氦氖激光器的结构及原理

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。

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。
 
3，结构及原理 

  在激光电源外壳上，有一能自由转动的支柱，上面装有可改变斜角的管套，管套内装有氦—氖激光管。（氦—氖激光器的种类很多，外形各异，但都由激光电源和氦-氖激光管两部分组成。）
激光电源的电原理如图1-103所示。电源变压器BY次级输出1.2KV高压。此电压不足以使激光管JG起辉。由于JG此时截止，使D1-D4，C1-C4工作在多倍压整流状态。当JG两端电压升至5KV左右，JG起辉，放出红色束状激光。

 由于JG导通，使D1、D3、D4间正向电位差很小，对上千伏高压来讲近似于零，因此C3、C4不再起作用。D1-D4与C1、C3工作在倍压整流状态。使JG两端电压降至约2KV，维持其工作。R4是限流电阻。

氦-氖激光管：这是一种原子型气体激光管。结构如图1-104所示。玻璃管M内封有按一定比例（如5:1）混合的氦、氖气体，气压约为1-10毫米汞柱。

（1）电子的激发作用。电极D1、D2放电时，从阴极逸出的电子被电场力加速，获得动能。这样的电子流不断与氦、氖原子碰撞，使其能量增高，处于激发态。

（2）基态：原子在每一特定温度下，都有一个稳定的能量状态，称为基态。激发态的原子会自发回到基态，同时将多余的能量转化成光子辐射出去。

（3）能级：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。

（4）亚稳态：原子在激发态各能级上停留时间大都很短，为 - 秒（停留时间指原子保持某一能量状态的时间，也叫能级寿命，但也有例外。实验表明，多数气体都存在一个能级，原子在这一能级上停留的时间较长，为 - 秒，称为亚稳态。这虽是一短暂的时间值，但它却比一般的能级寿命延长了103-106倍。这就使在同一时刻，亚稳态上的原子数要比邻近能级多数十万倍。若使这些原子同时跃迁，释放的能量就很可观了。

（5）氦原子的作用：氦原子的亚稳态恰好和氖原子的2S能级很接近（仅差0.04-0.15电子伏）。亚稳态氦原子与基态氖原子碰撞，可直接把氖原子激发到2S能级。这样，就可以在2S能级获得比纯氖时多数十万倍的原子，它们向2Ｐ能级跃迁时，辐射光波的能量较纯氖时增加数十万倍。

不过，这种光还不是我们所需要的。因为各原子的辐射方向、相位十分杂乱，有的互相抵消，实际输出的能量并不大，射到某个点（如衍射用的小孔）上的光能就更少了，不能满足实验需要。因此，要进一步放大激光的能量，并把能量集中成一束发射出去。为达到这一目的，激光管内设置了共振腔。

（6）共振腔：氦一氖激光管的共振腔是一个内径2ｍｍ左右的玻璃管（图1-104中的中间细部）。两端各有一个反射镜J1、J2。两镜平行度很高，反射率也很高。受激辐射的红光与共振腔同轴的部分就在其中反射。共振腔的长度做成使某种波长增益而使其它波长衰减。J1、J2两镜反射率略有不同，如J1为98％，J2为100％。有一部分光会透过J1输出。同时，由不断进行的光辐射给共振腔补充能量。当这种补充与损耗（包括输出和反射损耗等）平衡时，管子的J1端就会稳定、连续地输出束状单色光。由于共振腔内径很小，所以射出的光束很细。J1、J2平行度很高，光束的发散角也就很小。在实验室的有限距离内，可认为这一光束是良好平行的。

注意事项

1．激光电源与激光管工作电压较高，通电时不要触及。

2．不要让激光束直射到眼睛上。

3．连续使用时间不可超过4小时。放置不用时，也要每月通一次电。

4．如射到屏幕上的光点周围出现密集的斑影，说明激光管镜片脏了，应擦拭干净。

5．教学用氦-氖激光器使用1-3毫瓦之间的低功率激光管。

附录：衍射片、干涉片的制作

1．圆孔衍射片：用针在照像胶卷包装黑纸或薄厚与之相当的两面涂黑的其它纸片上扎孔。因为对所扎孔径不好掌握，可以多扎几个孔，然后逐个在激光下试验，取效果最好的用红铅笔标记使用。

2．单缝衍射片：取一片显微镜用的载玻片，一面用烟熏黑（也可用墨涂，但墨的含胶量不宜过大），用刮脸刀片靠着直尺，在玻片涂黑面上划出一道很细而尽量整齐的透明缝隙。

3．双缝干涉片：同上述方法类似，用两片刀片叠在一起，外面用两块大橡皮夹紧，靠着直尺，两条缝隙一次划成。

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