鄭 奇

(湖北民族學(xué)院 理學(xué)院,湖北 恩施 445000)

He-Ne激光器作為最典型的惰性氣體中性原子激光器，因其工作物質(zhì)易于獲得以及結(jié)構(gòu)和激勵(lì)方式簡單，價(jià)格低廉首先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化大批量生產(chǎn)，加之其輸出的是連續(xù)可見光，發(fā)散角度小于1mrad，光束質(zhì)量上乘[1]，所以氦氖激光器大量應(yīng)用于精密計(jì)量、方向?qū)б?、檢測、準(zhǔn)直、水下照明、信息處理及光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等.國內(nèi)外在理論上和實(shí)際應(yīng)用上做了大量關(guān)于氦氖激光器的研究工作，主要集中在三個(gè)方面：一是研究短波(即橙光、黃光和綠光)輸出；二是關(guān)于放電管尺寸體積方面的研究工作；三是研究小尺寸大能量輸出.

目前，由于固體、半導(dǎo)體激光器的全面競爭，氦氖激光器體積大，粒子密度低不容易實(shí)現(xiàn)大能量脈沖輸出的缺點(diǎn)日益彰顯，實(shí)際中已有發(fā)現(xiàn)，采用氦同位素氣體替代氦氣可明顯提高氦氖激光器的輸出功率，所以研究該問題具有很實(shí)際的意義.

現(xiàn)從He-Ne激光器的基本工作機(jī)理[2]出發(fā)，分別在同一激光諧振腔內(nèi)注入同體積量的氦氣和其同位素He3氣體，分析特定條件下他們的增益和功率輸出情況.

1 He-Ne激光器工作氣體的能級(jí)及激光的產(chǎn)生

氦氖激光器中充有He、Ne兩種混合惰性氣體，產(chǎn)生激光的物質(zhì)是Ne，He是提高激光器泵浦效率的輔助物質(zhì)，He(He4)的原子序數(shù)Z=2，原子核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，其同位素He3原子核內(nèi)只有1個(gè)中子.氦原子與激光有關(guān)的電子組態(tài)有1s2s的21s0、23s1和2P能級(jí)；Ne的原子序數(shù)為Z=10，與氦氖激光產(chǎn)生有關(guān)的Ne激發(fā)態(tài)有1s22s22p53s,1s22s22p53p,1s22s22p54s,1s22s22p55s等.其激光能級(jí)關(guān)系如圖1 所示.

圖1 He原子與Ne原子能級(jí)圖Fig.1 Correlative energy-1evel of He and Ne atomic

四能級(jí)系統(tǒng)的氦氖激光器其要獲得光的放大形成激光輸出，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布應(yīng)滿足的閾值條件為：

(1)

式中R2、R3對為激光上下能級(jí)E3和E2的激發(fā)速率；g2和g3是這兩能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；τ2、τ3為粒子在相應(yīng)能級(jí)的平均壽命；A32是自發(fā)輻射概率.對于632.8 nm譜線來說，其反轉(zhuǎn)分布的閾值條件為R3>2/3R2，再通過相關(guān)抑制手段抑制其他增益大的譜線震蕩，就可形成單一程度高的該譜線震蕩；再由氦氖激光器放電電流與增益關(guān)系：

(2)

在氦氖激光器的設(shè)計(jì)制造中，通過實(shí)驗(yàn)確定式中系數(shù)K0、K1、K2、K3、K4大小，它們和激光器的譜線、激光器結(jié)構(gòu)尺寸以及放電參數(shù)有關(guān).

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

增益是決定激光器震蕩條件、模式競爭和輸出功率的重要特性[3]，常見的氦氖激光器一般采取電激勵(lì)的方式，目前最高的效率也只有20%左右.激光器獲得最大增益和激光輸出，受多種因素影響，且這些因素相互影響[1,4]，在研究氦氖激光器增益的工作中，為獲得增益量最大，要使激光器工作在最佳工作條件下，這包括：最佳放電電流、最佳氣體混合比、最佳總壓強(qiáng)以及放電管尺寸參數(shù)[5].

在實(shí)驗(yàn)中，分別對同尺寸半外腔式的同種激光器(放電管直徑D=3.1 mm，腔長L=25 cm)腔內(nèi)注入壓強(qiáng)比He∶Ne=7∶1和He3∶He=7∶1的兩種不同混合氣體，PD值均取固定的226.61 Pa，通過改變放電電流來研究增益及輸出功率情況.

圖2 632.8 nm激光譜線增益曲線Fig.2 632.8 nm excitation spectra of gain curve

圖3 632.8 nm激光輸出功率曲線Fig.3 632.8 nm laser output power curve

結(jié)果顯示在同等的條件下，如圖2(a)、(b)比較說明隨著放電電流的增大，雖然兩種情況的工作氣體均出現(xiàn)首先增益線性上升接著增益減緩然后達(dá)到飽和，但激光器內(nèi)注入同位素氣體H3比注入氦氣(H4)時(shí)激光器增益大；而圖3(a)、(b)比較，說明了采取氦同位素H3作為工作氣體，激光器的輸出功率明顯增大.其原因可能是因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)條件下，H3原子電離過程中激發(fā)截面和電離截面優(yōu)于氦氣(H4)[6-7].數(shù)據(jù)結(jié)果表明增益可增加20%以上，輸出功率增加19%左右.

對于氦氖激光器輸出功率來說，影響其功率輸出的因素非常多.激勵(lì)方式、放電電流大小、工作物質(zhì)比、工作壓強(qiáng)、放電管參數(shù)選擇、功率穩(wěn)定技術(shù)手段、激光器腔結(jié)構(gòu)、激光器諧振腔反射鏡性能等因素均對氦氖激光器的輸出功率有很大影響，所以氦氖激光器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合復(fù)雜的工程，為了得到性能更好競爭力更強(qiáng)的產(chǎn)品(特別是追趕國外產(chǎn)品)，大量的研究工作還需要進(jìn)一步去做.

3 結(jié)語

用氦同位素He3替代氦氣(He4)作為氦氖激光器的工作物質(zhì)，在同等條件下按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的曲線圖，比較分析兩種激光器的增益情況，得出結(jié)論為：增益可增加20%以上，輸出功率增加19%左右.

同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論，以及對激光器深入分析思考，可以想象，本文僅從同等試驗(yàn)條件下對兩種工作物質(zhì)的激光器進(jìn)行了研究，而大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在激光形成的過程中，沒有一成不變的固定模式[8]，很多不為人知的特定條件下，存在的某些特定情況可能使激光性能有巨大的變化，這些地方需要科研工作者去發(fā)現(xiàn).

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