He-Ne氣體激光器

工作介質：He-Ne激光器是典型的惰性氣體原子激光器,Ne為工作物質,He為輔助氣體。

特點：1）He-Ne激光器輸出連續光,主要工作波段在可見光到近紅外區域,其中,最常用的工作波長為632.8nm(紅光),其次是1.15μm和3.39μm以及1.52μm、543.5nm等。2）He-Ne激光器輸出光束質量很高,表現為單色性好(Δν

1、He-Ne激光器的基本結構

He-Ne激光器的基本結構由激光管和電源兩部分組成,其中,激光管主要包括放電管、電極和諧振腔三部分,放電管是He-Ne激光器的核心。放電管通常由毛細管和儲氣室構成。當在電極上施加高壓後,毛細管中的氣體開始放電,使氖原子產生粒子數反轉。氣體放電僅在毛細管中進行, 儲氣室的作用是維持毛細管內He、Ne氣體的比例及總氣壓,以延長器件的壽命。放電管一般採用GG17玻璃,要求輸出功率和頻率穩定性好的器件可採用熱脹係數小的石英玻璃。

He-Ne激光管的電極分為陽極和陰極。陽極一般採用鎢棒,陰極多採用電子發射率高而濺射率小的鋁及其合金這類冷陰極材料。為增加電子發射面積,減小陰極濺射,陰極通常做成圓筒狀,再用鎢棒引至管外。

He-Ne激光器因為增益低,諧振腔一般採用平凹腔。平面鏡為輸出反射鏡,透過率約1%～2%，凹面鏡為全反射鏡。

He-Ne激光器結構形式多樣,按照諧振腔與放電管的放置方式不同,可分為內腔式、外腔式和半內腔式。

2、He-Ne激光器的工作原理

He-Ne激光器中的激光躍遷產生於Ne原子的不同激發態之間,He原子為輔助氣體,其作用是提高Ne原子的泵浦速率。

He原子核外有兩個電子,其基態電子組態為1s1s。He原子處於基態,其能級符號表示為1s0 。當He原子受激時,其中,一個電子由1s殼層激發到2s殼層(電子組態為1s2s),使He原子處於激發態。該激發態中有兩個亞穩能級(21s0和23s1)與He-Ne激光躍遷有關。

Ne原子核外有10個電子,其基態電子組態為1s22s22p6。Ne原子基態能級為1s0。受激時，2p殼層中的一個電子躍遷到較高能態而形成激發態。與激光躍遷有關的Ne原子電子激發組態為1s22s22p51s22s22p53p, 1s22s22p54s, 1s22s22p55s。習慣上，Ne原子的能級用帕邢符號表示。Ne原子上述5個電子激發組態與帕邢符號的關係見表3.1。

根據能量躍遷選擇定則,在Ne原子的3s與2p、3p能態之間,2s與2p能態之間的很多對子能級之間都能產生躍遷譜線(現已獲得100多條譜線),其中,最強的譜線有3條,即632.8nm、3.39μm和1.15μm,分別對應於3s2→2p4、3s2→3p4 和2s2 →2p4 之間的躍遷。

一般He-Ne激光器輸出工作波長為632.8nm,對應於3s2 →2p4 的躍遷。躍遷至激光下能級2p4 上的Ne原子通過自發輻射躍遷到1s能級,最後通過擴散返回基態。由上述分析可知,He-Ne激光器是典型的四能級系統。

馳豫過程：

Ne原子激光下能級2p和3p向基態的躍遷為選擇定則所禁戒,粒子只能通過自發輻射躍遷到1s能級。由於1s能級向基態的躍遷也屬禁戒,因此1s能級的Ne原子只有擴散到放電管管壁,通過與管壁碰撞釋放能量後方能返回基態, 稱之為「管壁效應」。激光下能級如不能被較快抽空,將會造成粒子的堆積,形成「瓶頸效應」。這就是He-Ne激光器放電毛細管內徑要很小的主要原因。

He-Ne激光器放電毛細管管徑d與小信號增益係數Gm 之間存在經驗公式：

上式表明He-Ne激光器的放電毛細管要細,但管徑d小會限制器件的輸出功率。

（以上資料來源於網路）

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