激光谐振腔的品质因数Q

1、1. He-Ne激光器1）结构和激发机理：He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图7.2.1所示。图7.2.1 He-Ne激光器的基本结构形式根据激光器放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，可以分为内腔式、外腔式 和半内腔式。对于外腔式和半内腔式结构，在放电管的一端或者两端，通过布儒斯 特窗片实现真空密封，以减少损失，并且保证激光是线偏振光输出。He-Ne激光器中工作物质是Ne原子，即激光辐射发生在Ne原子的不同能级之 间，放电管中充有一定比例的He气，主要是起到提高Ne原子泵浦速率的辅助作用。图7.2.2是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图。可以看出，Ne原子的激光上能级是

2、3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能 级。He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条：f 2P 0.6328um3S- 2P1.15um2Sf 3P 3.39um2)输出特性：谱线竞争：同一激光器中，可能存在多条激光谱线，而有些谱线可能对应 同一激光上能级，因此它们之间就存在着对共有能级上粒子数的竞争，其中一条谱 线产生后，用于其它谱线的反转粒子数减小，将使其它谱线的的增益和输出功率降 低。甚至被完全抑制。He-Ne激光器三条强的激光谱线中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反 射镜的波长选择。从上图中可以看出，0.6328um和3.39um两条谱线具有相同的上 能级，存在着

3、强烈的竞争，由于增益系数与波长的三次方成正比，显然3.39um激 光谱线的增益系数远大于0.6328um谱线的增益系数，为了获得0.6328um激光谱线， 需要采用腔镜镀膜法、色散法、吸收法和外加磁场法等抑制3.39um激光谱线的振 荡。输出功率特性：He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图7.2.3是 实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线。PIPM： I1020304050放电电流似A)图7.2.3输出功率与放电电流的关系可以看出，每种充气总压强都有一个使输出功率最大的放电电流，它与气体混 合比及总压强有关，在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电 流，在此附近，放电

4、电流的变化对输出功率影响不大。He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。如 果Ne气比例较小，会使输出功率减小，比例过大，会因电离过多而使电子离子数 目增多，在较低电场下就能维持放电电流，低电场导致的电子温度下降使激发速率 降低，输出功率随之降低。因此必须考虑最佳混合比和最佳充气总压强。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。若放电毛细 管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。2. CO激光器21）结构和激发机理：图7.2.4是一种典型的封离式结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜 放置在可供调节的腔片架上，最简单

5、的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。全 反射镜为凹面镜，输出镜一般为平面镜，采用红外材料制成，如金属卤化物盐或半 导体材料。CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图7.2.5所示。其激光波长为10.6pm和9.6pm，相应于10.6pm波长的能级跃迁是（0001） （1000）, 相应于9.6pm波长的能级跃迁是（0001）（0200）。工作气体除了CO2气体外，还有两种辅助气体N2气和He气。充入日。气的作用有 两个：一是可以加速CO2气体在能级（0001）的热弛豫速度，有利于激光下能级的 粒子数抽空，二是可以利用He气导热系数大的特点实现有效的传热。充入N2气的作 用是提高CO

6、2分子的泵浦速率，为CO2激光器高效运转提供可靠地保障。当CO2激光器进行气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO2分子，使其从 基态直接跃迁到激发态（0001）上，另一部分高速电子与N2分子碰撞，使其由基 态（V=0）直接跃迁到激发态（V=1）上，由于N2分子的激发态（V=1）与（0001） 能级非常接近，很容易通过共振能量转移过程将基态CO2分子激励到（0001）能级 上，于是通过上述两种过程，有效地实现了 CO2分子在（0001）能级上粒子数的积 累，一旦实现粒子数反转，即可通过受激辐射产生10.6pm和9.6pm波长的激光。由跃迁图可见，两条谱线有共同的激光上能级（0001），因此他们之

7、间产生强烈 的谱线竞争。由于10.6pm波长的跃迁几率要大一些，所以通常CO2激光器的输出 激光波长为10.6pm。优点：它既能连续工作，又能脉冲工作，输出大，效率高。它的能量转换效率 高达（2025）%，连续输出功率可达万瓦量级，脉冲输出能量可达万焦耳，脉冲宽度 可压缩到毫微秒。被广泛用于材料加工、通信、雷达、诱发化学反应、外科手术等 方面，还可用于激光引发热核反应，激光分离同位素以及激光武器等2） CO2激光器的输出特性影响CO2激光器输出功率的主要因素是它的放电特性和温度效应。（1）放电特性相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最 佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。（2）温度效应CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40%，这就是说，将有 60%以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而