作物質：激光器的核心氦氖激光器的HeNe氣Nd+3：YAG激光器中的Nd+3,諧振腔：形成激光振蕩的必要條件，還對光束質量起著約束作用平平腔平凹腔穩(wěn)定腔非穩(wěn)腔,泵浦系統(tǒng)：為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉提供外界能量電激勵光激勵熱激勵化學能激勵核能激勵,.,一氣體激光器的基本知識,氣體激光器的優(yōu)點：1.工作物質均勻性好，輸出激光光束質量好2.譜線寬，從遠紅外到紫外3.輸出功率大，轉換效率高（電光轉換）4.結構簡單，成本低,1.1氣體放電基本原理氣體放電粒子種類：1）中性粒子CO2,HeNe2）帶電粒子Ar+3）激發(fā)粒子A碰撞規(guī)律：彈性碰撞非彈性碰撞,.,1.2激發(fā)與電離e+Ae+A（原子激發(fā)）,高速電子,基態(tài)原子,低速電子,激發(fā)態(tài)原子,e+Ae+A+e（原子電離）電子能量激發(fā)能（電離能）,1.3共振能量轉移A*+BA+B*+/-e,亞穩(wěn)態(tài)原子,基態(tài)原子,.,1.4氣體放電的方式圖：,圖中：D點以前，非自持放電（D點為氣體放電的著火點）DE段：輝光放電過渡區(qū)EF段：正常輝光放電區(qū)FG段：反常輝光放電區(qū)GH段：弧光放電過渡區(qū)（G點為弧光著火電壓點）H點以后：穩(wěn)定弧光放電區(qū),.,2.1氦氖激光器的結構工作物質：He-Ne氣體（He為輔助氣體），氣壓比為5：17：1諧振腔：一般用平凹腔，平面鏡為輸出鏡，透過率約12，凹面鏡為全反射鏡泵浦系統(tǒng)：一般采用放電激勵激光管結構：按諧振腔與放電管的放置方式分為內(nèi)腔式外腔式半內(nèi)腔式按陰極及貯氣室的位置不同分為同軸式旁軸式單細管式,二氦氖激光器,.,2.2HeNe激光器的特點典型譜線：632.8nm1.15m3.39m其他譜線：612nm594nm543nm優(yōu)點：1.光束質量好1mrad2.單色質量好，帶寬22Hz3.穩(wěn)定性高功率穩(wěn)定（2）頻率穩(wěn)定（510-15）4.在可見光區(qū),.,HeNe激光器實例,電源和激光管封裝在一起,普通氦氖激光器,.,2.3HeNe激光器的工作能級典型的四能級系統(tǒng)圖：,.,共振轉移：He原子的21S0和23S1態(tài)分別與Ne原子的3S2S態(tài)靠得很近He+eHe（21S0）+eHe+eHe（23S1）+eHe（21S0）+NeHe+Ne（3S2)+0.048evHe（23S1）+NeHe+Ne（2S2)+0.039ev,電子碰撞激發(fā)：（與共振轉移相比，此過程的激發(fā)速率要小得多）e+Nee+Ne（2S)e+Nee+Ne（3S),串級躍遷：Ne與電子碰撞被激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，此過程貢獻最小,復合激發(fā)：先形成分子離子，再與電子碰撞獲得激發(fā)態(tài)Ne分子,.,2.4HeNe激光器的最佳放電條件2.4.1求粒子反轉數(shù)nn3-n2Ne（3S2）能級上粒子數(shù)密度n3,2.4.1,穩(wěn)態(tài)時，dn3/dt0，由上式有,同理，He（21S0）能級上的粒子數(shù)密度n4的速率方程為：,穩(wěn)態(tài)后，dn4/dt0，由2.4.3可得,2.4.2,2.4.3,2.4.4,n0：He基態(tài)（11S0）上的粒子數(shù)密度n1：Ne基態(tài)（11S0）上的粒子數(shù)密度n2：Ne（2P4）能級上的粒子數(shù)密度n3：Ne（3S2）能級上的粒子數(shù)密度n4：He（21S0）能級上的粒子數(shù)密度K:轉移速率常數(shù)Ne（3S2）的粒子數(shù)馳豫到其他能級的馳豫時間ne：電子密度S04：He基態(tài)（11S0）到He（21S0）的電子激發(fā)速率常數(shù)A：衰減幾率S4:消激發(fā)速率常數(shù)S02：電子激發(fā)速率常數(shù)A：自發(fā)輻射幾率,.,將2.4.4式代入2.4.2式，有,同樣，Ne的2P4能級的粒子密度n2的速率方程為,穩(wěn)態(tài)后，dn2/dt0，得,因自發(fā)輻射幾率A很大，故上式可變?yōu)椋?2.4.5,2.4.6,2.4.7,2.4.8,根據(jù)2.4.5和2.4.8兩式，就可以分析粒子反轉數(shù)n與放電條件的關系,.,2.4.2n與放電電流的關系在充氣壓和充氣比例一定的情況下，電子密度與放電電流i成正比，neKi，K為比例系數(shù)；而n0n1A等均與放電電流無關，因此2.4.5和2.4.8式可表示為：,其中,粒子數(shù)密度與放電電流的關系圖,.,2.4.3n與HeNe氣壓的關系n2通常比n3小得多，因此反轉粒子數(shù)主要取決于n3當HeNe氣壓比一定時：總氣壓較低，n0和n1減少，n3隨之減小總氣壓很高時，n0n1可增加，但電子與原子碰撞次數(shù)增加，電子的動能減小，電子溫度降低，S04降低，導致n3下降可見，存在一最佳總氣壓，使反轉粒子數(shù)最高當總氣壓一定時：Ne氣含量過少，n1減少，使n3減少Ne含量過多，因Ne比He易電離而導致電子能量和溫度降低，使S04和n3減小可見，He和Ne的氣壓比也存在最佳值,.,2.5He-Ne激光器的輸出功率1.1He-Ne激光器的增益系數(shù)He-Ne激光器屬于以非均勻加寬為主但又不能忽略均勻加寬影響的綜合加寬線型，按照綜合加寬的情況計算其輸出功率。Ne原子在到+d范圍內(nèi)的小信號反轉粒子密度按多普勒非均勻展寬公式為式中為原子的總反轉粒子密度，為Ne原子輻射的中心頻率，為非均勻展寬線型函數(shù)，表示式為為多普勒線寬，T為絕對溫度，M為原子量，為中心頻率。,.,這部分粒子發(fā)射中心頻率為，線寬為的均勻加寬譜線。若有頻率為，強度為的強光入射，則這部分粒子對增益的貢獻為B21為受激輻射系數(shù)，c為光速，h為普朗克常數(shù)?？傇鲆鏋槿苛Ｗ訉︻l率的光的增益貢獻之和，將上式積分整理后得到,.,用復變誤差函數(shù)定義表示，綜合加寬大信號增益系數(shù)表示為,.,1.2輸出功率公式1.2.1單模激光器的輸出功率激光穩(wěn)定后，其飽和增益系數(shù)應等于總損耗系數(shù)，即a為除反射鏡損耗外其他的總損耗系數(shù)，；l為放電管長度，R1R2為兩反射鏡的反射率。一般情況下，He-Ne激光器的一端為全反射，另一端為部分反射，設透過率為T，忽略反射鏡的吸收和散射損耗時，R21-T。由于He-Ne激光器的T和a都很小，故有,.,ac是除透射損耗外，光在諧振腔內(nèi)往返一次的總損耗百分數(shù)。He-Ne激光器中，包括以下?lián)p耗：1諧振腔反射鏡的吸收和散射損耗2全發(fā)射鏡的透射損耗3腔內(nèi)光學元件（入布儒斯特窗片）帶來的附加損耗4光通過毛細管后的衍射損耗5諧振腔調整得不好造成的損耗做近似代換后得到將此式帶入到上節(jié)的增益系數(shù)公式，就可以在ac和T已知的情況下求出。于是輸出功率也就確定了。,.,由于該式不容易求解，因此引入圖解法，引入激發(fā)參量。由能圖解法計算出，再根據(jù)下式計算出輸出功率PA為光束的有效橫截面積。一般情況下，激光束受諧振腔內(nèi)振蕩光束模體積的限制，不能充滿整個放電毛細管。對激光又貢獻的只是模體積內(nèi)的那部分氣體原子。因此A應為毛細管的截面積乘以一個系數(shù)。：工作在中心頻率處沿著激光輸出方向傳播的光,.,1.3提高0.6328m輸出功率的一些方法從上節(jié)推導的輸出功率公式看，影響He-He激光器輸出功率的因素很多，主要的方面如下：1增加毛細管長度l可使輸出功率增加。但l過長，諧振腔易變形，影響功率輸出。毛細管內(nèi)徑小，有利于提高Gm，但太小時Gm反而降低，這是因為在長度固定時，內(nèi)徑小則總粒子數(shù)少，而且諧振腔容易失調。2選擇最佳放電條件。輸出功率隨著增益系數(shù)Gm增大而提高，而Gm有最佳放電條件，所以必須選擇最佳放電條件以得到盡量大的Gm。3減小腔內(nèi)損耗。減小腔內(nèi)損耗ac對增加輸出功率非常有意義，因為He-He激光器的增益比較低，輸出鏡的透過率T比較小，損耗的影響非常明顯。為減小損耗，要選用損耗小，易于調整的雙凹腔或者平凹穩(wěn)定腔，并合理設計諧振腔長，凹面鏡曲率半徑和毛細管內(nèi)徑。4抑制3.39m的輻射，0.6328m和3.39m兩條激光譜線有共同的激光上能級，而后者增益系數(shù)比較高，如果不進行抑制，3.39m的輻射將在腔內(nèi)振蕩中消耗大量的激發(fā)態(tài)原子。抑制3.39m輻射的辦法有加色散棱鏡，使3.39m的光無法起振腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，甲烷對3.39m的光有吸收作用外加非均勻磁場幾種方法一般同時使用才能起到有效的抑制作用5使用氦的同位素氦3。通常充入的氦氣為氦4，用氦3輸出功率可提高25。因為氦3比氦4輕，運動速度比氦4大，與氖原子叫喚能量的速率加大，同時更有利于共振轉移。但是由于其價格太高，一般不輕易使用此方法。6選取最佳透過率。一般用實驗的方法選取最佳透過率。不過對最佳透過率的精確度不必做過高的要求。,.,1.4輸出功率的穩(wěn)定性He-He激光器在工作過程中，輸出功率會隨時間做周期性的或隨即的波動。波動頻率1Hz以下的為功率漂移波動頻率1Hz以上的為噪聲產(chǎn)生噪聲的原因有：自發(fā)輻射的隨即性振蕩模的不穩(wěn)定性諧振腔的振動激光電源的變化放電噪聲等造成漂移的原因有：1放電電流波動造成輸出功率的波動；2諧振腔光軸與毛細管軸線相對位置發(fā)生變化引起功率波動；3縱模的變化引起輸出功率的波動。在只有少數(shù)幾個縱模振蕩的短腔激光器中，溫度的變化或其他原因導致腔長發(fā)生了變化，諧振腔的縱模也要發(fā)生改變，將造成增益曲線的燒孔面積變化，從而引起輸出功率的波動。,.,減小功率漂移的措施：一根據(jù)產(chǎn)生漂移的原因，在器件結構和工藝上采取改進措施；盡量提高器件的凈增益；減小熱變形，采用熱脹系數(shù)小的材料做放電管；抑制3.39m的振蕩或采取穩(wěn)頻措施，減小縱模變化的影響；盡量減小放電管的應力，應力越大，熱變形越大。二外部控制的辦法減小功率漂移；主動控制法：利用輸出功率的變化取控制激光器本身產(chǎn)生激光。如將輸出功率的變化與給定的基準比較，其差值放大后去控制激光管的放電電流或控制激光管周圍的非均勻磁場強度。被動控制法：在激光輸出的光路中放入可控衰減器，取用部分激光功率產(chǎn)生控制信號去控制衰減器。當激光器出去功率大于穩(wěn)定功率時，衰減器程度加大，通過衰減器后的激光功率相應減小。反之亦然，從而達到穩(wěn)定功率的目的。,.,2.6He-He激光器的頻率特性及穩(wěn)頻2.6.1He-He激光器的頻率特性在適當?shù)姆烹姉l件下，He-He激光器已經(jīng)獲得了100多條譜線。其中最主要的是0.6328m和3.39m兩條。一般的He-He激光器都是多縱模振蕩，為了提高相干性，應盡量降低激光振蕩的線寬，最好是單縱模振蕩。方法有：1縮短腔長，增大縱模間隔，使得只有一個縱模超過閾值而振蕩。但腔長短，單程增益小，輸出功率低。2選模技術，如在腔內(nèi)放置F-P標準具，使標準具只允許一個縱模振蕩。頻率的穩(wěn)定性：一頻率的穩(wěn)定度：一連續(xù)點燃工作時間內(nèi)，頻率變化量與平均頻率之比。分短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度二頻率的再現(xiàn)性：不同時間不同地點或不同環(huán)境下，激光頻率的再現(xiàn)程度,.,2.6.2穩(wěn)頻的方法1.蘭姆凹陷法穩(wěn)頻把激光振動頻率穩(wěn)定在蘭姆凹陷的中心頻率v0上。在諧振腔上加一壓電陶瓷，振蕩器輸出的頻率為f的音頻電壓信號Vc加到壓電陶瓷上，壓電陶瓷就在Vc的作用下以同樣的頻率伸縮，諧振腔的長度也以同樣的頻率變化。頻率在v0附近時，IV0成單向脈動變化，其變化頻率為2f。若選頻放大器的中心頻率放在f上，則產(chǎn)生的2f電壓信號不能被放大，輸出為零，壓電陶瓷不變，腔長維持不變，振蕩頻率維持不變。當頻率移動到了偏離的位置，輸出功率的變化頻率隨之成為f，其產(chǎn)生的光電信號經(jīng)過選頻放大后，由相敏檢波器輸出負極性直流電壓，使壓電陶瓷伸長，帶動諧振腔變短，使振蕩頻率恢復到V0。此方法穩(wěn)頻可達10-910-10穩(wěn)定度，頻率再現(xiàn)性可達10-7,.,2.飽和吸收法穩(wěn)頻用一外腔管內(nèi)放置吸收管，吸收管內(nèi)充的氣體在激光振蕩頻率處有一強的銳吸收峰。這種低氣壓氣體的吸收峰所對應的頻率是十分穩(wěn)定的，所以穩(wěn)頻精度高。對于主要由非均勻展寬的譜線來說，只有那些沿激光管軸方向速度為零（Vz0）的原子吸收頻率為v0的光子；而對于不在中心頻率v0的某一頻率V來說，則有的兩群原子吸收頻率為v的光子。所以在v0處吸收小而容易達到飽和，出現(xiàn)了吸收下陷。,.,3賽曼穩(wěn)頻橫向賽曼穩(wěn)頻和縱向賽曼穩(wěn)頻（1）橫向賽曼穩(wěn)頻當垂直于He-Ne放電管軸線外加磁場時，中心頻率為的激光譜線就會分裂成頻率為三條偏振譜線，分為振動方向平行于磁場和垂直于磁場兩個方向。由于頻率牽引作用，兩偏振線分別向各自的中心頻率偏移，產(chǎn)生頻差fb。v不同，產(chǎn)生的頻差也不同。v與fb的關系呈S形或倒S形。如果把工作點選在S曲線的線性段ac間，即以該點f值（對于縱模頻率v）為基準，凡偏離f時都自動調整諧振腔長度，使回到f，則可達到穩(wěn)頻的目的。,.,橫向賽曼效應穩(wěn)頻的裝置方塊圖：,450檢偏器,光電接收,放大,fbv轉換,伺服系統(tǒng),壓電陶瓷PZT,.,（2）縱向賽曼穩(wěn)頻沿He-Ne激光放電管軸向加磁場，則引起縱向賽曼效應，即加上縱向磁場后，原中心頻率為的0.6328m譜線會分裂成兩條譜線，一條是左旋圓偏振光，一條是右旋圓偏振光。若有頻率為的單縱模起振，加縱向磁場后產(chǎn)生IL和IR兩圓偏振光。由于頻率牽引作用，左旋圓偏振光IL的頻率要于v，右旋圓偏振光的頻率低于v，于是產(chǎn)生頻率差f。f的大小與v有關，與磁場強度和諧振腔品質因素有關。按照橫向賽曼穩(wěn)頻的原理，可以用頻差f作為失調量進行穩(wěn)頻。由于產(chǎn)生頻率差，兩圓偏振光的功率也發(fā)生變化。不同v處，光強差IL-IR也不同，因此以為穩(wěn)定工作點，利用與光強差的關系也可以進行縱向賽曼穩(wěn)頻。,.,利用拍頻原理進行縱向賽曼穩(wěn)頻的裝置原理圖：,1/4波片,450檢偏器,前置放大器,f檢偏器,fv變換器,差分放大器,壓電陶瓷,.,2.7He-Ne激光器的其他輸出