多谱线He-Ne激光器工作原理

摘要: 多谱线氦氖激光器是在增益管长为1m的外腔式氦氖激光器中,用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法,在可见光区可分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡,从而生产6401Å , 6308Å,6294 Å和6118 Å等不同波长的激光。在科研、教学、计量和生产中有广泛的应用。本文介绍了氦氖激光器的工作原理,其中包括与 He-Ne激光有关的能级结构和跃迁过程。

关键词: 增益介质;谐振腔

氦氖激光器混合气体在一定的配比、气压及放电条件下,氖原子的3S2能级到2Pi九个能级之间能够发生粒子数反转,3S2能级到2P9的跃迁是禁止的,使介质具有增益。当小信号增益达到一定水平时,选择适当条件的谐振腔,使光在介质中来回一次获得的增益足以补偿光在腔内的损耗时激光振荡就建立起来了,当增益大于损耗,光在谐振腔中来回传播而被加强。光的增强是以消耗上能级粒子数为代价的,随着光强的增加使得上下能级的粒子数差减少,既介质的增益减少。增益随光强增强而下降的现象为饱和效应。由于增益饱和的作用激光振荡才会达到稳定值。激光达到稳定时增益等于损耗,这时的增益叫做阈值增益,为建立激光振荡时的介质增益叫做小信号增益。由实验测得3S2能级到2Pi九条谱线的相对小信号增益的比值如下表1所示

表1 3S2到2Pi谱线的相对增益系数

1.与He-Ne激光器有关的能级结构和跃迁过程

能级结构和跃迁过程由图1所示

He的基态电子组态为1S2,1S0.第一个激发组态是1S2S,对应两个亚稳态能级:23S1和21S0.

Ne的基态为1S22S22P6,1S0.其中一个2P电子激发到高能态如3S,4S,5S,3P,4P…等能级上去,组成2P53S,2P54S,2P55S,2P53P,2P54P电子组态,2P53S,2P54S,2P55S电子组态分别有四个能级,其能级符号分别为1S2,1S3,1S4,1S5,2S2,2S3,2S4,2S5 和3S2,3S3,3S4,3S5.对于2P53P和2P54P电子组态,分别有10个能级,能级符号为2P1,2,3,4,5,....10和3P1,2,3,....10。

氦的激发态23S1和21S0.与氖的2S和3S态能量接近,而且23S1和21S0能级的氖原子与基态氖原子发生第二类弹性碰撞的有效截面很大,所以氦的23S1和21S0与氖的2S,3S能级间存在较强的共振交换激发作用。即处于激发的氦原子通过碰撞将能量传给基态的氖原子,使之到达激光上能级,而氦原子回到基态,使的氖原子获得粒子数反转。而2P态和3P态的氖原子通过自发辐射跃迁到1S态。1S态粒子通过与管臂碰撞将能量交给管臂而回到基态。

由于氦的21S能级把能量转移给氖的3S2能级的碰撞有效截面要比3S3,3S4,3S5的碰撞有效截面要大1-2个量级,所以在适当的条件下能造成3S2态与3P态之间,3S2态与2P态之间形成粒子数反转。本论文只研究3S2态到2Pi态9对允许跃迁能级的粒子数反转。下表2列出了各跃迁能级所产生的谱线波长

2.腔内棱镜

(1)棱镜选频的原理和方法

3S2到2Pi的十个精细结构子能级的跃迁,除去3S2到2P9是禁戒跃迁外,都有一定的跃迁几率,但是由于6328波长激光的小信号增益系数远大于其余几条谱线的小信号增益系数,如果腔内不加选频元件,则只有6328波长的激光产生,为了得到不同的激光输出,在谐振腔中插入色散棱镜P,如下图2所示。

由于棱镜分光作用,对于波长其偏向角不同,谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件,而其他波长由于偏离谐振腔光轴,损耗大于增益不能起振。若要改变振荡谱线,需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。

棱镜调节波长的方式有两种,一种是棱镜的入射角不变,使棱镜不动,调节谐振腔反射镜M2从而改变出射角。由于不同波长对应不同的出射角。则相应波长沿原路返回实现振荡。另一种是棱镜出射角不变,反射镜M2相对棱镜不动 ,构成固定偏向角准直光路。通过棱镜和反射镜M2相对入射光做整体运动来改变入射角调节波长。后一种也可采用半棱镜结构,在半棱镜的出射面上镀有全反射介质膜,取代谐振腔反射镜。用半棱镜的优点是调节元件少损耗小,缺点是棱镜的角色散和角分辨减小了一半。本实验采用第二种方式的全棱镜结构

(2)棱镜材料的选择和加工

在可见光波段氦氖激光谱线的增益是很小的,每厘米约为10-3-10-5量级。在谐振腔内插入色散棱镜又必然会增加腔内损耗。因此在选择棱镜材料和加工时要尽可能减小损耗。棱镜材料要求透明度高,色散大,熔石英的透明度很好,在可见光区每厘米长度的吸收率小于0.001,但色散不理想,可用在增益小而谱线间隔相对大的短波长区。重火石玻璃在可见光区吸收比熔石英大好几倍,但色散也比熔石英大好几倍,可在6328附近谱线间隔较密集而增益系数相对较大的光谱区。棱镜表面加工光洁度在顶角附近要求达到I级

(3)棱镜顶角的设计

为了减少光束在棱镜界面的反射损耗,光束在棱镜界面上的入射角应是布儒斯特角 ,同样从棱镜出射的光束也应是布儒斯特角,如图5所示。从图中光线的几何关系可知棱镜顶角A应满足

式中 为棱镜材料内的布儒斯特角,n0为棱镜所用波段中心波长的折射率。实验中提供了两块棱镜供选用,一块为熔石英,棱镜顶角为A=,另一块为重火石玻璃,棱镜顶角为A=,中心波长均为6328,各种波长都以6328的布儒斯特角为出射角,各种波长相应的入射角 可用下式求得:

式中表示相应波长的折射率,用内插法求得。熔石英棱镜的数据见表3

参考文献:

[1]王青圃等.激光物理学.北京:山东大学出版社,2001.

[2]张礼等.近代物理学进展.北京:清华大学出版社,2000.

作者简介:

姓名:付经旭,性别:男,民族:满,藉贯:辽宁省大连市, 毕业院校:辽宁大学,最高学历:本科,单位职务职称:教师助教 ,目前主要研究方向:应用物理。

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