氦－氖氣體激光器PPT

1、氦氖氣體激光器 基本內(nèi)容 回顧：激光器的基本結(jié)構(gòu) 1激光器的基本知識(shí) 2氦氖激光器的工作原理介紹 回顧：激光器的基本結(jié)構(gòu) 所有激光器的基本組成都包括三大部分： 一 氣體激光器的基本知識(shí) 氣體激光器的優(yōu)點(diǎn)： 1. 工作物質(zhì)均勻性好，輸出激光光束質(zhì)量好 2. 譜線寬，從遠(yuǎn)紅外到紫外 3. 輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高（電光轉(zhuǎn)換） 4. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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, HeNe 2）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 + A e + 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

2、e + A e + A+ + e （原子電離） 電子能量 激發(fā)能（電離能） 1.3 共振能量轉(zhuǎn)移 A* + B A + 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(diǎn)以前，非自持放電 （D點(diǎn)為氣體放電的著火點(diǎn)） DE段： 輝光放電過(guò)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(guò)渡區(qū) （G點(diǎn)為弧光著火電壓點(diǎn)） H點(diǎn)以后： 穩(wěn)定弧光放電區(qū) 2.1氦氖激光器的結(jié)構(gòu) 工作物質(zhì)： 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(guò)率約12，凹面鏡 為全反射鏡 泵浦系統(tǒng)： 一般采用放電激勵(lì) 激

3、光管結(jié)構(gòu)： 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(xì)管式 2.2 HeNe激光器的特點(diǎn) 典型譜線： 632.8nm 1.15m 3.39m 其他譜線： 612nm 594nm 543nm 優(yōu)點(diǎn)：1. 光束質(zhì)量好 1mrad 2.單色質(zhì)量好，帶寬22Hz 3.穩(wěn)定性高 功率穩(wěn)定（ 2） 頻率穩(wěn)定（ 510-15） 4.在可見(jiàn)光區(qū) HeNe激光器實(shí)例 電源和激光管封裝在一起普通氦氖激光器 2.3 HeNe激光器的工作能級(jí) 典型的四能級(jí)系統(tǒng) 圖： 共振轉(zhuǎn)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 +

4、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 電子碰撞激發(fā)：（與共振轉(zhuǎn)移相比，此過(guò)程的激發(fā)速 率要小得多） e + Ne e + Ne（2S) e + Ne e + Ne（3S) 串級(jí)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(guò)程貢獻(xiàn)最小 復(fù)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 2.4 HeNe激光器的最佳放電條件 2.4.1 求粒子反轉(zhuǎn)數(shù)nn3-n2 Ne（3S2）能級(jí)上粒子數(shù)密度n3 3 3

5、 3041 3 n nKnnKn dt dn 2.4.1 穩(wěn)態(tài)時(shí)，dn3/dt0，由上式有 30 41 3 /1 Kn nKn n 同理，He（21S0）能級(jí)上的粒子數(shù)密度n4的 速率方程為： )( 444040 4 AnSnnSnn dt dn ee 穩(wěn)態(tài)后，dn4/dt0，由2.4.3可得 )/( 40404 ASnSnnn ee 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(jí)上的粒子數(shù)密度 n3：Ne（3S2）能級(jí)上的粒子數(shù)密度 n4：He（21S0）能級(jí)上的粒子數(shù)密度 K: 轉(zhuǎn)移速率常數(shù)

6、Ne（3S2）的粒子數(shù)馳豫到其他能 級(jí)的馳豫時(shí)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 3 將2.4.4式代入2.4.2式，有 )(/1( 430 0401 3 ASnKn SnnKn n e e 同樣，Ne的2P4能級(jí)的粒子密度n2的速率方程為 AnSnnSnn dt dn ee222021 2 穩(wěn)態(tài)后，dn2/dt0，得 )/( 20212 ASnSnnn ee 因自發(fā)輻射幾率A很大，故上式可變?yōu)椋?ASnnn e / 0212 2.4.5 2.4.6 2.

7、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(zhuǎn)數(shù)n與放電條件的關(guān)系 2.4.2 n與放電電流的關(guān)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(wú)關(guān)，因此2.4.5和2.4.8式可表示為： 3 )/( 213 AiKiKn iKn 32 其中 )/1/( 3004011 KnSnKnKK 42 SKK ASnKK/ 0213 粒子數(shù)密度與放電電流的關(guān)系圖 2.4.3 n與HeNe氣壓的關(guān)系 n2通常比n3小得多，因此反轉(zhuǎn)粒子數(shù)主要取決于n3 當(dāng)HeNe氣壓比一定時(shí)： 總氣壓較低，n0和n1減少，n3

8、隨之減小 總氣壓很高時(shí)，n0n1可增加，但電子與原子碰撞次數(shù)增加 ，電子的動(dòng)能減小，電子溫度降低，S04降低，導(dǎo)致n3下降 可見(jiàn)，存在一最佳總氣壓，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最高 當(dāng)總氣壓一定時(shí)： Ne氣含量過(guò)少，n1減少，使n3減少 Ne含量過(guò)多，因Ne比He易電離而導(dǎo)致電子能量和溫度降 低，使S04和n3減小 可見(jiàn)，He和Ne的氣壓比也存在最佳值 2.5 He-Ne激光器的輸出功率 1.1 He-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(jì)算其輸出功 率。 Ne原子在 到 +d 范圍內(nèi)的小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子密度按多普勒 非均勻展寬公式

9、為 式中 為原子的總反轉(zhuǎn)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(duì)溫度，M為原子量， 為中心頻率 。 dgndn D ),()( 0 00 0 n 0 ),( 0 D g 2ln2/ )(42/1 0 0 ) 2ln ( 2 ),( D eg D D 0 2/17 )(1016. 7 M T D D 0 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(qiáng)度為 的強(qiáng)光入射，則這部分粒子對(duì) 增益的貢獻(xiàn)為 B21為受激輻射系數(shù)，c為光速，h為普朗克常數(shù)。 總增益為全部粒子對(duì)頻率 的光的增益貢獻(xiàn)之和，將上式積 分整理后得到 dg

10、n I I c hB IdG D s H H H ),( )1 () 2 ()( ) 2 ( 2 ),( 00 2 2 021 H I dx x e I I G IGdIG x s i 22 0 0 )( 1 1 )( ),(),( 2 D x )(2ln2 0 D )(2ln2 0 D Hs II )/(12ln 00210 2ln2 )0(n c hB G D i 用復(fù)變誤差函數(shù)定義 表示，綜合加寬大信號(hào)增益系數(shù) 表示為 )(iW )( 1 )( ),( 0 0 iW I I G IG R s i 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(yīng)等于總損

11、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(zhǎng)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(shè)透過(guò)率為T，忽略反射鏡的吸收和散射損耗時(shí) ，R21-T。由于He-Ne激光器的T和a都很小，故有 )ln( 2 1 ),( 21R R l aIG TTRR)1ln()ln( 21 alea al c 21 2 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?jǐn)?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(xué)元件（入布儒斯特窗片）帶來(lái)的附加損耗 4光通過(guò)毛細(xì)管后的衍射損耗

12、5諧振腔調(diào)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。 TalIG c ),(2 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(jì)算出 ，再根據(jù)下式計(jì)算出輸出功率P A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(gè)放電毛細(xì)管。 對(duì)激光又貢獻(xiàn)的只是模體積內(nèi)的那部分氣體原子。因此 A應(yīng)為毛細(xì)管的截面積乘以一個(gè)系數(shù)。 ：工作在中心頻率處沿著激光輸出方向傳播的光 0 ATIP 0 I TalG cm /2 0 I 1.3 提高0.6328m輸出功率的一些方法

13、 從上節(jié)推導(dǎo)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(xì)管長(zhǎng)度l可使輸出功率增加。但l過(guò)長(zhǎng)，諧振腔易變形，影響功率 輸出。毛細(xì)管內(nèi)徑小，有利于提高Gm，但太小時(shí)Gm反而降低，這是因?yàn)?在長(zhǎng)度固定時(shí)，內(nèi)徑小則總粒子數(shù)少，而且諧振腔容易失調(diào)。 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(duì)增加輸出功率非常有意義，因?yàn)镠e-He激 光器的增益比較低，輸出鏡的透過(guò)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(diào)整的雙凹腔或者平凹

14、穩(wěn)定腔，并合理設(shè) 計(jì)諧振腔長(zhǎng)，凹面鏡曲率半徑和毛細(xì)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(jí)，而后者增益系數(shù)比較高，如果不進(jìn)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(wú)法起振 腔內(nèi)放置甲烷吸收盒，甲烷對(duì)3.39m的光有吸收作用 外加非均勻磁場(chǎng) 幾種方法一般同時(shí)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?yàn)楹?比氦4輕，運(yùn)動(dòng)速度比氦4大，與氖原子叫喚能量的 速率加大，同時(shí)更有利于共振轉(zhuǎn)移。但是由于其價(jià)格太高，一般不

15、輕易使 用此方法。 6選取最佳透過(guò)率。一般用實(shí)驗(yàn)的方法選取最佳透過(guò)率。不過(guò)對(duì)最佳透過(guò)率的 精確度不必做過(guò)高的要求。 1.4 輸出功率的穩(wěn)定性 He-He激光器在工作過(guò)程中，輸出功率會(huì)隨時(shí)間做周期性的或 隨即的波動(dòng)。 波動(dòng)頻率1Hz以下的為功率漂移 波動(dòng)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(dòng) 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(dòng)造成輸出功率的波動(dòng)； 2諧振腔光軸與毛細(xì)管軸線相對(duì)位置發(fā)生變化引起功率波動(dòng) ； 3縱模的變化引起輸出功率的波動(dòng)。在只有少數(shù)幾個(gè)縱模振蕩 的短腔激光器中，溫度的變化或其他原因?qū)е虑婚L(zhǎng)發(fā)生了 變化

16、，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(dòng)。 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(jié)構(gòu)和工藝上采取改進(jìn)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(yīng)力，應(yīng)力越大， 熱變形越大。 二 外部控制的辦法減小功率漂移； 主動(dòng)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(zhǔn)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(chǎng)強(qiáng)度。 被動(dòng)控制法：在激光輸出的光路中放入可控衰減器，取 用部分激

17、光功率產(chǎn)生控制信號(hào)去控制衰減器。當(dāng)激光器出 去功率大于穩(wěn)定功率時(shí)，衰減器程度加大，通過(guò)衰減器后 的激光功率相應(yīng)減小。反之亦然，從而達(dá)到穩(wěn)定功率的目 的。 2.6 He-He激光器的頻率特性及穩(wěn)頻 2.6.1 He-He激光器的頻率特性 在適當(dāng)?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(yīng)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(zhǎng)，增大縱模間隔，使得只有一個(gè)縱模超過(guò)閾值 而振蕩。但腔長(zhǎng)短，單程增益小，輸出功率低。 2 選模技術(shù)，如在腔內(nèi)放置F-P標(biāo)準(zhǔn)具，使

18、標(biāo)準(zhǔn)具只允許 一個(gè)縱模振蕩。 頻率的穩(wěn)定性： 一 頻率的穩(wěn)定度： 一連續(xù)點(diǎn)燃工作時(shí)間內(nèi)，頻率變化量與平均頻率之比。分 短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度 二 頻率的再現(xiàn)性： 不同時(shí)間不同地點(diǎn)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(dòng)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(hào)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(zhǎng)度也以同樣的頻率變化。 頻率在v0附近時(shí)，IV0成單向脈動(dòng)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(hào)不能 被放大，輸出為零，

19、壓電陶瓷不變，腔長(zhǎng)維持不變，振蕩 頻率維持不變。 當(dāng)頻率移動(dòng)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(hào)經(jīng)過(guò)選頻放大后，由相敏檢波器輸出 負(fù)極性直流電壓，使壓電陶瓷伸長(zhǎng)，帶動(dòng)諧振腔變短，使 振蕩頻率恢復(fù)到V0。 此方法穩(wěn)頻可達(dá)10-910-10穩(wěn)定度，頻率再現(xiàn)性可達(dá)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(qiáng)的銳吸收峰。這種低氣壓氣體的吸收峰所 對(duì)應(yīng)的頻率是十分穩(wěn)定的，所以穩(wěn)頻精度高。 對(duì)于主要由非均勻展寬的譜線來(lái)說(shuō)，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(duì)于不在中心頻率v0的某一頻率V

20、來(lái)說(shuō)，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(dá)到飽和，出現(xiàn)了吸收下陷。 CVZ)( 0 0 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(dāng)垂直于He-Ne放電管軸線外加磁場(chǎng)時(shí)，中心頻率 為的激光譜線就會(huì)分裂成頻率為三條偏振譜線，分為振 動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)和垂直于磁場(chǎng)兩個(gè)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(guān)系呈S形或 倒S形。 如果把工作點(diǎn)選在S曲線的線性段ac間，即以該點(diǎn)f值 （對(duì)于縱模頻率v）為基準(zhǔn)，凡偏離f時(shí)都自動(dòng)調(diào)整諧振 腔長(zhǎng)度，使回到f，則可達(dá)到穩(wěn)頻的目的。 a c f

21、 b v 橫向賽曼效應(yīng)穩(wěn)頻的裝置方塊圖： 450檢偏器光電接收放大fbv轉(zhuǎn)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(chǎng)，則引起縱向賽曼效應(yīng)，即 加上縱向磁場(chǎng)后，原中心頻率為的0.6328m譜線會(huì)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(chǎng)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(guān) ，與磁場(chǎng)強(qiáng)度和諧振腔品質(zhì)因素有關(guān)。按照橫向賽曼穩(wěn)頻的原 理，可以用頻差f作為失調(diào)量進(jìn)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(qiáng)差I(lǐng)L-IR也不同， 因此以為穩(wěn)定工作點(diǎn)，利用與光強(qiáng)差的關(guān)系也可以進(jìn)行縱向賽 曼穩(wěn)頻。 利用拍頻原理進(jìn)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 2.7