中文论文模板.docx

He-Ne激光器及其应用摘要：根据原子能级分析阐述了He-Ne激光器的原理，并介绍了用法布里-珀罗(F-P)标准具来选择谱线的方法并通过理论分析建立了光波长与透过光强的关系。具体讲述了He-Ne激光器的具体应用。关键词：He-Ne激光器；惰性气体；粒子反转；F-P 标准具；1 引 言相对一般光源，激光具有单色性好的特点，即它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。其中He-Ne激光器是气体激光器中最早研制成功的一种。氦氖气体激光器能稳定地连续工作, 输出频谱极纯, 所需激励源功率较低, He-Ne激光器已获得超过1瓦的功率。下面主要研究He-Ne激光器及其应用。2 He-Ne激光器的原理 激光产生的基本理论是受激辐射,它是爱因斯坦在普朗克黑体辐射量子化理论和玻尔的电子运动量子化轨道假设的基础上提出的。按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级。当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级成为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1， h为普朗克常数6.62610-34Js，v为光的频率，E2和E1分别为高能级和低能级的能量）。由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子，这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。2.1 激光的产生He-Ne激光器是用气体放电方式激励的, 当在放电管中通以适当的电流时, 例如电压为200伏, 电流为几十毫安的直流电时, 被加速的电子首先把He原子通过碰撞激发到它的两个亚稳态( 因为Ne原子吸收电子能量被激发的概率很小) , 然后处于亚稳态的He原子与基态Ne原子碰撞将能量转移给Ne原子,并使其激发到4s 和5s 能级( 见图2 )。4s、5s 能级也是两个亚稳态, 原子处于4s、5s 能级的寿命较处于3 P、4P 能级的寿命长; 又因为He原子密度比Ne原子密度高, 这样就有较多的亚稳态He原子和Ne原子碰撞, 使较多的Ne原子处于4s、5s能态。 不仅如此, 从4s、5s 自发辐射的概率很小, 这样就实现了Ne 原子的4s 、5s 能态相对于3P、4P 能态的粒子数反转2。处在下能级E1的原子数N1小于处于上能级的E2的原子数N2，即N2N1为粒子反转状态，当N2-N1越大，激光器的增益越大。由于激光在传输过程中存在损耗，要使激光器持续出光，成为相干光源，必须满足N2N1， （）激光器环路的增益曲线图如图所示。图 1 激光器环路增益曲线图为激光器的环路增益曲线，其中v0为增益曲线中心频率，对应的GmA为增益曲线的极大值。A和B分别是可发光区域的频率下限和上限。激光器输出的光强与 成正比：I=IGG-1.式中IG为最大光强，即增益减损耗与激光器的实际输出光强I成正比关系。光强控制回路输出电压为高频激励源的强度控制信号，实时控制高频激励信号，就能实现对激光器内He-Ne介质中反转粒子数的控制，进而实现增益控制以及光强控制1。图 2 He - Ne激光器能级图31.2 固定频率光波的选取由于多光束干涉效应, 插入F-P 标准具后, 谐振腔内具有与频率有关的选择性损耗。由干涉光强公式： IT=1-R21-R2+4Rsin2 , =4nh图 3 在R等于0。5时光强与最大透射光强的比值随的变化图 图 4 F-P标准具透射率T随频率的变化曲线图由图可得在满足一定条件，即2nh=m ，m=1,2,3,时光能几乎无损地透过标准具在腔内往返传播, 因而具有较小的的损耗。其它频率的光因通过标准具时干涉相消承受了很大的损耗故不能存在。如果把F-P 标准具内置于激光器的谐振腔中, 对于激光的频率选择就可以起到两层筛子的作用( 一层为谐振腔, 一层为F- P 标准具) , 从而在激光器中挑选出所需要的出射波长。图2 说明了内置了F-P 标准具对633 nm He-Ne 激光器内强线( 632.8 nm) 和弱线( 629.4 nm) 的选择性损耗。在n = 1.4572, 0=629. 4nm的情况下标准具长h满足: h=N+1202ncos采用一种内置F-P 标准具选择激光器内相邻谱线的方法,克服了原先激光器内选线方法的不足。通过选择合适的标准具长和反射率,使相邻谱线具有不同的损耗, 从而达到抑制强线增益,使弱线起振出光的目的4。 图 5 高斯光束斜入射F-P标准具示意图3 He-Ne激光器的应用3.1 激光准直可以用来确定某一目标的位置，纵施工设备，瞄准另一激光器或光学仪器。在建筑工业中，用激光准直设备确定管道铺设的直线度，扫描激光束还可作为水平参考面，使天花板、地面，墙444壁保持平直。在材料加工工业中，He-Ne激光还可用来校准高功率激光器，用于焊接，钻孔和切割的定位，还可用来准直红外激光器和非可见光系统中的光学元件。 激光准直的最基本原理就是光的直线传播原理。一般的激光准直系统都是采用扩速的方法来实现准直。通过准直扩束系统，能改变光束直径，以便用于不同的光学仪器设备。激光器输出方向性极好的细激光束，激光的基模是高斯光束，有着0.28mard极小发散角；但更小的发散角，能够使高斯光束聚焦得更好。在精密测量中，还需采取办法进一步提高其准直性。因此，激光器输出的高斯光束，需要实现准直和扩束，进一步压缩发散角和扩大光斑尺寸。对于激光加工来说，只有通过扩束准直系统的调节，使激光光束变为准直平行光束，才能利用聚焦镜获得细小、功率密度高的光斑；同时，准直扩束配合空间滤光片使用，则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。3.2激光测距激光测距仪通过测量参考光束和待测距离处后向反射光束之间的位相差，从而计算出距离，最大可达60公里。分辨率可达1O米以下，用微处理机进行计算，精度5毫米。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在+/-1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。D=Ct2式中：D测站点A、B两点间距离；c光在大气中传播的速度；t光往返A、B一次所需的时间。由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。相位式激光测距仪相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，如图所示。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。若调制光角频率为w，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t可表示为：t=w 将此关系代入（3-6）式距离D可表示为D=C4fN+N式中：信号往返测线一次产生的总的相位延迟。w调制信号的角频率，=2fU单位长度，数值等于1/4调制波长N测线所包含调制半波长个数。信号往返测线一次产生相位延迟不足部分。在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4f)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使的测量达到很高的精度。3.3 He-Ne激光悬浮粒子计数器用He-Ne激光制成的悬浮粒子计数器可以按浓度计数全部粒子，用来监测房间的清洁度。让He-Ne激光穿过夹在两块显微镜玻片之间的血滴，通过衍射条纹可以算出血细胞的直径。3.4 He-Ne激光椭圆测量仪测定薄膜的厚度He-Ne激光椭圆测量仪被用来测定薄膜的厚度。首先测出由薄膜表面反射的椭圆偏振光偏振面的旋转，由于偏振面的旋转角度是薄膜厚度的函数，通过计算机数据处理，可以得出薄膜的厚度。测量范围为l -30000埃（3微米）。3.5 He-Ne激光干涉波长计He-Ne激光用于干涉波长计，可测定未知激光的波长。这种波长计实际上是可动端面反射镜的迈克尔逊干涉仪。以HeNe激光为光源的泰曼-格林干涉仪，可以给出表面平度的测量，使用He-Ne激光的菲佐结构干涉仪可用来测量表面轮廓以及平直表面，球形表面和非球表面的不规则性。马赫一陈德尔型He-Ne干涉仪是一种高分辨率干涉系统，用于估价光学表面的特性，其分辨率为5。1毫微米。3.6 He-Ne激光在干涉测量术由于He-Ne激光能提供稳定而单色的相干可见光源，因此He-Ne激光在干涉测量术中的应用是多种多样的。把同一个光源发出的向一个公共点或公共平面走过不同光程的两束光进行位相比较，在某些应用中，可把这种位相差转换成波长或距离的测最。在另外一些应用中，把由于待测表面引起的位相差而在屏幕上形成的干涉图样和平华滑标准面形成的图样作比较，从而可确定受检表面的不规则程度。4 结 论用原子能级的方法分析了如何使气体原子产生受激辐射，用光的干涉分析了透射光强与振腔长度的关系。用激光为高纯度单色光的性质具体分析了激光在测量方面的应用。参考文献：1Jia Huixia,Zhang Yingmin,Zhang Qiong,etal.Study on a Light-Intensity Control System of Total Reflection Prism Laser Gyros J. ACTA OPTICA SINICA,2014, 34(8):1 贾惠霞,张英敏,张琼,等. 一种棱镜式激光陀螺光强控制系统研究J. 光学学报,2014, 2014, 34(8):12Fan Wei,Fu Kede.He-Ne laser J.China Academic Journal Elecironic Publishing House,1995, 69(3):120范薇,付克得.氦氖激光器J.中国电子学术期刊出版室,1995, 69(3):120 3Jiang Lingling,Sui Chenghua.The search of a new type of gas laser instrumentJ. China Academic Journal Elecironic Publishing House,2005, 23 (5):588姜玲玲 ,隋成华. 一种新型气体激光实验仪