單模非均勻加寬He氖激光器

⑩相比式12多了一個(gè)1/2因子，由此可見(jiàn)時(shí)輸出功率下降。圖8為單模輸出功率P和單模頻率的關(guān)系曲線。在處，曲線有一凹陷，成為蘭姆凹陷?？衫脠D8定性解釋蘭姆凹陷的成因。圖8當(dāng)時(shí)，，輸出功率p=0.當(dāng)時(shí)，激光振蕩器將在增益曲線上的及=2—處造成兩個(gè)凹陷，也就是說(shuō)，速度及速度的兩部分粒子對(duì)頻率的激光有貢獻(xiàn)。激光功率正比于這兩個(gè)凹陷面積之和。當(dāng)頻率接近，且時(shí)兩個(gè)燒孔部分重疊，燒孔面積的和小于時(shí)兩個(gè)燒孔面積的和，因此。當(dāng)時(shí)，兩個(gè)燒孔完全重合，此時(shí)只有=0附近的原子對(duì)激光有貢獻(xiàn)。雖然它對(duì)應(yīng)著最大的小信號(hào)增益，但由于對(duì)激光做貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)減少了，即燒孔面積減少了，所遇輸出功率下降到某一極小值，關(guān)系曲線于出出現(xiàn)蘭姆凹陷。由于兩個(gè)燒孔在時(shí)開始重疊，所以蘭姆凹陷的寬度大致等于燒孔的寬度，即激光管的氣壓增高時(shí)，碰撞線寬增加，蘭姆凹陷變寬、便簽。當(dāng)妻壓高到一定程度，譜線加寬以均勻加寬為主時(shí)，拉姆凹陷消失。圖10為不同氣壓下輸出功率P隨的變化曲線，圖中。運(yùn)用半經(jīng)典理論，可以得出蘭姆凹陷的定量關(guān)系。凹陷的深度和激發(fā)參量成正比，當(dāng)小時(shí)蘭姆凹陷變淺，當(dāng)很小時(shí)，蘭姆凹陷消失。三、He--Ne激光器He--Ne激光器是最早研制成功的氣體激光器。在可見(jiàn)及紅外波段可產(chǎn)生多條激光譜線，其中最強(qiáng)的是632.8nm、1.15μm和3.39μm三條譜線。放電管長(zhǎng)數(shù)十厘米的He--Ne激光器輸出功率為毫瓦量級(jí)，放電管長(zhǎng)（1~2）m的激光器輸出功率科大數(shù)十瓦。由于它能輸出幼稚的可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可見(jiàn)光，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、價(jià)格低廉等有點(diǎn)，在準(zhǔn)直、定位、全系照相、測(cè)量、精密計(jì)量、光盤刻錄等方方面得到了廣泛的應(yīng)用。1、激勵(lì)機(jī)制圖11是內(nèi)腔式He--Ne激光器示意圖。陰極和陽(yáng)極通過(guò)充有氦氖混合氣的毛細(xì)管使Ne原子的某一或幾對(duì)能級(jí)形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)。雖然混合氣體中的He的含量數(shù)倍于Ne，但激光月前只發(fā)生與Ne原子的能級(jí)之間，輔助氣體He的作用是提高泵浦效率。圖11圖12是Ne原子和He原子能級(jí)示意圖。632.8nm、1.15μm以及3.39μm激光譜線分別對(duì)應(yīng)Ne的、、的躍遷。下面以632.8nm激光威力說(shuō)明其激勵(lì)機(jī)制。圖12在一定的放電條件下，陰極發(fā)射的電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)并被電場(chǎng)加速，加快電子與基態(tài)He原子發(fā)生碰撞時(shí)將He原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)而自身減速。是亞穩(wěn)態(tài)，因而科技局大量的He原子。當(dāng)激發(fā)態(tài)He原子和基態(tài)Ne原子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)將Ne原子激發(fā)到能級(jí)。這一過(guò)程乘坐共振能量轉(zhuǎn)移，可表示為共振能量轉(zhuǎn)移碰撞界面隨時(shí)對(duì)應(yīng)激發(fā)態(tài)能量的減少二級(jí)局增加。由于He原子的和Ne原子的能級(jí)非常接近，因而具有很大的共振能量轉(zhuǎn)移截面。而激光躍遷的下能級(jí)上的Ne原子僅僅來(lái)源于電子碰撞激發(fā)和高能級(jí)的串級(jí)激發(fā)，其壽命又比上能級(jí)的壽命低一個(gè)能級(jí)，所以在Ne原子的和能級(jí)間很容易建立起句句數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn)。2.譜線競(jìng)爭(zhēng)He--Ne激光器的三條最強(qiáng)的激光譜線（632.8nm、1.15μm、3.39μm）中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)模反射鏡的波長(zhǎng)選擇。有圖12可知，632.8nm和3.39μm兩條激光譜線具有相同的上能級(jí)，因此這兩條譜線之間存在著強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)。由于增益系數(shù)與波長(zhǎng)的三次方成正比，顯然3.39μm譜線的增益系數(shù)遠(yuǎn)大于632.8nm譜線。在較長(zhǎng)的632.8nmHe--Ne激光器中，雖然介質(zhì)模發(fā)射井對(duì)632.8nm波長(zhǎng)的光具有較高的反射率，仍然會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的3.39μm波長(zhǎng)的放大的自發(fā)輻射或激光，浙江使上能級(jí)集居數(shù)減少，從而導(dǎo)致632.8nm激光功率的下降。為了獲得較強(qiáng)的632.8nm激光輸出，可采用一下方法抑制3.39μm輻射產(chǎn)生：借助腔內(nèi)棱鏡色散使3.39μm激光不能起振（如圖13）；腔內(nèi)插入對(duì)3.39μm波長(zhǎng)吸收的原件（如甲烷吸收盒）；借助周詳非均勻磁場(chǎng)是3.39μm譜線加寬，從而使其增益下降。3.放電參數(shù)對(duì)輸出功率的影響在He--Ne激光器中，不僅工作物質(zhì)尺寸，諧振腔耗損和輸出耦合會(huì)影響輸出功率，方大電流及氣體壓強(qiáng)等放電參數(shù)也會(huì)影響工作物質(zhì)的增益系數(shù)，從而影響輸出功率。He--Ne激光器的輸出功率并不隨著氣體的放電電流的增加而單調(diào)的上升，其間存在某個(gè)使輸出功率最大的最佳放電電流。這是因?yàn)樵诜烹姽苤校粌H存在激發(fā)過(guò)程，同時(shí)還不可避免的存在這消激發(fā)過(guò)程。Ne的激光躍遷上能級(jí)集居數(shù)密度正比于He的亞穩(wěn)態(tài)(或)集居數(shù)密度。描述變化的速率方程可近似表示為式中，J為放電電流密度；等號(hào)郵編第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于電子碰撞激發(fā)過(guò)程；第二相對(duì)應(yīng)于與管壁碰撞及共振能量轉(zhuǎn)移引起的消激發(fā)過(guò)程；第三項(xiàng)對(duì)應(yīng)于電子與亞穩(wěn)態(tài)原子碰撞使其回歸基態(tài)的消激發(fā)過(guò)程；、、為以上三種過(guò)程相應(yīng)的常數(shù)，為基態(tài)He原子密度。在穩(wěn)定情況下，由上式可得 當(dāng)放電電流較小時(shí)，正比于J。隨著放電電流的增加，及與其成正比的區(qū)域飽和。另一方面，從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光躍遷下能級(jí)的粒子密度正比與J。這是因?yàn)橄履芗?jí)粒子的激發(fā)（電子碰撞前引起的直接激發(fā)和級(jí)聯(lián)激發(fā)）速率和放電電流密度成正比，而消激勵(lì)卻主要通過(guò)的自發(fā)輻射，其速率與放電電流無(wú)關(guān)。上下能級(jí)的集居數(shù)隨著放電電流密度的變化如圖14所示。有圖可見(jiàn)，當(dāng)電流較小時(shí)，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度隨電流的增加而增加，在反轉(zhuǎn)集居數(shù)打到最大值后，缺水電流的增加而減少。圖13圖14He--Ne激光器的輸出功率與重啟壓強(qiáng)p有關(guān)。若放電毛細(xì)管的直徑為d。則存在一個(gè)使輸出功率最大的pd值。He--Ne激光器的最佳pd值約為（4.8~5.3）×pa·mm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：一方面壓強(qiáng)的下降時(shí)電子與原子的碰撞減少，從而導(dǎo)致電子溫度（平均動(dòng)能）上升，激發(fā)速率升高，毛細(xì)管管徑的減少則是電子和粒子的關(guān)閉符合家具，為了維持放電電流不變必須增加電場(chǎng)，由此造成的電子溫度升高有利于激發(fā)。另一方面。Pd值過(guò)低又會(huì)因He、Ne原子數(shù)量過(guò)少而是輸出功率減少。He、Ne氣的比例也會(huì)影響輸出功率。產(chǎn)生激光的Ne原子比例過(guò)小無(wú)疑會(huì)是輸出功率減小。另一方面，由于Ne的電離電位腳底，其比例過(guò)大會(huì)因電離過(guò)多而使電子離子數(shù)目增加，輸出功率隨之下降。在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑d成反比。通過(guò)受激輻射躍遷下能級(jí)的Ne原子借助自