氦氖激光器

氦氖激光器工作原理

氦氖激光器工作原理是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光，主要有632.8nm、1.15um和3.39um三个波长。氦原子有两个亚稳态能级21S0、23S1，它们的寿命分别为5×10-6s和10-4s，在气体放电管中，在电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发到21S0、23S1，此两能级寿命长容易积累粒子。原子能量的增加（或减少），不是爬坡式的渐变，而是阶梯式的跃变。即由一个能态跳到另一能态，稍事停留，再进一步跃迁。这些“阶梯”，在一定条件下，能量值是固定的，称为能级。原子在特定的两能级间跃迁，辐射的光子频率是固定的。如氖原子从2S能级跃迁到2P能级时，会辐射波长1.15微米的光波（2S、2P为能级符号，不代表能量值）。纯氖气的这种自发辐射效率极低。因为每个原子所受的碰撞不同，会跃迁到许多不同的能级，2S能级只是其中之一，只有少数原子处于这一状态。其它能级的原子向基态跃迁时，幅射的大都是红外光波。扩展资料氦氖（He-Ne）激光器的结构一般由放电管和光学谐振腔所组成。激光管的中心是一根毛细玻璃管，称作放电管（直径为1mm左右）；外套为储气部分（直径约45mm）；A是钨棒，作为阳极；K是钼或铝制成的圆筒，作为阴极。壳的两端贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜，构成平凹谐振腔。两个镜版都镀以多层介质膜，一个是全反射镜，通常镀17层膜。交替地真空蒸氟化镁（MgF2与硫化锌（ZnS）。另一镜作为输出镜，通常镀7层或9层膜（由最佳透过率决定）。氦氖激光器已经被人们应用得非常普遍。但氦氖激光器又存在一定的缺点，激光器的效率较低，功率也不够大。所以在激光外科手术、钻孔、切割、焊接等这些行业中，人们现在大多换成采用 CO2激光器、脉冲激光器或者是半导体激光器等大功率激光器。因为氦氖激光器具有工作性质稳定、使用寿命比较长的特点，因而现在对于氦氖激光器在流速和流量测量方面得到了更加普遍的开发和利用，同时在精密计量方面的应用也非常广泛。参考资料来源：百度百科-氦氖激光器

氦氖激光器用于工业和科学应用

激光 (laser) 是 "light amplification through stimulated emission of radiation"（通过受激辐射光放大）的缩写。激光束输出的独有特性是：电磁能量和输出波的单色性好、相干性高，并且具有相位、时间和传播方向上的一致。无论激光输出是在光谱的可见光部分还是不可见光部分，都是如此。大多数激光器具有固定的输出波长 (λ)，但有些激光器也可将波长设置为数个离散值之一。

1960 年 5 月，美国加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室的物理学家 Theodore H. Maiman 演示了世界上第一台激光器。他使用红宝石 (CrAlO3) 和摄影闪光灯作为激光泵源，产生了波长为 694 nm 的红光束。围绕着谁应该享有对激光概念的科学发现权和专利权，三位物理学家之间展开了长达 30 年的专利纠纷。

激光器有三个基本构件：

产生激光的必不可少的条件是，将谐振腔内的大部分电子激发到较高能级，这称为粒子数反转。对电子来说，这是一个不稳定状态。因此，它们在此状态短暂停留后便通过两种方式衰变回原始能态：

这种受激跃迁会以光子的形式释放能量，并且受激发射光子与入射光子具有相同的相位、波长和传播方向。发射光子在光学谐振腔中往返传播，穿过全反射镜和部分反射镜之间的激光材料，这使得光能不断增大，直至累积到足够的能量，就会产生一束激光通过部分反射镜发射出来。

同所有元器件选型一样，没有单个“最佳”的激光器，因为不同应用需要不同的波长、功率水平和其他规格，往往取决于具体情况的物理因素。氦氖激光器通常非常适用于众多工业和测试项目，例如拉曼光谱分析——一种不需要与样品发生直接物理接触的无损光学检测技术。

这种光谱分析可对固体、粉末、液体和气体进行快速准确的化学分析，适用于材料分析、显微术、制药、法医鉴定、食品欺诈识别、化学过程监控和各种国土安全功能。对于这些应用，氦氖激光器有很多具吸引力的特性：稳定的输出波长和功率、λ = 632.8 nm（常常简化为 633 nm）的超级单色红光输出、窄光束、低发散度，以及不随距离和时间而变化的良好输出相干性和稳定性。

氦氖激光器由一根带有向内反射镜的空心玻璃管构成。管内填充 85-90% 的氦气和 10-15% 的氖气（实际激光介质），压力约为 1 Torr （0.02 lb/in2）。玻璃管中还有两面内向的反射镜，分别置于放电管两端，其中一面是高反射性平面镜，另一面则是凹面输出耦合镜，透射率约为 1%（图 1）。

在泵浦过程中，对混合气体施加高压脉冲（约为 1000 V 至 1500 V DC，10 至 20 mA）进行放电。实际的激光来自 Ne 原子电子层能级之间的载流子退激发（例如从 3s 跃迁到 2p）。从 3s 跃迁到 2p 会产生 632.8 nm 的主输出。此外，还会发生其他能级跃迁，从而产生 543 nm、594 nm、612 nm 和 1523 nm 的输出，但 632.8 nm 输出最为有用。

在激光器发展的早期，激光单元和电源常常是手工制作。而现在，激光器已是可立即获得的现成元器件，特别是氦氖气体激光器等广泛使用的产品。而且，这类器件的额定功率范围很广，Excelitas Technologies 的 REO 系列中的两款激光器就是例证。

第一个例子是 31007 型，它属于该系列功率范围的低端，能够提供 0.8 mW 功率（最小值），光束直径为 0.57 mm，光束发散度为 1.41 mrad（图 2）。这款激光管工作期间需要施加 1500 V/5.25 mA，长约为 178 mm，直径约为 44.5 mm，美国医疗器械和放射 健康 中心 (CDRH)/CE 安全等级为 IIIa/3R。

30995 型位于 REO 系列功率范围的较高端，它是一款 17 mW（典型值）、25 mW（最大值）激光器，需要施加 3500 V/7 mA。激光管长约为 660 mm，光束宽度为 0.92 mm，发散度为 0.82 mrad。这款激光器具有更严格的 IIIb/3B CDRH/CE 安全等级。

选择可以胜任工作的最低功率激光器有很多原因。功率越低，意味着安全隐患越小、法规要求越低，而且激光管尺寸更小、成本更低、电源更小。

电源对于激光器件的性能至关重要。对于氦氖激光器，激光管首先需要施加大约 10 kV DC（击穿电压）来启动激发过程。此外，还需要 1 至 3 kV DC 的稳态维持电压，以及低于 10 mA 的电流。尽管功率水平不算高（仅为 20 至 30 W），但很少有工程师有条件、受过培训或有时间为该电压设计合适的电源，尤其是考虑到安全和法规要求以及对爬电距离和电气间隙等因素的认证，另外还需考虑基本的电气和电磁 (EMI) 性能。

为什么启动电压比维持电压高？氦氖激光器是一种“负阻”元件，随着电流的增大，激光管两端的电压会降低。简单的霓虹灯灯泡也会出现同样的问题，例如享有盛名但现在已经过时的 NE-2“辉光管”灯泡。它的击穿或“起弧”电压约为 90 V（AC 或 DC），此后工作电压降至约 60 V。过去，为了提供较高启动电压，然后提供较低工作电压，设计人员采用的一种办法是使用约 220 kΩ 的串联镇流电阻器（图 3）。

但是，这种简单的解决方案不适用于商业应用中的氦氖激光管。首先是安全和法规要求。其次，电源必须与激光管正确匹配以获得最佳性能，而且启动电压必须保持在公差范围内。再次，电源输出电压和电流的稳定性对于维持激光器的稳定性至关重要。

出于这些原因，Excelitas Technologies 为较低功率氦氖激光器提供了满足技术和法规要求的即插即用型电源。例如，39783 电源采用 100 至 130 V AC 和 200 至 260 V AC（50 至 400 Hz）供电，提供 1500 至 2400 V 电压，启动电压高于 10 kV DC，工作电流为 5.25 mA（图 4）。严格的电流调节对于稳定的氦氖激光管性能很重要，因此 39783 将其保持在 0.05 mA。这款电源的基底面不大，只有 241 x 133 mm，高度为 54 mm。它还带有实体钥匙锁以确保安全性。

针对较大的氦氖激光管，Excelitas 推出了封装尺寸相同的 39786 电源。该电源提供 3200 至 3800 V 的更高输出，启动电压可达 12.5 kV 以上，提供高达 7.0 mA 的直流电流。

氦氖激光器激发机理

1．氦氖激光器的结构
氦氖（He-Ne）激光器的结构一般由放电管和光学谐振腔所组成。激光管的中心是一根毛细玻璃管，称作放电管（直径为1mm左右）；外套为储气部分（直径约45mm）；A是钨棒，作为阳极；K是钼或铝制成的圆筒，作为阴极。壳的两端贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜，构成平凹谐振腔。两个镜版都镀以多层介质膜，一个是全反射镜，通常镀17层膜。交替地真空蒸氟化镁（MgF2与硫化锌（ZnS）。另一镜作为输出镜，通常镀7层或9层膜（由最佳透过率决定）。毛细管内充入总气压约为2Torr（托）的He、Ne混合气体，其混合气压比为5：1－7：1左右。内腔管结构紧凑，使用方便，所以应用比较广泛。但有时为了特殊的需要也常选用全外腔式或半外腔式。
全外腔式的放电管和镜片是完全分离的，半外腔式是上两种形式的结合。
外腔式和半外腔式都需要粘贴布儒斯特片，窗片法线与激光光轴有一夹角，应等于布儒斯特角θ：
θ=tg-1n
K8玻璃对632.8nm激光
n=1.5159；θ=56°35＇；熔融石英
n=1.46；θ=55°36＇。
因此，全外腔式和半外腔式激光器输出的光束是电矢量平行于入射面的线偏振光。
2．氦氖激光器激发机理
氦氖激光器中工作物质是氦气和氖气，其中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光，主要有632.8nm、1.15um和3.39um三个波长。
氦原子有两个亚稳态能级21S0、23S1，它们的寿命分别为5×10-6s和10-4s，在气体放电管中，在电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发到21S0、23S1，此两能级寿命长容易积累粒子。因而，在放电管中这两个能级上的氦原子数是比较多的。这些氦原子的能量又分别与处于3S和2S态的氖原子的能量相近。处于21S0、23S1能级的氦原子与基态氖原子碰撞后，很容易将能量传递给氖原子，使它们从基态跃迁到3S和2S态，这一过程称能量共振转移。由于氖原子的2P、3P态能级寿命较短，这样氖原子在能级3S－3P、3S－2P、2S－2P间形成粒子数反转分布，从而发射出3.39um、632.8nm、1.5um三种波长的激光。
上述过程可表示为：
e**+He(11S0)→e*+He*(21S0)
e**+He(11S0)→e*+He*(23S0)
He*(21S0)+Ne(2P6)→He(21S0)+Ne*(3S)
He*(23S1)+Ne(2P6)→He(21S0)+Ne*(2S)
Ne*(3S)→Ne*(2P)产生波长为632.8nm的激光
Ne*(3S)→Ne*(3P)产生波长为3.39um的激光
Ne*(2S)→Ne*(2P)产生波长为1.15um的激光
从理论上讲，这三种波长的激光都有可能发射，但我们可以采取一些方法去抑制其中的两种，而使我们所需要的一种波长的激光得到输出。632.8nm（红光）因输出为可见波段的激光，实际应用较广泛。