《激光原理》課件：2-2

1、2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器632.8nm1.15 m3.39 m有三種波長(zhǎng)有三種波長(zhǎng)不可見(jiàn)不可見(jiàn)2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器一、一、 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) （1） M1、M2是兩個(gè)反射鏡，構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。是兩個(gè)反射鏡，構(gòu)成一個(gè)光學(xué)諧振腔。M1是是平面反射鏡，鍍七層介質(zhì)膜，屬平面反射鏡，鍍七層介質(zhì)膜，屬/4 膜系（或硫化鋅一氧化鎂，膜系（或硫化鋅一氧化鎂，或氧化鋯一氧化硅）。反射率或氧化鋯一氧化硅）。反射率R9598。M2是凹面反是凹面反射鏡，鍍射鏡，鍍17層介質(zhì)膜，反射率層介質(zhì)膜，反射率R100，也屬，也屬1/4入膜系（入膜系（

2、/4膜系中的膜系中的有三種波長(zhǎng)：有三種波長(zhǎng)：6328、1.15m、3.39m）。你希望這）。你希望這個(gè)個(gè)He-Ne激光器出什么波長(zhǎng)就鍍什么膜。激光器出什么波長(zhǎng)就鍍什么膜。激光激光2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（2）激光器（除反射鏡）激光器（除反射鏡M1、M2外的全部）是硬質(zhì)玻璃（或外的全部）是硬質(zhì)玻璃（或石英玻璃）殼，由人工吹制而成。石英玻璃）殼，由人工吹制而成。S內(nèi)充內(nèi)充He氣和氣和Ne氣，氣，He：Ne7：1，總氣壓為幾托。，總氣壓為幾托。（3）毛細(xì)管（）毛細(xì)管（A）：一根玻璃管，內(nèi)徑）：一根玻璃管，內(nèi)徑0.82mm。當(dāng)電極加。當(dāng)電極加上高壓后，毛細(xì)管中的氣體

3、開(kāi)始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒上高壓后，毛細(xì)管中的氣體開(kāi)始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。子數(shù)反轉(zhuǎn)。（4）陰極區(qū)。區(qū)內(nèi)裝有陰級(jí)）陰極區(qū)。區(qū)內(nèi)裝有陰級(jí)D，一般都用鉛做成筒狀，因?yàn)殂U，一般都用鉛做成筒狀，因?yàn)殂U的電子發(fā)射率高和濺射率小，筒狀是為了增加電子發(fā)射面積和的電子發(fā)射率高和濺射率小，筒狀是為了增加電子發(fā)射面積和減少陰極濺射（氣體發(fā)生自激放電，從陰極發(fā)射出的原子或原減少陰極濺射（氣體發(fā)生自激放電，從陰極發(fā)射出的原子或原子團(tuán)可沉積在陽(yáng)極或真空室的壁上，這種濺射稱(chēng)為陰極濺射）。子團(tuán)可沉積在陽(yáng)極或真空室的壁上，這種濺射稱(chēng)為陰極濺射）。（5）陽(yáng)極（）陽(yáng)極（C）：是一直徑為）：是一直徑為2mm的鎢桿（棍

4、）。的鎢桿（棍）。（6）高壓直流電源：能輸出幾千伏電壓，電流從）高壓直流電源：能輸出幾千伏電壓，電流從3mA10mA。這種這種He-Ne激光器具有全封閉結(jié)構(gòu)，叫內(nèi)腔式激光器。激光器具有全封閉結(jié)構(gòu)，叫內(nèi)腔式激光器。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（7）布氏窗：輸出線偏振光，垂直于紙面的光反射出腔外。）布氏窗：輸出線偏振光，垂直于紙面的光反射出腔外。 二、氦氖激光器放電通路和所需電壓和電流二、氦氖激光器放電通路和所需電壓和電流 1. 打開(kāi)高壓直流電源，電源輸出一數(shù)千伏直流高壓。打開(kāi)高壓直流電源，電源輸出一數(shù)千伏直流高壓。2. 直流高壓加在正負(fù)極上，通路是：正極直流高壓加

5、在正負(fù)極上，通路是：正極A區(qū)（毛細(xì)管）區(qū)（毛細(xì)管）C區(qū)區(qū)D負(fù)極負(fù)極R（大電阻，幾十（大電阻，幾十K）電源電源正極。正極。高壓使高壓使He-Ne氣體擊穿導(dǎo)電，電流（幾氣體擊穿導(dǎo)電，電流（幾mA）沿上述回路流）沿上述回路流動(dòng)放電氣體呈橙紅色，口頭上說(shuō)：激光器點(diǎn)著了。動(dòng)放電氣體呈橙紅色，口頭上說(shuō)：激光器點(diǎn)著了。3. 氣體擊穿前，氣體擊穿前，He-Ne激光器正負(fù)極間電壓為數(shù)千伏，氣體激光器正負(fù)極間電壓為數(shù)千伏，氣體擊穿后，大電阻擊穿后，大電阻R分去部分電壓，在長(zhǎng)管的兩極間有數(shù)百伏分去部分電壓，在長(zhǎng)管的兩極間有數(shù)百伏電壓，流過(guò)電壓，流過(guò)He-Ne激光的電流比較小，激光的電流比較小，410mA。4. 激光

6、器點(diǎn)著后，激光器點(diǎn)著后，Ne原子立即被抽運(yùn)到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)原子立即被抽運(yùn)到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并形成增益大于損耗的狀態(tài)，立即出現(xiàn)激光束。反轉(zhuǎn)并形成增益大于損耗的狀態(tài)，立即出現(xiàn)激光束。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器三、氦氖激光器三、氦氖激光器632.8nm波長(zhǎng)激光激發(fā)機(jī)理波長(zhǎng)激光激發(fā)機(jī)理Ne基態(tài)的電子組態(tài)為：基態(tài)的電子組態(tài)為：622221PSSNe原子基態(tài)能級(jí)為：原子基態(tài)能級(jí)為：01S受激時(shí)，受激時(shí)，2P殼層中的一個(gè)電子躍遷到較高能級(jí)態(tài)而形殼層中的一個(gè)電子躍遷到較高能級(jí)態(tài)而形成激發(fā)態(tài)。成激發(fā)態(tài)。Ne原子電子激發(fā)組態(tài)可以為：原子電子激發(fā)組態(tài)可以為：SPSS322

7、1522PPSS3221522SPSS4221522PPSS4221522SPSS52215222.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器習(xí)慣上習(xí)慣上Ne原子的能級(jí)用帕刑符號(hào)表示，原子的能級(jí)用帕刑符號(hào)表示，Ne原子激發(fā)組態(tài)原子激發(fā)組態(tài)與帕刑符號(hào)的關(guān)系用下圖表示：與帕刑符號(hào)的關(guān)系用下圖表示：電子組態(tài)電子組態(tài) 帕邢符號(hào)帕邢符號(hào)1S2P2S3P3S子能級(jí)子能級(jí)1S51S41S31S22P102P92P82P72P62P52P42P32P22P12S52S42S32S23P103P93P83P73P63P53P43P33P23P13S53S43S33S2SP 325PP 325SP

8、425PP 425SP 5252.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器所謂激光激發(fā)機(jī)理就是激光器和產(chǎn)生激光有關(guān)的各能級(jí)所謂激光激發(fā)機(jī)理就是激光器和產(chǎn)生激光有關(guān)的各能級(jí)的躍遷過(guò)程。的躍遷過(guò)程。632.8nm激光輸出激光輸出4223PS 3.39 激光輸出激光輸出m4233PS 1.15 激光輸出激光輸出m4222PS 未未畫(huà)畫(huà)出出2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器1、和產(chǎn)生、和產(chǎn)生632.8nm激光激光有關(guān)的有關(guān)的He和和Ne的能級(jí)結(jié)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。（1）He有二個(gè)能級(jí)參予激光過(guò)程?；鶓B(tài)有二個(gè)能級(jí)參予激光過(guò)程。基態(tài) 和亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)和亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 2 ，亞

9、穩(wěn)態(tài)能級(jí)有較長(zhǎng)的壽命。，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)有較長(zhǎng)的壽命。01S01S（2）Ne有四個(gè)能級(jí)參予有四個(gè)能級(jí)參予632.8nm的激光過(guò)程?；鶓B(tài)的激光過(guò)程。基態(tài) 。能。能級(jí)：級(jí)：1S2。能級(jí)：。能級(jí)：2P4 ，壽命是，壽命是19.1ms。能級(jí)：。能級(jí)：3S2（壽命（壽命1020ms。01S2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（7）1S態(tài)原子主要通過(guò)與管壁碰撞把能量交給管壁而回態(tài)原子主要通過(guò)與管壁碰撞把能量交給管壁而回到基態(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)為到基態(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)為“管壁效應(yīng)管壁效應(yīng)”。（6）2P4能級(jí)不能向基態(tài)躍遷（違禁的），而是通過(guò)自發(fā)輻能級(jí)不能向基態(tài)躍遷（違禁的），而是通過(guò)自發(fā)輻射躍遷到射

10、躍遷到1S2態(tài)。態(tài)。（5）Ne*原子的（原子的（3S2）向）向2P4躍遷，發(fā)出躍遷，發(fā)出632.8nm的光。的光。（4）He原子在原子在2 能級(jí)上不能通過(guò)自發(fā)輻射回到基態(tài)。但能級(jí)上不能通過(guò)自發(fā)輻射回到基態(tài)。但He*原子和基態(tài)原子和基態(tài)Ne原子發(fā)生非彈性碰撞，把能量轉(zhuǎn)移給原子發(fā)生非彈性碰撞，把能量轉(zhuǎn)移給Ne原原子，使子，使Ne原子激發(fā)到原子激發(fā)到3S2能級(jí)上。這就是所謂能量的共振轉(zhuǎn)能級(jí)上。這就是所謂能量的共振轉(zhuǎn)移。移。01S2. 激發(fā)過(guò)程激發(fā)過(guò)程（1）在熱平衡狀態(tài)下，）在熱平衡狀態(tài)下，He原子和原子和Ne原子幾乎全部原子幾乎全部在自己的基態(tài)上（也就是在自己的基態(tài)上（也就是所有原子都處于能量最低所

11、有原子都處于能量最低狀態(tài)），而其它能級(jí)基本狀態(tài)），而其它能級(jí)基本上是空的。上是空的。（3）He原子的原子的 2 是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)，能積累大量是亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)，能積累大量He原原子。激發(fā)態(tài)原子常用子。激發(fā)態(tài)原子常用He*表示。表示。01S（2）當(dāng)激光管放電時(shí)，陰極發(fā)射電子高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，電子在運(yùn)）當(dāng)激光管放電時(shí)，陰極發(fā)射電子高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，電子在運(yùn)動(dòng)中與基態(tài)動(dòng)中與基態(tài)He原子發(fā)生頻繁非彈性碰撞，電子能量轉(zhuǎn)移給原子發(fā)生頻繁非彈性碰撞，電子能量轉(zhuǎn)移給He原子，原子，使使He原子從基態(tài)激發(fā)到原子從基態(tài)激發(fā)到2 。這種碰撞可能是幾個(gè)電子輪番碰撞。這種碰撞可能是幾個(gè)電子輪番碰撞一個(gè)一個(gè)He。01S2.

12、2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器（a）He的的2 能級(jí)比能級(jí)比Ne的的3S2能級(jí)能量稍低一些能級(jí)能量稍低一些（0.0048eV），這一能量是由原子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能補(bǔ)充的。），這一能量是由原子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能補(bǔ)充的。01S（b）Ne的的3S2能級(jí)壽命不太長(zhǎng)（能級(jí)壽命不太長(zhǎng)（1020mS），但），但He*和基態(tài)和基態(tài)Ne原子碰撞幾率極大，所以原子碰撞幾率極大，所以3S2上能積累大量激發(fā)態(tài)上能積累大量激發(fā)態(tài)Ne原子。原子。說(shuō)明：說(shuō)明：四、激光產(chǎn)生的過(guò)程四、激光產(chǎn)生的過(guò)程 1. 在激光管點(diǎn)燃時(shí)，下述二過(guò)程同時(shí)發(fā)生著：在激光管點(diǎn)燃時(shí)，下述二過(guò)程同時(shí)發(fā)生著：2.2 HeNe激光器激光器第第

13、2章章 典型激光器典型激光器（1）Ne*（2S2）能級(jí)（激光上能級(jí)）粒子的積累過(guò)程：）能級(jí)（激光上能級(jí)）粒子的積累過(guò)程：共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移電子碰撞電子碰撞Ne原子從基態(tài)被高速率抽運(yùn)到激光上能級(jí)原子從基態(tài)被高速率抽運(yùn)到激光上能級(jí)3S2。01SHe101SHe2（2）Ne（2P4）能級(jí)（激光下能級(jí)）的出空過(guò)程：）能級(jí)（激光下能級(jí)）的出空過(guò)程： 2P4 1S2基態(tài) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射管壁效應(yīng)管壁效應(yīng)總之，激光上能級(jí)粒子數(shù)增大，而激光下能級(jí)是空的，所以總之，激光上能級(jí)粒子數(shù)增大，而激光下能級(jí)是空的，所以粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就建立起來(lái)了，從而在毛細(xì)管內(nèi)建立起增益區(qū)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就建立起來(lái)了，從而在毛細(xì)管內(nèi)建立起增益區(qū)。

14、2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器2. 光學(xué)諧振腔的反饋反射作用，使平行于毛細(xì)管軸線運(yùn)動(dòng)的光學(xué)諧振腔的反饋反射作用，使平行于毛細(xì)管軸線運(yùn)動(dòng)的光子反復(fù)通過(guò)毛細(xì)管多次而得到放大。光子反復(fù)通過(guò)毛細(xì)管多次而得到放大。3. 當(dāng)光在毛細(xì)管中通過(guò)時(shí)，如果所獲得增益高于光的損耗時(shí)，當(dāng)光在毛細(xì)管中通過(guò)時(shí)，如果所獲得增益高于光的損耗時(shí)，激光就產(chǎn)生了。激光就產(chǎn)生了。dlG4103光的單程損失，主要是兩片反射鏡透射率引起的。光的單程損失，主要是兩片反射鏡透射率引起的。光增益系數(shù)（單程）光增益系數(shù)（單程）:例如：當(dāng)全反鏡和輸出鏡的透過(guò)率分別為例如：當(dāng)全反鏡和輸出鏡的透過(guò)率分別為 和和 （九層介

15、質(zhì)膜）時(shí)，總損耗（單程）（九層介質(zhì)膜）時(shí)，總損耗（單程）2.2。這時(shí)腔長(zhǎng)多。這時(shí)腔長(zhǎng)多長(zhǎng)才能出光？（長(zhǎng)才能出光？（G）如果）如果d=1mm，計(jì)算得毛細(xì)血管有效，計(jì)算得毛細(xì)血管有效長(zhǎng)度必須大于長(zhǎng)度必須大于70mm才能產(chǎn)生激光。才能產(chǎn)生激光。%2 . 0T%2T2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器如何抑制如何抑制3.39 激光振蕩？激光振蕩？m（1）用色散棱鏡把）用色散棱鏡把3.39 的光散射掉。的光散射掉。m（2）腔內(nèi)放置甲烷吸收盒。甲烷對(duì)）腔內(nèi)放置甲烷吸收盒。甲烷對(duì)632.8nm的光的光 透明，對(duì)透明，對(duì)3.39 吸收。增大其在腔內(nèi)的損吸收。增大其在腔內(nèi)的損 耗抑制其振

16、蕩。耗抑制其振蕩。m（3）外加非均勻磁場(chǎng)。利用塞曼效應(yīng)，磁場(chǎng)）外加非均勻磁場(chǎng)。利用塞曼效應(yīng)，磁場(chǎng) 引起譜線分裂。波長(zhǎng)越長(zhǎng)譜線分裂越寬，引起譜線分裂。波長(zhǎng)越長(zhǎng)譜線分裂越寬， 增益越小。增益越小。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器五、影響激光功率的參數(shù)五、影響激光功率的參數(shù)1. 兩反射鏡不平行（稱(chēng)為光學(xué)諧振腔失調(diào)）。這時(shí)，反射兩反射鏡不平行（稱(chēng)為光學(xué)諧振腔失調(diào)）。這時(shí)，反射鏡失去反饋?zhàn)饔茫ɑ蛘f(shuō)腔損耗增大），一般認(rèn)為二鏡平行鏡失去反饋?zhàn)饔茫ɑ蛘f(shuō)腔損耗增大），一般認(rèn)為二鏡平行度應(yīng)小于約半分。度應(yīng)小于約半分。2. 輸出鏡最佳透過(guò)率。如果輸出鏡反射率輸出鏡最佳透過(guò)率。如果輸出鏡反

17、射率R很大，則光腔很大，則光腔損失很小，易于滿足增益大于損耗，很易出光，但光只損失很小，易于滿足增益大于損耗，很易出光，但光只在腔內(nèi)而不能輸出；如果輸出鏡反射率在腔內(nèi)而不能輸出；如果輸出鏡反射率R很小，光腔損失很小，光腔損失就大，以至于增益比損耗還小，又不能產(chǎn)生光輻射。所就大，以至于增益比損耗還小，又不能產(chǎn)生光輻射。所以要求有最佳透過(guò)率，它往往是由實(shí)驗(yàn)得出。以要求有最佳透過(guò)率，它往往是由實(shí)驗(yàn)得出。3. 最佳放電電流。經(jīng)驗(yàn)證明、激光管點(diǎn)燃后，如果從最小最佳放電電流。經(jīng)驗(yàn)證明、激光管點(diǎn)燃后，如果從最小輸入電流（一般輸入電流（一般3mA）逐漸增大，）逐漸增大，He-Ne激光光功率也增激光光功率也增大，但達(dá)到一定值后，電流增加，光功率反而變小。大，但達(dá)到一定值后，電流增加，光功率反而變小。2.2 HeNe激光器激光器第第2章章 典型激光器典型激光器六、輸出特性六、輸出特性 1. 輸出功率。有兩個(gè)特點(diǎn)：（