激光器件第2章原子气体激光器课件

第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.1氦氖激光器的工作原理氦氖激光器的工作原理2.2氦氖激光器的工作特性氦氖激光器的工作特性2.3氦氖激光器的输出特性氦氖激光器的输出特性2.4氦氖激光器的设计氦氖激光器的设计2.5其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器2.6金属蒸气原子激光器金属蒸气原子激光器 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.1.1 氦氖激光器的基本结构氦氖激光器的基本结构氦氖激光器的工作物质是氦气和氖气组成的混合气体，其中氦气是提高泵浦效率的辅助气体，氖气是产生激光的物质。氦氖激光器的基本结构由放电管、电极和光学谐振腔构成，如图2.1所示。2.1 氦氖激光器的工作原理氦氖激光器的工作原理 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.1 氦氖激光器的结构第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.1.2 氦氖原子的能级结构氦氖原子的能级结构氦氖激光器之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结构决定的。当氖原子处于基态时，其电子组态为1s22s22p6，按LS耦合，氖原子基态谱项为11S0。氖原子第一电离能为21.61 eV。氖原子2p6壳层中的一个电子被激发到较高能级，形成了氖原子的激发态。与激光跃迁有关的氖原子激发态电子组态有1s22s22p53s，1s22s22p53p，1s22s22p54s，1s22s22p54p，1s22s22p55s 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 这些电子组态的内部满壳层1s22s2不影响原子态的组成，而2p5是满壳层失去一个电子，5个同科p电子对原子态的贡献，相当于一个p电子的贡献。这个p电子与激发到外层的ns、np(n=3,4,5)电子进行LS耦合，形成了氖原子的激发态能级，如图2.2所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.2 氦原子与氖原子的能级结构第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 通常用帕形符号表示上述电子组态的氖原子能级。为便于对照，在表21中列出了氖原子的激发态能级的电子组态、帕形符号、谱项、能量和寿命。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 表表2-1 氖原子部分激发态的电子组态、帕形符号、氖原子部分激发态的电子组态、帕形符号、谱项及相应能量和寿命谱项及相应能量和寿命 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 到目前为止，已观察到的氦氖激光谱线有100多条，部分相关谱线的参数如表2-2所示，其中543.3 nm是波长最短的(3s22p10)，最接近人眼灵敏曲线的最大值对应波长为550 nm，目前深受关注。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 表表2-2 氖原子激光谱线相关参数氖原子激光谱线相关参数 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.1.3 粒子数反转分布的建立过程粒子数反转分布的建立过程氦氖激光器的粒子反转分布的建立过程取决于能级结构的性质。由图2.2可以看出，氦氖激光跃迁属于典型的四能级系统。对每一条谱线来说，其实现粒子反转分布的阈值条件为(2-1)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中R2、R1分别是氖原子激光上、下能级的激发速率，2、1分别是激光上、下能级的寿命，g2、g1分别是相应能级的简并度，A21是氖原子由激光上能级跃迁到激光下能级的自发辐射跃迁几率。按照表2-1、表2-2所示参数，对543.4 nm、632.8 nm、1.15 m、3.39 m 谱线，粒子反转分布的阈值条件分别为(2-2)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 1.激光上能级激光上能级3s2、2s2的激发的激发1)电子碰撞激发电子碰撞激发以适当能量的电子与基态氖原子碰撞，使其激发到2s、3s态，反应方程为(2-3)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2)共振激发能量转移激发共振激发能量转移激发以适当能量的电子与基态氦原子碰撞，使其激发到亚稳态21S0、23S1，反应方程为(2-4)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 亚稳态氦原子与基态氖原子发生非弹性碰撞，经过共振激发能量转移过程实现了基态氖原子的激发，反应方程为He*(21S0)+Ne(1S0)Ne*(3s2)+He(11S0)-0.048eV(2-5)He*(23S1)+Ne(1S0)Ne*(2s2)+He(11S0)+0.039eV(2-6)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 可见氦原子亚稳态与氖原子3s2、2s2能级相当接近，其能级差在原子热运动动能的范围内，该反应具有较大的碰撞截面，如表2-3所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 表表2-3 氦氖原子共振激发能量转移激发截面氦氖原子共振激发能量转移激发截面 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 一般来说，亚稳态氦原子经过共振激发能量转移过程对基态氖原子的选择性激发，比电子碰撞激发的几率要大，并以Ne(3s2)粒子对亚稳态氦原子的依赖性最大，如表2-4所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 表表2-4 亚稳态氦原子与电子对激发态氖原子的激发比亚稳态氦原子与电子对激发态氖原子的激发比 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.激光下能级的消激发激光下能级的消激发激光下能级的激发主要是电子碰撞，使基态氖原子跃迁到激发态2p4和3p4，其反应方程为(2-7)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 实验证明氦氖激光器632.8 nm谱线中心频率处小信号增益最佳值与放电管直径d成反比，证明瓶颈效应是存在的，管壁弛豫是有效的，即(2-8)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.2.1 氦氖激光器速率方程组氦氖激光器速率方程组设与氦氖激光谱线有关的泵浦能级(氦原子第一激发态21S0、23S1)、氖原子激光上、下能级、氖原子基态(1S0)、氦原子基态(11S0)粒子数密度分别为n4、n3、n2、n1、n0，小信号情况下(不考虑受激辐射)，关于n4、n3、n2的速率方程为(2-9)2.2 氦氖激光器的工作特性氦氖激光器的工作特性 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器(2-10)(2-11)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 在稳定条件下有，代入速率方程则有(2-12)(2-13)(2-14)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.2.2 增益与放电条件的关系增益与放电条件的关系 1.增益与放电电流的关系增益与放电电流的关系氦氖激光器工作在正常辉光放电正柱区。在气压和混合比一定的情况下，由正柱区的性质可以知道，放电管中的放电电流i与管内的电子数密度ne成正比，即ne=Ki。而参与激发的原子数比例很小，可以认为n1、n0、3、A等均与i无关，因此n3和n2可以改写成 (2-15)(2-16)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中K1、K2、K3、A都是与放电电流i无关的常数，K1与电子碰撞使氦原子从基态激发到激发态的过程有关，K2与电子碰撞使亚稳态氦原子的消激发过程有关，与电子碰撞使氖原子从基态激发到激光下能级的过程有关，K3与使亚稳态氦原子粒子数减少的扩散过程和共振转移过程有关，分别为第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 这四个常数与激光器的谱线、结构尺寸有关，一般通过实验测定。于是有(2-17)(2-18)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中K0=32，与i无关，可由实验测得。式(2-17)所示关系已由图2.3的实验曲线验证。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.3 粒子数密度与放电电流的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器(2-19)由此可见，增益与放电电流呈线性关系。这是由于n3与放电电流i呈线性变化。当i较大时，使K2in2，n0n3，当放电电流取最佳工作电流时增益为(2-21)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 式中氦原子亚稳态能级的激发速率s04随电子温度Te呈指数增加，而消激发速率s4与Te的关系可忽略。电子温度Te随pd值的增加而降低。当充气混合比一定时，随着充气总压强p的逐渐增加，n1、n0也相应成比例增加，使n3增大，增益增加，但p的增加又使pd增加，导致Te下降，s04下降，使n3减小，因此综合来看，p的增大使增益达到最大值，随后p增加，增益反而减小，即存在最佳总气压p，如图2.6所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.6 增益与充气气压的关系 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3.增益与氦氖气体混合比的关系增益与氦氖气体混合比的关系当总气压p一定时(pd一定)，改变氦氖气体混合比pHepNe，增益变化如图2.7所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.7 增益与充气混合比的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 4.增益分布增益分布一般来说，增益沿放电管轴向是均匀分布的，而沿放电管径向分布是不均匀的，受到放电电流、充气气压和充气混合比的影响。当放电电流较小时，放电管内增益的径向分布同管内电子密度的径向分布一样，呈零阶贝塞尔函数分布，如图2.8所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.8 不同放电电流下632.8 nm谱线增益的径向分布 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.2.3 增益曲线和增益饱和增益曲线和增益饱和激光工作物质的增益系数与工作物质谱线加宽线型有关。氦氖激光器工作在最佳放电条件下，其充气气压通常在几十帕几百帕的范围内，其谱线加宽属于综合加宽，由多普勒非均匀加宽和碰撞均匀加宽构成。根据激光原理，其增益系数为复变量的误差函数的实部，有(2-22)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中n0为小信号情况下的反转粒子数密度，0为谱线中心频率，D为多普勒线宽，I是频率为的光强度，IS为饱和光强，WR(+i)为复变量(+i)的误差函数的实部，其中 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 在已知H、D、I、IS时，通过查数学手册，可描绘出增益曲线如图2.9所示，可看出，当=0时，即HD时，曲线为多普勒非均匀加宽；当=0.2时，相当于氦氖激光器的综合加宽，气压p越高，H越大，则越大，曲线下移，接近均匀加宽增益曲线。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.9 WR(+i)曲线第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 1.小信号情况增益小信号情况增益小信号情况下，I0，由式(2-22)可得(2-23)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 当=0时，(2-24)为最大增益值，记为Gm，即(2-25)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.10 632.8 nm激光谱线的增益饱和第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.增益饱和增益饱和当I与IS比拟时，随I的增加，增益G(,I)将减小，出现增益饱和现象。如图2.10(a)所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.3.1 氦氖激光器的输出功率氦氖激光器的输出功率1.单纵模激光器输出功率单纵模激光器输出功率当连续波运转的激光器腔内单纵模实现稳定振荡后，腔内往返一次的饱和增益必定等于腔内光学总损耗，即2Gs(,I)lac+T(2-26)2.3 氦氖激光器的输出特性氦氖激光器的输出特性 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中Gs(,I)为饱和增益系数，l为增益区长度，T为输出镜透过率(通常认为全反射镜反射率接近100%)，ac为除T外的腔内往返损耗百分数。由式(2-26)可确定腔内稳定振荡光强I。激光器输出功率P为P=ATI(2-27)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 式(2-27)中，A为光束的有效横截面面积，一般情况下，A小于放电管截面积。令，为放电管利用系数，定义为第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 对TEM00模，有，放电管利用系数为(2-28)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 式(2-27)中，稳态光强I不仅与激活介质有关，而且与激光器的结构参数有关。为此引入激发参量，令(2-29)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 代入Gm及G(,I)，取=0，得(2-30)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 当T=Topt时，激光器最佳输出功率为(2-31)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.11 单纵模器件的I/IS与的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.12 单纵模器件的与Gml/ac的关系的计算曲线第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.基横模多纵模振荡输出功率基横模多纵模振荡输出功率多纵模饱和有两种情况，一种是纵模间隔q大于d，各纵模烧孔不重叠，每个纵模的输出功率可由上述方法计算，总功率为各个纵模功率之和；另一种是纵模间隔q小于d，qH，各纵模烧孔相互重叠，存在模式竞争，当纵模数较大时，增益曲线阈值以上的部分被烧掉，增益饱和类似于均匀加宽的情形，因此在计算输出功率时可等效为一系列间隔为d的纵模振荡，如图2.13所示，腔内总光强IT可用等效纵模平均频率1的光强乘以等效纵模数来获得，即第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 d为等效纵模间隔，osc为振荡线宽，等效纵模平均频率为 ，氦氖激光器谱线以非均匀加宽为主，故osc可表示为 (2-33)(2-34)(2-32)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 代入式(2-32)得 (2-35)I1与的关系为 (2-36)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.13 烧孔重叠时的等效纵模第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.14 多纵模的IT/IS与的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 相应的与 的关系曲线如图2.14所示。在不同的H对应不同的曲线，这些曲线接近于直线，近似地用直线方程来描述(2-37)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 式中K为直线斜率，由此可得输出功率为(2-38)式中KIS称为632.8 nm谱线的有效饱和参量，与气压无关，其值为303(Wcm-2)，代入、A、Gm，得氦氖激光器最佳放电条件下的输出功率(W)为 (2-39)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中为放电管利用系数，d为放电管直径(cm)，l为增益区长度(cm)，T为输出镜透过率，由可得最佳透过率Topt。(2-40)相应地最大输出功率Popt为 (2-41)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 这是对多纵模烧孔重叠的情况，即qH，其中H为由 可得，放电毛细管直径应满足 (2-42)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3.影响输出功率的物理因素影响输出功率的物理因素由最佳放电条件下的输出功率表达式(2-41)可知，最大输出功率取决于放电条件、透过率和腔损耗、谱线竞争效应等因素。1)放电条件的影响放电条件的影响 图2.15是氦氖激光器中充气混合比一定时不同充气气压下输出功率与放电电流的关系实验曲线。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.15 输出功率与放电电流的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2)充气气压的影响充气气压的影响图2.16是氦氖激光器中充气气压与输出功率的关系实验曲线。3)充气混合比的影响充气混合比的影响图2.16还表明，在直径确定的放电毛细管中，对应最大输出功率也有一个最佳充气混合比或压强比(pHepNe)。4)透过率及腔损耗的影响透过率及腔损耗的影响 图2.17是透过率与输出功率的关系实验曲线。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.16 输出功率与充气气压的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.17 输出功率与输出镜透过率的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 5)谱线竞争效应的影响谱线竞争效应的影响543.4 nm、632.8 nm和3.39 m谱线共用同一激光上能级，且3.39 m谱线增益最大，543.4 nm谱线增益最小，要获得543.4 nm谱线振荡，必须设法抑制632.8 nm和3.39 m 谱线的振荡。6)同位素同位素He-3的作用的作用由于同位素He-3的质量较小，在同样条件下，其运动速度大于He-4，从而使能量交换速率提高。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 4.输出功率的稳定性输出功率的稳定性输出功率的稳定性是目前器件性能检验的一个重要指标。习惯上用功率稳定度S来度量，S定义为一段时间内输出功率P变化的百分数(2-43)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.3.2 氦氖激光束的发散角氦氖激光束的发散角在激光准直、测距等应用中，不仅要求氦氖激光器输出TEM00模，而且要求具有良好的方向性和准直性。光能量在光束方向上越集中，方向性越好。通常用发散角描述方向性和准直性，TEM00模的平面发散角(半角)定义为 (2-44)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 1.远场发散角远场发散角由式(2-44)可知，当时，。()越小，表明光能量在光束方向上越集中，也就是常说的方向性越好。对平凹腔，代入()得(2-45)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.瑞利长度瑞利长度式(2-44)中，z较小时，(z)也较小，即光斑半径(z)随z增加而缓慢增大，这种特性常称为准直特性。一般把光斑半径从腰斑半径0增加到 0的传输距离称为准直长度，或瑞利长度ZR，由 (2-46)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.3.3 氦氖激光的偏振特性氦氖激光的偏振特性对不同的腔型结构的氦氖激光器，氦氖激光的偏振特性有不同的表现。通常用偏振度来描述激光的偏振特性。偏振度定为(2-47)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器(1)外腔式和半内腔式结构中，由于布儒斯特窗的存在，其偏振度均在99%以上，输出激光为理想的线编振光。(2)内腔式氦氖激光器的输出激光偏振特性表现为自然光的性质。但也存在一定的偏振性，为了改善内腔式氦氖激光器的输出激光偏振特性，获得高偏振度的线编振光输出，又要保留内腔式激光器结构紧凑使用方便的特点，可以利用塞曼效应，如图2.18所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.18 磁起偏氦氖激光器第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.3.4 氦氖激光的频率特性氦氖激光的频率特性氦氖激光器最主要的应用领域是精密计量、全息摄影、激光通信、激光光谱等，其中频率的单一性和稳定性是最重要问题。2.1.2节中曾说明在氖原子相关能级间已发现有上百条谱线，如表2-2所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 1.抑制谱线竞争抑制谱线竞争谱线543.4 nm、632.8 nm、3.39 m共用同一上能级3s2，增益分别为 、G3410-1 mm-1。可以看出，要获得543.4 nm谱线激光振荡，必须抑制632.8 nm、3.39 m谱线。采取的措施有使用选择性谐振腔、色散元件、腔内吸收、非均匀磁场等。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 1)使用选择性谐振腔使用选择性谐振腔 2)腔内加色散元件腔内加色散元件利用色散元件增大其他谱线的偏折损耗，所需振荡谱线仍在腔内，如图2.19所示。为保证632.8 nm谱线在腔内往返，棱镜顶角为的等腰三角棱柱，的大小为(2-48)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.19 三角棱镜抑制3.39 m谱线的装置示意图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3)腔内吸收腔内吸收在腔内放置一个对振荡谱线透明、对要抑制的谱线有强吸收的元件，来实现弱增益谱线的振荡或提高弱增益谱线的输出功率。4)加非均匀磁场加非均匀磁场在长腔器件中，最有效的方法是利用原子处于非均匀磁场中的塞曼效应，使需要抑制的谱线在工作介质中的增益降低，以达到抑制的目的。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 分裂的谱线线距为(2-49)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.20 外加非均匀磁场的装置示意图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.频率稳定状况频率稳定状况在未采取任何纵模选取措施的情况下，一般的氦氖激光器表现为多纵模振荡。无源腔各纵模间隔q和振荡线宽osc分别为 (2-50)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 单纵模运转的氦氖激光器的振荡频率为(2-51)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 在激光器的工作过程中，由于各种因素的影响，造成、L的变化，引起无源腔纵模频率q的变化为 (2-52)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 频率的稳定状态一般由稳定度和再现性来描述。频率稳定度定义为(2-53)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 1)振荡频率在整个多普勒线宽内移动振荡频率在整个多普勒线宽内移动这是一种最大频移的情况，即单纵模振荡频率在整个振荡线宽内移动(漂移)。振荡线宽可以视作增益曲线的多谱勒加宽D，即 (2-54)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 因此频率稳定度为(2-55)632.8 nm谱线氦氖激光器工作过程中，气体温度T=400 K，氖原子量M=20，代入式(2-55)得(2-56)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2)振荡频率仅在自发辐射线宽极限内移动振荡频率仅在自发辐射线宽极限内移动这是一种最小频移情况，即单纵模振荡频率在谱线线宽极限内漂移。根据激光原理，在有源腔中，由于自发辐射的存在，振荡谱线的线宽有一极限s，即 (2-57)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 取=2%,L=20 cm,则c=3106 Hz，当P=0.1 mW时，632.8 nm谱线氦氖激光器频率稳定度为 (2-58)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3.影响频率稳定度影响频率稳定度S-1的主要因素的主要因素氦氖激光器频率稳定度的极限值为510-17，而目前实际采取的被动稳频和主动稳频所能达到的最高频率稳定度为10-14。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.4.1 放电管长度和谐振腔长度放电管长度和谐振腔长度在最佳放电条件下，氦氖激光器放电毛细管的长度决定着激光增益区域的长度，从而决定着激光器的输出功率，因此从输出功率P要求出发设计放电毛细管的长度。若抑制了谱线3.39 m，P0可达50 mW。对输出功率要求为P的放电毛细管的长度l为 (2-59)2.4 氦氖激光器的设计氦氖激光器的设计 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.4.2 反射镜曲率半径反射镜曲率半径1.输出功率、远场发散角对输出功率、远场发散角对的要求的要求根据激光原理，TEM00模在平凹腔腔镜上的光斑半径1、2分别为 (2-60)(2-61)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.21 平凹腔镜面上光斑半径与的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.谐振腔的调整精度谐振腔的调整精度(调整容限调整容限)、衍射损耗及方向的稳、衍射损耗及方向的稳定性等因素对定性等因素对R的要求的要求 对氦氖激光器的平凹腔，要求平面镜和凹面镜组成共轴系统。但实际调整谐振腔时，平面镜的光轴和凹面镜的光轴存在偏移，如图2-22所示，凹面反射镜倾斜角越大，光轴偏移量1(1=R)就越大。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.22 平凹腔的调整容限第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 若规定偏移量1 ，则允许凹面反射镜的最大倾斜角m，即调整容限为 (2-62)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 此外菲涅耳数N与关系为(2-63)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.23 TEM00模的N与的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.4.3 放电管内径放电管内径放电管内径d是激光器的关键尺寸，它影响着激光器的输出功率、放电电流、充气气压和衍射损耗以及器件输出的横模。放电管内径d通常是根据对器件输出横模和纵模的要求确定的。为了使器件运行于TEM00模(基横模)，并且使其衍射损耗比较小，放电管内径d与平凹腔腔内最大光斑半径2必须满足 2=0.30.35d (2-64)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 代入式(2-61)得 (2-65)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.4.4 最佳透过率最佳透过率从式(2-40)可以看出，Topt与衍射损耗和其他光学损耗有关。具体方法是根据已经确定的放电管内径d和谐振腔长度L计算菲涅耳数N和腔参数g，在单程衍射损耗与菲涅耳数N和腔参数g的关系曲线上，查出单程衍射损耗aD，如图2.24和图2.25所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.24 TEM00模的aD与N的关系 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.25 TEM01模的aD与N的关系第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.4.5 设计举例设计举例试设计一功率为10 mW(未抑制3.39 m谱线振荡)，发散角小于1 m rad，运行于TEM00模情况下的632.8 nm氦氖激光器的结构参数。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.5.1 其他形式的氦氖激光器其他形式的氦氖激光器 1.红外红外1.152 m氦氖激光器氦氖激光器红外1.152 m谱线由激光能级跃迁2s22p4产生。发射波长为1.152 m的激光器的结构形式基本类似于632.8 nm器件，放电管直径d由经验公式来选取 (2-66)2.5 其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 其中N为谐振腔的菲涅耳数。主要的工作条件是(1)最佳工作总气压p与放电管内径d的乘积为 pd=2210326102(Pamm)(2-67)(2)最佳气体混合比为 HeNe=(104)1 (3)最佳放电电流为34 mA。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.红外红外1.523 m氦氖激光器氦氖激光器红外1.523 m谱线由激光能级跃迁2s22p2产生，选择适当带宽的介质膜反射镜构成谐振腔，发射波长为1.523 m的激光器的结构形式也基本类似于波长632.8 nm器件，典型的工作条件是(1)最佳工作总气压p与放电管内径d的乘积为。pd=2.2102(Pamm)(2-68)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 (2)最佳气体混合比为HeNe=111。(3)最佳放电电流：对于d=2.2 mm的激光器，其最佳放电电流为45 mA，比相同工作条件的632.8 nm器件要小。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3.绿光氦氖激光器绿光氦氖激光器谱线543.4 nm是氦氖激光的最短波长，最接近550 nm(人眼灵敏曲线的最大值深受关注)。4.波长可调谐氦氖激光器波长可调谐氦氖激光器波长可调谐氦氖激光器的波长调谐范围在红光(731 nm)与黄光(594.0 nm)之间，如表2-2所示，对应能级3s2向2p的十个子能级的跃迁中，除去3s22p9为禁戒跃迁外，都有一定的跃迁几率。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 5.双波长氦氖激光器双波长氦氖激光器一般的氦氖激光器总是以单一波长振荡输出的，在采用特殊措施后，可实现两个波长同时振荡输出，即双波长激光器。6.高功率氦氖激光器高功率氦氖激光器由于氖原子1s能级扩散弛豫的“瓶颈效应”，一般的普通氦氖激光器都用圆截面毛细管作放电管，而激光功率的大小主要取决于激光放电管的长度。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.26 扁平放电管中正柱区的横截面第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 对于同一电子温度而言，这种矩形放电管的等效半径可表示为(2-69)若设计矩形放电管的输出功率为同样放电管长度的圆形激光放电管的输出功率的22.4倍，则要求(2-70)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 7.紫外氦氖激光器紫外氦氖激光器将非线性光学晶体置于常规波长为632.8 nm的氦氖激光器谐振腔内，进行腔内倍频可以得到波长为316.4 nm的紫外激光。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.5.2 其他惰性气体原子激光器其他惰性气体原子激光器除氖原子外，还有其他惰性气体原子产生激光跃迁，如氩原子、氪原子、氙原子等，都采用氦气为辅助气体，激光谱线处在红外区的多达200条以上。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.6.1 自终止跃迁激光器自终止跃迁激光器气体原子激光器选取了与基态间距大的激发态作为激光下能级，并要保证能够迅速弛豫。造成气体原子激光器的光电转换效率低。连续激光器的效率可简单地定义为(2-71)2.6 金属蒸气原子激光器金属蒸气原子激光器 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 在气体放电过程中，可以将大部分泵浦能量用于激发原子系统的第一共振能级。我们知道，在中性原子中彼此靠近且与基态有光学联系的那些能级，可以由电子碰撞有效地选择激发，其电子碰撞激发截面Q12与基态和激发态的波函数有关，当电子能量Ee远远大于激发态能量E2时(EeE2)，在电子交换相互作用可忽略时，Q12近似表示为 Q12A21 (2-72)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 金属蒸气激光器是典型的自终止跃迁激光器。一些金属和过渡元素原子具有较低的能级，用作激光介质可以得到很高的效率。对自终止跃迁激光器，一个激光脉冲终止后，激光上能级的一部分粒子没有被利用，这取决于激光上、下能级的统计权重g2、g1之比，考虑到这个因素，激光器效率式(2-71)应为(2-73)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.27 自终止跃迁的三能级系统第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.6.2 铜蒸气原子激光器铜蒸气原子激光器1.铜原子能级及激光跃迁铜原子能级及激光跃迁铜原子序数为29，其基态电子组态为1s22s22p63s23p63d104s1，基态谱项为2S1/2。第一电离能为7.72 eV。与铜原子激光跃迁相关的第一激发态为亚稳态，第二激发态为第一共振态，电子组态分别是 1s22s22p63s23p63d94s2，1s22s22p63s23p63d104p1第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.28 铜原子能级图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 谱项分别为2D3/2,5/2、2P1/2,3/2，能量分别为1.5 eV、3.8 eV。如图2.28所示。原子激发态被填充的机制是电子与基态原子的碰撞，反应方程为(2-77)第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 在典型的铜蒸气原子激光器中，用于上述过程的电子是产生于铜原子的电离，而不是缓冲气体。跃迁及产生的激光谱线分别为 2P3/22D5/2，510.6 nm；2P1/22D3/2，578.2 nm；2P3/22D3/2，570 nm第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.纯铜蒸气激光器纯铜蒸气激光器铜蒸气激光器首次是在纯铜体系中实现的，最低工作温度高达1500，器件的工作条件和使用条件受到限制。纯铜蒸气激光器装置示意图如图2.29所示。基本结构主要由放电管，谐振腔，电极电源和加热炉条构成。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.29 纯铜蒸气激光器示意图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3.卤化铜蒸气激光器卤化铜蒸气激光器卤化铜作为工作物质的激光器，工作温度在400左右，且激光器从开始泵浦到最佳运转状态的时间比纯铜激光器要短(小于10分钟)，因此是一种较实用的铜激光器。以纵向放电的卤化铜蒸气激光器为例，说明这种器件的工作原理。基本结构由放电管，谐振腔，电极及保温套等构成，如图2.30所示。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.30 卤化铜蒸气激光器示意图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 4.铜蒸气激光器电源线路铜蒸气激光器电源线路铜蒸气激光器电源是总体装置的重要组成部分，是提高输出功率和效率的主要因素之一。我们可以把电源线路分成两部分，主放电线路和闸流管触发电路。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.31 铜蒸气激光器主放电线路图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 5.铜蒸气激光器的工作特性铜蒸气激光器的工作特性铜蒸气激光器的输出特性与许多工作参数有关。图2.32为平衡状态下纯铜蒸气密度与温度的关系。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.32 纯铜蒸气密度曲线第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.33 卤化铜蒸气密度曲线第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.6.3 其他金属蒸气原子激光器其他金属蒸气原子激光器1.金蒸气原子激光器金蒸气原子激光器对于金原子，原子核外有79个电子，第一电离能为9.22 eV。与金原子激光跃迁有关的基态、亚稳态、共振态的电子组态分别为：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s11s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d96s21s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106p1 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.34 金原子激光跃迁能级图 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 谱项分别为2S1/2、2D3/2,5/2、2P1/2,3/2。如图2.34所示，产生的受激辐射主要有两个跃迁，它们的波长分别是627.8 nm(2P1/22D3/2)和312.2 nm(2P3/22D5/2)。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 2.铅蒸气原子激光器铅蒸气原子激光器 在金属蒸气激光器中，首先实现自终止跃迁受激发射的金属原子是铅蒸气原子激光器。对于铅原子，原子核外有82个电子，第一电离能为7.415 eV。铅原子的部分能级如图2.35所示。和铜蒸气激光器类似，用铅和铅的卤化物都可以产生激光，它们的蒸气气压随温度的变化示于图2.36。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.35 铅原子激光跃迁能级图第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.36 纯铅和卤化铅蒸气气压曲线第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 3.锰蒸气原子激光器锰蒸气原子激光器对于锰原子，原子核外有25个电子，第一电离能为7.435 eV。基态、亚稳态、共振态的电子组态分别为1s22s22p63s23p63d54s2、1s22s22p63s23p63d64s1、1s22s22p63s23p63d54s14p1基态谱项为6S5/2，锰原子的部分能级如图2.37所示，在11条谱线上都可以产生脉冲激光，见表2-5，最强谱线是534.1 nm。第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 图2.37 锰原子激光跃迁能级图 第第2章原子气体激光器章原子气体激光器 表表2-5 锰原子激光跃迁及波长锰原子激光跃迁及波长