单模非均匀加宽He氖激光器

1、单模非均匀加宽He-Ne激光器姓名：靳雪琦专业：应用物理学号：B31014061 目 录前言3一、 单纵模的选择3I 横膜的选择4II 纵模的选择5二、 非均匀加宽单模激光器9三、He-Ne激光器121、激励机制122.谱线竞争14 3.放电参数对输出功率的影响14前 言 自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器和激光放大器的发展非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。激励方式有光激励、电激励、热激励、化学激励和核激励等多种方式。 各类激光器和激光放大器的工作原理、特性以及改善激光器的各种技术均有所不同，本文只要介绍的是单模非均匀加宽He-

2、Ne激光器。1、 单纵模的选择 激光的优点在于它的良好的方向性、单色性和相干性。理想激光器的输出光束应只具有一个模式，然而若不采取选模措施，多数的激光器的工作状态往往是多模的。含有高阶横膜的激光束光强分布不均匀，光束发散角较大。含有多纵模及多横膜的激光束单色性及相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中的远程测距等应用均需要基横模激光束。而在精密干涉计量、光通讯及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时还要求光束仅含有一个纵模。下面我来介绍一下激光器模式的选择。 I 横膜的选择谐振腔中不同横模具有不同的耗损是横模选择的物理基础。在稳定腔中，基膜的衍射耗损最低，随着横模阶次的

3、增高，衍射耗损将迅速增加。激光器以模单模运转的充分条件是：模的单程增益至少应能补偿他在光腔中的单程损耗，即应有 而耗损高于基膜的相邻横模（如TEP10模），却应同时满足 式中，和分别为工作物质中模和模的小信号增益系数；和分别是二模式的单程衍射损耗。在各个横模的增益大体相同的条件下，不同的横模间的衍射耗损的差别就是进行横模选择的根据。因此，必须尽量增大高阶横模与基膜的衍射耗损比，/越大，则横模鉴别力越高。同时还应使衍射耗损在总好孙中占有足够的比例。衍射耗损的大小及模鉴别能力的高低与谐振腔的腔型和菲涅尔数有关。图1和图2中的实现是对各种对称腔和平凹腔的/随菲尼尔数变化的曲线，虚线表示模的等耗损线。

4、由图可知，衍射耗损随菲涅尔数的增大不断减少，横鉴别能力却随之提高。共焦腔和半共焦腔的/最大，平面腔与共心腔的/最小。但另一方面，当N不太小时，共焦腔和半共焦腔的衍射耗损很低。与其他耗损相比，往往可以忽略，因而无法利用他的模鉴别能力高的有点进行选模。此外，共焦腔及半共焦腔基膜体积甚小，因而其单模震荡功率也低。平面腔和共心腔虽然模式鉴别能力第，按由于衍射耗损的绝对值较大，反而容易利用模式间的耗损差实现横模选择。而且他们的模体积较大，可获得高功率单模震荡。图1图2下面简单介绍击中实现横模选择的具体方法1. 小孔光栅选模 在谐振腔内设置小孔光栅或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的菲涅尔数，增加衍射耗损

5、，使其满足式与式，从而是激光器实现基横模运行。这一方法的实质是是光斑尺寸较小的基膜无阻挡的通过小孔光栅，而光斑尺寸较大的高阶横模却收到阻拦而遭受较大的耗损。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不同，所以小孔光阑的大小因其位置而异，如图3所示。 为了扩大及横模体积，充分的利用激光工作物质。常采用聚焦光阑法选模，如图4所示。 图3 图42. 谐振腔参数g、N选择法 适当的选择谐振腔的类型和腔参数g、N值，是谐振腔的衍射耗损满足式和式，可使激光器输出基横模激光束。3. 非稳腔选模 非稳腔是高损耗腔，不同的横模的耗损有很大的差异。近年来，利用非稳腔在高增益激光器中选择横模的方法被广泛采用。4. 微调谐振腔

6、 对于平面腔，当腔镜倾斜是基膜损耗增加最显著，腔的偏调有利于高阶模的优先震荡。对于稳定腔，由于机模体积最小而高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模耗损显著增大，基膜手大的影响较小，因而仍可继续维持震荡。这样，适当的将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。II 纵模的选择 1.短腔法 缩短谐振腔的长度，可真大相邻纵模的间隔，以致在小信号增益曲线满足震荡阈值条件的有效宽度内，只存在一个纵模，从而实现单纵模震荡。短腔选模条件可表达为 式中，为由条件决定的震荡带宽。这一方法适用于荧光谱线较窄的激光器。2. 行波腔法 在均匀加宽工作物质组成的激光器中，虽然增益饱和过程中的模竞争效应有助于形成单纵模震荡，但由

7、于驻波腔中空间烧孔的存在，当激励够强时，激光器仍然出现多纵模振荡。若采用环形腔，并在腔内插入一个只允许单向光通过的隔离器，如图5所示，则可形成无空降烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。3. 选择性耗损法 若在腔内插入标准具或构成组合腔，则由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性耗损，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的振荡则被抑制。 图5 图6 图6为腔内插入发布里-珀罗标准具的激光器。由于多光束干涉，只有某些特定频率的光能够头冠标准具在腔内往返传播，因而具有较小的损耗。其他频率的光不能透过标准具而具有很大的损耗。由物理光学克制，标准具透射峰对应的频率为 图7式中，j为正整数；为标准具二镜 间

8、的折射率；d为标准具的长度；为标准具内光线与法线的夹角。相邻投射率峰的频率间隔（如图7）为 投射谱线宽度 式中，r为标准具二面镜的反射率。若调整角，使=（为第q个纵模的频率），且有 则可获得单纵模输出。有式至式可求出所需标准具d及镜面反射率r，若调整角，使对准靠近增益曲线中心的频率的纵模频率，则式所式条件上可放宽。2、 非均匀加宽单模激光器 和均匀加宽激光器不同的是，对于有多普勒非均匀加宽物质组成的激光器，当振荡模频率时，和两束光在增益曲线上分别烧两个孔。对每一个孔气饱和作用的分别是和，而不是两者的和。因此震荡模的增益系数为 式中，。激光器稳定工作时 由式和式解得 单模（）输出功率为 当时，和

9、同时在增益曲线上中心频率出烧一个孔，烧孔深度取决于腔内平均光强 稳定工作时振荡模的增益系数为 由此可求出腔内平均光强为 11输出功率为 12与式相比式12多了一个1/2因子，由此可见时输出功率下降。图8为单模输出功率P和单模频率的关系曲线。在处，曲线有一凹陷，成为兰姆凹陷。可利用图8定性解释兰姆凹陷的成因。 图8 当 时，输出功率p=0. 当时，激光振荡器将在增益曲线上的及=2处造成两个凹陷，也就是说，速度及速度的两部分粒子对频率的激光有贡献。激光功率正比于这两个凹陷面积之和。 当频率接近，且时两个烧孔部分重叠，烧孔面积的和小于时两个烧孔面积的和，因此。当时，两个烧孔完全重合，此时只有=0附近

10、的原子对激光有贡献。虽然它对应着最大的小信号增益，但由于对激光做贡献的反转集居数减少了，即烧孔面积减少了，所遇输出功率下降到某一极小值，关系曲线于出出现兰姆凹陷。由于两个烧孔在时开始重叠，所以兰姆凹陷的宽度大致等于烧孔的宽度，即 激光管的气压增高时，碰撞线宽增加，兰姆凹陷变宽、便签。当妻压高到一定程度，谱线加宽以均匀加宽为主时，拉姆凹陷消失。图10为不同气压下输出功率P随的变化曲线，图中。运用半经典理论，可以得出兰姆凹陷的定量关系。凹陷的深度和激发参量成正比，当小时兰姆凹陷变浅，当很小时，兰姆凹陷消失。三、He-Ne激光器 He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。在可见及红外波段可产生多条

11、激光谱线，其中最强的是632.8nm、1.15m和3.39m三条谱线。放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长（12）m的激光器输出功率科大数十瓦。由于它能输出幼稚的可连续运转可见光，而且具有结构简单、体积较小、价格低廉等有点，在准直、定位、全系照相、测量、精密计量、光盘刻录等方方面得到了广泛的应用。 1、激励机制 图11是内腔式He-Ne激光器示意图。阴极和阳极通过充有氦氖混合气的毛细管使Ne原子的某一或几对能级形成集居数反转。虽然混合气体中的He的含量数倍于Ne，但激光月前只发生与Ne原子的能级之间，辅助气体He的作用是提高泵浦效率。 图11 图12是Ne原子和He原

12、子能级示意图。632.8nm、1.15m以及3.39m激光谱线分别对应Ne的、的跃迁。下面以632.8nm激光威力说明其激励机制。 图12 在一定的放电条件下，阴极发射的电子向阳极运动并被电场加速，加快电子与基态He原子发生碰撞时将He原子激发到激发态而自身减速。是亚稳态，因而科技局大量的He原子。当激发态He原子和基态Ne原子发生非弹性碰撞时将Ne原子激发到能级。这一过程乘坐共振能量转移，可表示为 共振能量转移碰撞界面随时对应激发态能量的减少二级局增加。由于He原子的和Ne原子的能级非常接近，因而具有很大的共振能量转移截面。而激光跃迁的下能级上的Ne原子仅仅来源于电子碰撞激发和高能级的串级激

13、发，其寿命又比上能级的寿命低一个能级，所以在Ne原子的和能级间很容易建立起句句数反转状态并实现连续激光运转。 2.谱线竞争 He-Ne激光器的三条最强的激光谱线（632.8nm、1.15m、3.39m） 中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质模反射镜的波长选择。有图12可知，632.8nm和3.39m两条激光谱线具有相同的上能级，因此这两条谱线之间存在着强烈的竞争。由于增益系数与波长的三次方成正比，显然3.39m谱线的增益系数远大于632.8nm谱线。在较长的632.8nmHe-Ne激光器中，虽然介质模发射井对632.8nm波长的光具有较高的反射率，仍然会产生较强的3.39m波长的放大的自发辐射

14、或激光，浙江使上能级集居数减少，从而导致632.8nm激光功率的下降。为了获得较强的632.8nm激光输出，可采用一下方法抑制3.39m辐射产生：借助腔内棱镜色散使3.39m激光不能起振（如图13）；腔内插入对3.39m波长吸收的原件（如甲烷吸收盒）；借助周详非均匀磁场是3.39m谱线加宽，从而使其增益下降。3.放电参数对输出功率的影响 在He-Ne激光器中，不仅工作物质尺寸，谐振腔耗损和输出耦合会影响输出功率，方大电流及气体压强等放电参数也会影响工作物质的增益系数，从而影响输出功率。 He-Ne激光器的输出功率并不随着气体的放电电流的增加而单调的上升，其间存在某个使输出功率最大的最佳放电电流

15、。这是因为在放电管中，不仅存在激发过程，同时还不可避免的存在这消激发过程。Ne的激光跃迁上能级集居数密度正比于He的亚稳态(或)集居数密度。描述变化的速率方程可近似表示为式中，J为放电电流密度；等号邮编第一项对应于电子碰撞激发过程；第二相对应于与管壁碰撞及共振能量转移引起的消激发过程；第三项对应于电子与亚稳态原子碰撞使其回归基态的消激发过程；、为以上三种过程相应的常数，为基态He原子密度。在稳定情况下，由上式可得 当放电电流较小时，正比于J。随着放电电流的增加，及与其成正比的区域饱和。另一方面，从实验发现激光跃迁下能级的粒子密度正比与J。这是因为下能级粒子的激发（电子碰撞前引起的直接激发和级联

16、激发）速率和放电电流密度成正比，而消激励却主要通过的自发辐射，其速率与放电电流无关。上下能级的集居数随着放电电流密度的变化如图14所示。有图可见，当电流较小时，反转集居数密度随电流的增加而增加，在反转集居数打到最大值后，缺水电流的增加而减少。 图13 图14 He-Ne激光器的输出功率与重启压强p有关。若放电毛细管的直径为d。则存在一个使输出功率最大的pd值。He-Ne激光器的最佳pd值约为（4.85.3）pamm。产生这一现象的原因是：一方面压强的下降时电子与原子的碰撞减少，从而导致电子温度（平均动能）上升，激发速率升高，毛细管管径的减少则是电子和粒子的关闭符合家具，为了维持放电电流不变必须增加电场，由此造成的电子温度升高有利于激发。另一方面。Pd值过低又会因He、Ne原子数量过少而是输出功率减少。 He、Ne气的比例也会影响输出功率。产生激光的Ne原子比例过