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1、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
2、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。2He-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
3、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6.626×10-34J·s，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
4、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3P、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
5、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N2＞N1为粒子反转状态，当N2-N1越大，激光器的增益Ｇ越大。由于激光在传输过程中存在损耗γ，要使激光器持续出光，成为相干光源，必须满足N2＞N1， Ｇ＞γ．（１）激光器环路的增益曲线图如图１所示。图1激光器环路增益曲线图１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GmνA为增益曲线的极大值。νA和νB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Ｇ－γ成正比：
6、I=IGGγ-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2He-Ne激光器能级图[3]1.2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+4Rsinδ2,δ=4nπλh图3在R等于0。5时光强与最大透射光强的比值随δ的变化图图4F-P标准具透
7、射率T随频率ν的变化曲线图由图可得在δ满足一定条件，即2nh=mλ，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633nmHe-Ne激光器内强线(632.8nm)和弱线(629.4nm)的选择性损耗。在n=1.4572,λ0=6
8、29.4nm的情况下标准具长h满足:h=N+12λ02ncosδ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3He-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，
