第一篇 气体激光器 (2)精选PPT.ppt

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1、第一篇 气体激光器第1页，本讲稿共110页第一章 概述气体激光器的分类1.原子气体激光器a)惰性气体 He,Ne,Ar,Kr,Xe 典型激光器：HeNe激光器 波长632.8nm 脉冲2000j 脉宽300Psb)原子气体 Cl,Br,N,S,C,O,I 35千瓦 可作激光武器c)原子蒸气 Cs,Cd,Cu,Mn,Sn,Cd,Cn e.g.把Cu加热，10001500摄氏度 510.6nm(绿光)578.2nm(黄光)Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第2页，本讲稿共110页2.分子气体激光器

2、a)气体分子激光器 CO(5.88um,5.51um)N2(337.1um)CO2(10.6um)HF(2.6-3.5um)b)准分子激光器惰性气体准分子：Ar2(126.1nm)Xe2 (173.6nm)Kr2 (145.7nm)惰性气体卤化物准分子：XeF (351nm，353nm)ArF (193nm)XeCl (308nm)惰性气体氧化物准分子：ArO (557.6nm)金属蒸气卤化物准分子：HgCl (558.4nm)金属蒸气准分子：Hg2 Mg2 c)汞化物分子激光器Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:2126

3、5964;Msn: 第3页，本讲稿共110页3.离子气体激光器a)惰性气体：Ar(514.5nm绿光)(487.9nm蓝光)Kr(476.2nm蓝光)(520.8nm绿光)b)金属蒸气离子：HeCd(441.6nm蓝光，325.0nm紫外)Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第4页，本讲稿共110页气体激光器的优点及今后的发展方向1.发射光谱宽 红外 紫外（有近万种谱线）2.光束质量好 工作物质均匀，很窄，相干长度几公里。3.大功率的连续输出 万瓦级（二氧化碳激光器）4.量子效率高（30）固体激

4、光器（23）半导体激光器（7080）5.工作物质比较丰富，结果简单，廉价Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 研究方向：1）开拓新波段 2）大功率大能量 3）小型化研究提高器件寿命，国外几万小时，国内只有几千小时。研究新类型气体激光器第5页，本讲稿共110页气体激光器的激励方式1.电激励2.热激励3.化学能激励4.光激励5.核能激励Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第6页，本讲稿共110页 一、气

5、体放电粒子种类及其碰撞的基本规律1、气体放电粒子种类（1）中性气体粒子 指气体没有电离时已经存在的粒子（惰性气体粒子、金属 蒸汽粒子、一般分子等）。（2）带电粒子 中性气体粒子一旦被电离所产生的电子和正离子（这些带 电粒子对放电特性产生影响，其中电子的左右起主导地 位）。（3）受激粒子和光子 放电中产生的受激中性粒子（A*和AB*）以及可能出现的受激离子（A+*）按照量子效应，会发射光子，也能吸收光子实现光激发、光电离和受激辐射，这在激光器中起重要作用）。Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第7

6、页，本讲稿共110页2、粒子碰撞基本规律弹性碰撞：弹性碰撞：相互发生碰撞的粒子间只交换动能，不交换内能。（在确定气体放电的各种传统系数中起主要作用，如热传导、电传导、扩散、漂移等系数）。非弹性碰撞：非弹性碰撞：相互发生碰撞的粒子间既交换动能也交换内能。（在确定气体放电的各种电产量和光产量中起主要作用，如电子温度或者能量、电子密度、各种受激能级的粒子束分布等）。激发与电离：激发与电离：当中性气体粒子与其他粒子发生碰撞时，原子中的价电子容易吸收外来粒子的能级，从其原来的能级跃迁到较高的能级上去，我们称这个原子被激发，即受激原受激原子子。如果原子中一个或几个电子因碰撞吸收能量而脱离了原子变成自由电子

7、，使原子成为带正电荷的离子，这种过程成为电离电离。气体激光器中，电离电离是维持放电平衡的必要条件，激发激发是实现粒子束反转的必要条件。Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第8页，本讲稿共110页气体放电粒子碰撞与激发谐振能级：指一个原子吸收光子与放出光子的能量相同。亚稳能级：凡是不能通过辐射光子而自发跃迁到基态或者任何一个较低能级 的这种能级。第一类非弹性碰撞：电子与粒子碰撞 e*+A-e+A*粒子激发 e*+A-2e+A+粒子电离 e*+A-2e+A+*离子激发态第二类非弹性碰撞1.共振转移：

8、A*(E2)+B(E1)-A(E1)+B*(E2)+E 原子激发能量的共振转移 E=EA(E2)-EB(E1)E越小，共振转移截面愈大，碰撞越易2.A+B-A+B+E A+B-A+B+*+E3.潘宁电离（亚稳原子的激发能大于和它碰撞原子的电离能）A*(E2)+B-A(E1)+B+e+E A*(E2)+B-A(E1)+B*(E2)+e+E 在基本其中中掺入少量杂质气体，而基本气体的亚稳激发电位高于杂质气体的电离电位时，会产生大量的潘宁电离，结果使气体的有效电离电位明显降低，所以潘宁电离在气体激光中有实用价值。Laser Device and Technology Email:;Tel:13840

9、275014;QQ:21265964;Msn: 第9页，本讲稿共110页第二章 HeNe气体激光器21 HeNe激光器的结构及工作原理一、HeNe激光器的结构Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第10页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 放电管放电管 毛细管毛细管 贮气室贮气室 电极电极 阴极阴极 激光管激光管 阳极阳极He-Ne激光器的组成激光器的组成 谐振腔谐振腔:一般采用稳

10、定腔一般采用稳定腔 电源电源第11页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第12页，本讲稿共110页二、He、Ne原子的能级图HeNe激光器的工作物质 是Ne原子He是辅助气体，用以提高 Ne原子的泵浦速率Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: Ne原子原子三条最强三条最强的跃迁谱线：的跃迁谱线：632.8nm 3S22P43.39m 3S23P4 1.15m 2S22P4典型的四能级

11、系统典型的四能级系统第13页，本讲稿共110页三、HeNe激光器的激发过程Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (1)共振能量转移激发 He(11S0)+e He*(21S0)+e He(11S0)+e He*(23S1)+e He*(21S0)+Ne(1S0)Ne*(3S2)+He(11S0)+E He*(23S1)+Ne(1S0)Ne*(2S2)+He(11S0)+E其中 e-碰撞前快速电子 e-碰撞后慢速电子第14页，本讲稿共110页(2)电子直接碰撞激发电子直接碰撞激发Laser Devi

12、ce and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: Ne*(2S2)+eNe(1S0)+e Ne*(3S2)+e(3)串级跃迁串级跃迁e原子与电子碰撞被激发到更高的能态，而后再跃迁至S和S能态。第15页，本讲稿共110页四、Ne 原子激光下能级的弛豫根据跃迁选择定则根据跃迁选择定则,位于激光下能级位于激光下能级3P4,2P4及及1S能级的粒子能级的粒子向基态的跃迁是禁戒的向基态的跃迁是禁戒的.即位于上述能级的粒子不能通过辐射过即位于上述能级的粒子不能通过辐射过程而返回基态程而返回基态,只能通过扩散至管壁与管壁碰撞交换能量返回基态只

13、能通过扩散至管壁与管壁碰撞交换能量返回基态.我我们称其为们称其为“管壁效应管壁效应”.He-Ne激光器放电毛细管管径激光器放电毛细管管径d与小信增益与小信增益Gm之间存在经验公式之间存在经验公式:Gm=310-4/d (cm-1)思考：上式说明什么问题？Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第16页，本讲稿共110页五、He-Ne激光器的最佳放电条件放电条件放电条件:放电电流放电电流(i);充气总气压充气总气压(p);He,Ne气压比气压比(PHe:Pne)由激光原理可知由激光原理可知,器件的增益

14、器件的增益G正比于激光上、下能级的反转正比于激光上、下能级的反转粒子数密度差粒子数密度差n(G n).以以632.8nm谱线跃迁为例谱线跃迁为例,通过建立与求解速率方程分析通过建立与求解速率方程分析n与放电条件之关系与放电条件之关系.Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 第17页，本讲稿共110页设设:Ne原子原子 激光上能级激光上能级(3S2)的粒子数密度为的粒子数密度为n3 激光下能级激光下能级(2P4)的粒子数密度为的粒子数密度为n2 基态基态(1S0)能级上的粒子数密度为能级上的粒子数密度

15、为n1 He原子原子 亚稳态能级亚稳态能级(21S0)上的粒子数密度为上的粒子数密度为n4 基态基态(11S0)能级上的粒子数密度为能级上的粒子数密度为n0 气体放电激励时气体放电激励时,电子密度为电子密度为ne 则则n3的速率方程为的速率方程为:Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2.1-1第18页，本讲稿共110页式中式中:kn1n4为为HeNe共振转移的激发速率共振转移的激发速率,k为转移速率为转移速率 常数常数 kn0n3 为为NeHe共振转移的激发速率共振转移的激发速率 为为n3到其它

16、能级的驰豫速率到其它能级的驰豫速率,为其驰豫时间为其驰豫时间稳态后稳态后,由由(1.1-1)式得式得:Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2.1-2第19页，本讲稿共110页同理同理,He亚稳态能级亚稳态能级(21S0)上粒子数密度上粒子数密度n4的速率方程为的速率方程为:(2.1-3)式中式中:n0n4S04-电子碰撞激发速率电子碰撞激发速率.S04为激发速率常数为激发速率常数 n4neS4-电子碰撞消激发速率电子碰撞消激发速率.S4为消激发速率常数为消激发速率常数 n4A-因共振能量转移或逃

17、逸出激活区而使因共振能量转移或逃逸出激活区而使n4衰减衰减 的速率的速率.A为衰减几率为衰减几率稳态后，稳态后，有（2.1-3）式得Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2.1-4第20页，本讲稿共110页将（2.1-4）代入（2.1-2）式，得Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2.1-5下面推导n2.n2也是靠电子碰撞激发的。n2的速率方程为：2.1-6式中：n1neS02-电子碰撞激发速率.S

18、02为激发速率常数 n2neS2-电子碰撞消激发速率.S2为消激发速率常数 n2A自发辐射衰减速率.A为自发辐射几率第21页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 稳态后，由（2.1-6）得2.1-7因自发辐射几率A很大，与A相比neS2可忽略故有：2.1-8第22页，本讲稿共110页 根据（2.1-5）和（2.1-8）式，我们可以定性的讨论增益和放电条件之间的关系1.增益与放电电流增益与放电电流i的关系的关系在P和PHe:Pne一定的条件下，即：(2.1-9)式中：K比例系数。而

19、n0,n1,A等均与i无关。将(2.1-9)代入(2.1-5)，(2.1-8)式，得：Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2.1-10 式中，2.1-11K1,K2与与K3都是和放电电流无关的常数都是和放电电流无关的常数第23页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 由(2.1-11)式知：由(2.1-10)式可知：n3与i的关系为：当i较小时,k2i可忽略.n3与i成线性变化.当i

20、较大时,k2i随之增大.n3与i关系不大.i继续增大时,n3饱和.第24页，本讲稿共110页n3,n2与与i关系曲线如图关系曲线如图2-3所示：所示：Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图图2-3 2-3 粒子数密度与放电电流的关系粒子数密度与放电电流的关系第25页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图图2-4 2-4 增益增益与放电电流关系与放电电流关系第26页，本讲稿共110

21、页由上述分析可知由上述分析可知,He-Ne激光器存在着最佳放电电激光器存在着最佳放电电流流iopt,当当i=iopt时，时，最大。最大。放电长度为放电长度为1米左右的米左右的He-Ne激光器，放电电流激光器，放电电流在几毫安在几毫安-几百毫安范围几百毫安范围Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 2.增益与充气总气压增益与充气总气压P的关系的关系 因因n n3 3 n n2 2,故故 ,主要分析主要分析n n3 3：在在HeHe，NeNe气压比一定的条件下，气压比一定的条件下，第27页，本讲稿共11

22、0页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 总气压总气压但若总气压但若总气压 虽虽 ,但电子与原子碰撞次数但电子与原子碰撞次数也增多也增多 电子动能下降电子动能下降图图2 2-5 5增增益益与与充充气气总总气气压压的的关关系系第28页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 由上可见，器件存在一最佳总气压由上可见，器件存在一最佳总气压PoptPopt。当当P=PoptP=Popt时，时，最

23、大。最大。He-NeHe-Ne激光器的激光器的总气压一般在几帕总气压一般在几帕-几百帕之间。几百帕之间。3.3.增益与增益与HeHe，NeNe气压比的关系气压比的关系在总气压在总气压P一定的条件下，一定的条件下，,由式由式(2.1-6)(2.1-6)知知,n,n1 1比比n n0 0对对n n3 3的影响大的影响大 但当但当 因因NeNe的电离电位低的电离电位低,易电离而导致电子易电离而导致电子 能量能量 .同时同时,由于由于NeNe原子激发上能级原子激发上能级 粒子数主要通过与粒子数主要通过与HeHe亚稳态共振转移而获得亚稳态共振转移而获得,因此作因此作 为工作气体的为工作气体的NeNe气所

24、占比例要适当气所占比例要适当,也存也存 在一最佳值在一最佳值.一般一般第29页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图图2-62-6增益与增益与He-NeHe-Ne气压比的关系气压比的关系第30页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 最佳充气总气压最佳充气总气压P Poptopt与最佳与最佳He,NeHe,Ne气压比叫做气压比叫做最佳充气条件。最佳充气条件。当器件取

25、最佳气压比与最佳总气压时，最佳总气当器件取最佳气压比与最佳总气压时，最佳总气压压P Poptopt与放电管径与放电管径d的乘积为一常数，其取值范围：的乘积为一常数，其取值范围：结论：结论：为得到最大反转粒子数为得到最大反转粒子数 ,即获得最大增益，即获得最大增益，He-NeHe-Ne激光器应工作在最佳放电电流条件下，即采用最激光器应工作在最佳放电电流条件下，即采用最佳放电电流、最佳充气总气压和最佳佳放电电流、最佳充气总气压和最佳HeHe、NeNe气压比。气压比。第31页，本讲稿共110页2-2 He-Ne激光器的输出功率及稳定性Laser Device and Technology Email

26、:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: He-Ne He-Ne激光器的输出特性主要指激光器的输出特性主要指:输出功率输出功率,频率频率特性特性,束散角束散角,偏振特性等偏振特性等.其中频率特性将在稳频技术一章中介绍其中频率特性将在稳频技术一章中介绍.（一）（一）输出功率及其影响因素输出功率及其影响因素 1.1.输出功率公式输出功率公式(1)单纵模激光器输出功率公式单纵模激光器输出功率公式第32页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 对于连续运转的激光

27、器对于连续运转的激光器,当腔内实现稳态振荡后当腔内实现稳态振荡后(频频率为率为 的光强的光强 ),),有光在腔内往返一次所获得的饱和增益有光在腔内往返一次所获得的饱和增益等于腔内的光学总损耗等于腔内的光学总损耗.即即:(2.1-1)(2.1-1)式中式中:-饱和增益系数饱和增益系数 -放电管长度放电管长度 -除透过率外光在腔内往返一次的除透过率外光在腔内往返一次的 光学总损耗的百分数光学总损耗的百分数 -输出镜的透过率输出镜的透过率第33页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 则

28、器件的输出功率则器件的输出功率P表示为表示为:(2.2-2)(2.2-2)式中式中:-光束的有效横截面积光束的有效横截面积.其值一般小于其值一般小于 放电管横截面积放电管横截面积 (其值等于放电管横截面积其值等于放电管横截面积 放电管利用系数放电管利用系数 )有有:-腔内振荡光束的腔内振荡光束的 模体积模体积 -放电管体积放电管体积第34页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 对于平凹腔结构的横模对于平凹腔结构的横模,令令 ,则有则有:于是有于是有:(2.2-3)(2.2-3)(

29、2.2-4)(2.2-4)由由(2.2-2)(2.2-2)式可知式可知:再求出腔内稳态光强再求出腔内稳态光强 ,即可求出输即可求出输出功率出功率P.P.因因 不仅与工作物质的物理参数有关不仅与工作物质的物理参数有关,同时与激光器的同时与激光器的结构参数有关结构参数有关,为此引入一个激发参量为此引入一个激发参量第35页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 式中式中:-最大小信号增益最大小信号增益 由上式可见由上式可见,当器件结构确定以后当器件结构确定以后,的的值均可确定值均可确定,

30、则激发参量则激发参量 可知可知.(2.2-1)(2.2-1)式及综合加宽大信号增益系数式及综合加宽大信号增益系数 ,中心中心频率频率 处最大小信号增益系数处最大小信号增益系数 表达式代入上式表达式代入上式 并并设激光器工作在中心频率设激光器工作在中心频率 处处(),(),则有则有:(2.2-5)第36页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (2.2-6)(2.2-6)式中式中:-饱和光强饱和光强,其值可由实验测出其值可由实验测出.上式给出了上式给出了 与与 之间的关系之间的关系.

31、第37页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图图2 2.2 2-1 1 单单模模运运转转的的 与与 的的关关系系曲曲线线第38页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 对于结构确定的激光器对于结构确定的激光器 可知可知,我们我们可算出其可算出其 值值.值已知后值已知后,我们可利用图解法从上图关我们可利用图解法从上图关系曲线中查出系曲线中查出 .令令 ,代入代入(2.

32、1-14)(2.1-14)式式,则有则有:(2.2-7)(2.2-7)上式表明上式表明,.,.即增大输出镜透过率即增大输出镜透过率T T可提高可提高输出功率输出功率P,P,但但T T的增大会导致的增大会导致 下降而引起下降而引起P P的的下降下降.固存在一最佳透过率固存在一最佳透过率T Topt.opt.第39页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (2)多纵模运转多纵模运转 多纵模运转可分为多纵模运转可分为两种两种情况情况:纵模间隔纵模间隔 烧孔宽度烧孔宽度 ,则则 纵模振荡数

33、多纵模振荡数多,烧孔严重烧孔严重,增益曲线阈值以上部分增益曲线阈值以上部分 均被烧掉均被烧掉,增益饱和类似于均匀加宽增益饱和类似于均匀加宽.在计算在计算P时时 可将其等效地看作一系列间隔为可将其等效地看作一系列间隔为 的纵模振荡的纵模振荡.见图见图2.2-22.2-2第40页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图图2 2.2 2-2 2 严严重重烧烧孔孔时时的的等等效效纵纵模模第41页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel

34、:13840275014;QQ:21265964;Msn: 重点讨论重点讨论第二种第二种情况情况.设等效纵模的平均效率为设等效纵模的平均效率为 ,其在腔内光强为其在腔内光强为 ,则腔内总光强则腔内总光强 为为:(2.2-8)(2.2-8)式中式中:-振荡线宽振荡线宽固有固有第42页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 则有则有:(2.2-9)(2.2-9)将将(2.2-9)(2.2-9)式代入式代入(2.2-8)(2.2-8)式式,有有:(2.2-10)(2.2-10)将上式变形

35、为将上式变形为:第43页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 同单纵模情况引入激发参量同单纵模情况引入激发参量 .且稳态工作后且稳态工作后 处的大信号增益系数为处的大信号增益系数为:(2.2-12)(2.2-12)(2.2-11)第44页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 将将(2.2-12),(2.2-13)(2.2-12),(2.2-13)代入代入 ,可得可得

36、:(2.2-14)(2.2-14)(2.2-13)(2.2-13)第45页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 由由(2.2-11)(2.2-11)和和(2.2-14)(2.2-14)式可计算出不同式可计算出不同 值下的值下的 ,由此作出由此作出 与与 的关系曲线的关系曲线.如图如图2.1-92.1-9所示所示.图图2 2.2 2-3 3 多多纵纵模模运运转转的的 与与 的的关关系系 第46页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;

37、Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 这些曲线近似于直线这些曲线近似于直线,其方程为其方程为:(2.2-15)(2.2-15)式中式中:-为直线斜率为直线斜率则则,基横模多纵模基横模多纵模He-NeHe-Ne激光器的输出功率激光器的输出功率P P为为:(2.2-16)(2.2-16)式中式中:叫做有效饱和参量叫做有效饱和参量,其值为其值为:.与气压无关与气压无关.第47页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: ,将将 代入代入(2.2-16)(2.2-1

38、6)式式,得得:(2.2-17)(2.2-17)2.影响输出功率的主要因素影响输出功率的主要因素(1)(1)放电条件的影响放电条件的影响:要选择最佳放电条件要选择最佳放电条件.因因 ,而而 对应有最佳放电条件对应有最佳放电条件,所以要提高输出功率所以要提高输出功率,应选择最佳放电条件应选择最佳放电条件.第48页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图2.2-4 输出功率与放电电流的关系第49页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;

39、Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 图图2.2-5 2.2-5 输出功率与充气总压强的关系输出功率与充气总压强的关系(a)(b)(c)(a)(b)(c)第50页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (2)毛细管尺寸的影响毛细管尺寸的影响:2方面方面 增加毛细管长度增加毛细管长度,可提高输出功率可提高输出功率(见见2.2-172.2-17式式).但但 l 过长过长,谐振腔容易变形谐振腔容易变形,又影响输出功率又影响输出功率.毛细管内径毛细管内径d过小过

40、小,有利于提高有利于提高Gm.但但d太小时太小时,Gm反而下降反而下降.主要原因是主要原因是:当长度当长度l一定时一定时,d小则总粒子数小则总粒子数减少减少,且谐振腔易失调且谐振腔易失调.因此因此,He-NeHe-Ne激光器工作于最佳放电条件下时激光器工作于最佳放电条件下时,注意其注意其内径内径d与最佳充气压与最佳充气压Popt的乘积为一常数的乘积为一常数:第51页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 表表2.2-1 2.2-1 最佳充气条件最佳充气条件图图2.2-6 2.2-6

41、 最佳气压比与毛细管直径的关系最佳气压比与毛细管直径的关系第52页，本讲稿共110页 Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: (3)(3)选择最佳透过率选择最佳透过率i.i.单纵模运转情况单纵模运转情况(前面已讲过前面已讲过),),当当 时时,输输出功率公式自己推导出功率公式自己推导.ii.ii.多纵模运转多纵模运转:令令 则有则有:(2.2-18)(2.2-18)将将(2.2-18)(2.2-18)代入代入(2.2-16)(2.2-16)式得式得:(2.2-19)第53页，本讲稿共110页Lase

42、r Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 将将 ,和和 代入上式代入上式,得得:(2.2-20)(2.2-20)注意上式使用条件注意上式使用条件:,:,且器件参数且器件参数d,ld,l 满足满足当当T T在在T Toptopt附近有小变化时附近有小变化时,输出功率不会有明显变化输出功率不会有明显变化,因此因此,对对T Toptopt的精度不必作太高的要求的精度不必作太高的要求.第54页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:

43、21265964;Msn: 实际运用中实际运用中,一般通过实验的方法确定最佳透过率一般通过实验的方法确定最佳透过率.(4)(4)减小腔内损耗减小腔内损耗因因He-NeHe-Ne器件增益较低器件增益较低,输出镜透过率也比较低输出镜透过率也比较低,因此因此其腔内损耗太小对输出功率影响较大其腔内损耗太小对输出功率影响较大.降低腔内损耗的措施降低腔内损耗的措施:i.合理设计谐振腔合理设计谐振腔:选用稳定腔选用稳定腔,如平凹腔如平凹腔,双凹腔等双凹腔等,平凹腔平凹腔使用多使用多.设计设计l,R等参数等参数;ii.合理选择毛细管直径合理选择毛细管直径d:减少衍射损耗减少衍射损耗;iii.选高质量的光学元件

44、选高质量的光学元件;第55页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: iv.精调谐振腔精调谐振腔.(5)(5)谱线竞争谱线竞争抑制抑制3.39 um3.39 um谱线振荡谱线振荡 抑制原因抑制原因:3.39 3.39 谱线与谱线与632.8 nm632.8 nm谱线共用一个激光上谱线共用一个激光上能级能级 3S3S2 2,且增益都比较高且增益都比较高.3.39 um.3.39 um谱线的振荡谱线的振荡,将大量消将大量消耗激光上能级的粒子耗激光上能级的粒子,导致导致632.8 nm 6

45、32.8 nm 谱线的增益与输出功率下降谱线的增益与输出功率下降,甚至振荡被抑制甚至振荡被抑制.因此因此,设法抑制设法抑制3.39 um3.39 um谱线振荡是提高谱线振荡是提高632.8 nm632.8 nm输出功率的重输出功率的重要手段要手段.抑制方法抑制方法 增大增大3.39 um3.39 um谱线的损耗谱线的损耗 降低降低3.39 um3.39 um谱线的增益谱线的增益第56页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: i.腔内放置色散棱镜腔内放置色散棱镜图图2.2-7 2.2

46、-7 棱镜色散法棱镜色散法利用棱镜的色散效应利用棱镜的色散效应,调整腔镜调整腔镜,使使632.8 nm 可在腔内形可在腔内形成振荡成振荡,而而3.39um的光逸出腔外的光逸出腔外.第57页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: ii.腔内放置甲烷吸收盒腔内放置甲烷吸收盒 甲烷对甲烷对632.8 nm 透明而对透明而对3.39 um 强吸收强吸收.图图2 2.2 2-1 18 8 用用甲甲烷烷吸吸收收盒盒抑抑制制3 3.3 39 9 u um m振振荡荡第58页，本讲稿共110页La

47、ser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: iii.外加非均匀磁场外加非均匀磁场图图2.2-9 2.2-9 非均匀磁场法非均匀磁场法 利用塞曼效应利用塞曼效应,磁场引起谱线分裂磁场引起谱线分裂,分裂的大小与分裂的大小与磁场强度成正比磁场强度成正比.第59页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 非均匀磁场的作用相当于把谱线展宽非均匀磁场的作用相当于把谱线展宽.谱线谱线非均匀磁非均匀磁场强度场强度

48、(高斯高斯)未加磁场未加磁场时谱线宽时谱线宽度度(MHz)施加非均施加非均匀磁场后匀磁场后谱线展宽谱线展宽(MHz)632.8632.8nmnm300300150015009009003.393.39umum300300300300900900第60页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: 因增益系数反比于线宽因增益系数反比于线宽,故施加非均匀磁场后故施加非均匀磁场后,3.39 um 谱线的增益系数急剧下降谱线的增益系数急剧下降,而而632.8 nm 的增益系数的增益系数下降很少下

49、降很少,从而提高了从而提高了632.8 nm谱线的竞争能力谱线的竞争能力,3.39 um 被抑制被抑制.(6)(6)使用同位素使用同位素He-3:He-3:He-NeHe-Ne器件中所充氦气通常为器件中所充氦气通常为He-4.He-4.实验表明实验表明,使用使用He-3He-3比用比用He-4He-4输出功率可提高输出功率可提高25%25%左右左右.但但He-3He-3的价格高得多的价格高得多,一般情况下很少使用一般情况下很少使用.第61页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014;QQ:21265964;Msn: （

50、二）（二）激光束的发散角激光束的发散角(简称束散角简称束散角)He-NeHe-Ne激光束的束散角可认为仅取决于其谐振腔的激光束的束散角可认为仅取决于其谐振腔的几何尺寸几何尺寸(因工作物质光学均匀性好因工作物质光学均匀性好,故可忽略光在腔内传故可忽略光在腔内传播过程中所产生的畸变播过程中所产生的畸变).束散角的定义束散角的定义:(2.2-21)(2.2-21)对于对于TEMTEM0000,其远场束散角其远场束散角(半角半角)为为:远场远场:(2.2-22)(2.2-22)第62页，本讲稿共110页Laser Device and Technology Email:;Tel:13840275014