单模非均匀加宽氦氖激光器

2013年1月6日 激光原理论文

激光原理论文 [单模非均匀加宽氦氖激光器] 专业： [10应用物理] 学生姓名： [xxx] 学 号：xxxxxxxx 1 页 全14页 第

2013年1月6日 激光原理论文

单模非均匀加宽氦氖激光器

姓名：xxx 专业：应用物理 学号：xxxxxxx

【摘要】本文从激光的起源开始介绍，讨论了受激辐射理论，激光器的产生和发展过程。又分别讨论了氦氖激光器，实现单模的方法，以及非均匀加宽产生的机理。最后讨论了单模非均匀加宽氦氖激光器。探讨了单模非均匀加宽氦氖激光器的性能。

【关键字】 受激辐射 氦氖激光器 非均匀加宽 单模 单模非均匀加宽氦氖激光器

1、激光的起源

“激光”一词是“LASER”的意译。在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用。

1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；

1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。

1960年5月，休斯实验室的梅曼和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。1960年这种新光源一一激光器诞生时，犹如一声春雷震动了世界各国的科学领域，并很快走出实验室而获得了广泛的应用。现在，激光已进入世界各国科学技术的最前列，渗透到国民经济各部门，参与了日常生活的各方面。 激光产生的机理

1916年爱因斯坦首次提出受激发射理论的论文——《关于辐射的量子理论》爱因斯坦在论文中提出基本假设:分子可以处于一系列互不连续状态

2 页 全14页 第

2013年1月6日 激光原理论文

这些状态对应的能量

气体，那末单位时间内出现状态公式

次爱因斯坦又提出下列假设: 1)自发发射。一个分子可以从状态射能

的次数

如果分子是温度为T的

可由统计力学关于正则状态分布的

得出。式中Pn表示这个状态的统计“权重”。其

跃迁到较低状态

发出频率为ν的辐

而不用外界因素激发。这种跃迁在时间间隔dt内发生的几率为

(1)

2)受激吸收和受激发射。在具有频率ν的单色辐射能密度作用下，一个分子可以从状态的几率为

跃迁到

。在这过程中分子吸收能量

dt时间内发生

(2)

在同一辐射能作用下，分子从状态中，分子的能量

跃迁到也同样是可能的。在这过程

被释放出来。根据几率定律

（3）

在每一单位时间内(2)类基元过程的平均发生次数应该等于(1)和(3)两类次数之和。因此，

(5)

移项得

(6)

（7）

便可得出普朗克公式。公式(7)表示受激吸收、受激发射和自发发射系数的关系。

2、激光器的诞生和发展

1960年7月，在美国加利福尼亚州休斯飞机公司研究实验室工作的科孚家

3 页 全14页 第

2013年1月6日 激光原理论文

梅填汉斯，首一先发明了历史上第一合激光器~红宝石(Ruby)固体脉冲激光器。他用了一块边一长约1厘米的人造红宝石，把它相对的两面镀上银。当晶体放在一架闪光灯(灯光被长为5500埃)下照射时，使能级实现粒子数反转，晶体便产生了一种波长为6943埃的脉冲辐射。这是一种恰好在可见光内的深红色激光。

3、氦氖激光器

氦一氖激光器是具有连续输出特性的气体激光器，尽管它的输出功率不大(一般为毫瓦级，最大的也只有近百毫瓦)，但由于它的结构简单、操作方便、造价低廉，并且输出可见激光—红光。因此它在精密测量、准直、导向和全息照相等方面得到广泛的应用。

He-Ne激光器的激活介质是Ne原子，He的作用是起辅助泵浦作用，因为He的某些亚稳能级与Ne的能级共振，可以极为有效地以共振能量转移来抽运Ne的某些能级以卖现粒子数反转.由于技术的成熟，Hc一Ne激光的输出谱线和输出功率都有了很大的改进。目前He-Ne激光器可以输出从可见到红外许多条谱线，功率也从零点几毫瓦提高到几百毫瓦.He-Ne激光器的光束质量在迄今所有激光器中名列榜首，被认为是当今频率最稳定，单色性，相干性最好的激光器。 图3是氦原子和氖原子的能级图。氖原子的受激跃迁产生激光，不同能级的受激跃迁产生不同波长的激光，主要的有6328埃、1.15微米和3.39微米我们已经知道，在正常情况下，一个原子(或分子)体系中绝大部分的原子处于能量最低的基态，只有少数原子处于能量较高的激发态。而且，能级的能量愈大，处于这个

4 页 全14页 第

2013年1月6日 激光原理论文

能级上的粒子数也愈少。但当外界以一定方式将处于基态的粒子抽运至上能级，并形成上能级的粒子数N2大于下能级的粒子数N1时，这体系就具有光放大的条件了。

下面我们就6328埃激光的产生过程来阐述氦一氖激光器的工作原理。

在

的受激跃迁中，上能级是

下能级是

在通常情况

下，3S的粒子数N2少于2P的粒子数N1，但由于处于3S态的氖原子的寿命(秒)比处于2P态的寿命(

秒)长，这就有利于上能级积累粒子而实现粒子数

反转。这是氖原子能够发射激光的内在原因。但还必须改变正常的粒子数分布，使

较多的粒子从基态“抽运”到上能级3S上去，而不增加2P上的粒子数，氦一氖激光器中的氦正是起了这样的作用。

氦有两个亚稳态能级

和

它们的寿命分别为

。在

气体放电管中，在电场中加速而获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发至

或

。这两能级的长寿命使它容易积累粒子，因而在放电管中这

两个能级上的氦原子数是比较多的，这些氦原子的能量又分别与处于3S和2P状态的氖原子的能量相近，当处于

状态的氦原子与处于基态

的氖原子

碰撞时，氦原子的这部分能量很容易转移给氖原子，从而使基态的氖原子跃迁至3S能级，通常称这类碰撞为共振碰撞。在氦一氖管中，这是将氖原子从基态抽运至3S能级的主要过程，这一过程可用下式表示:

式中，e**为具有一定动能的电子，e*是丧失了一些动能的电子。在放电管中，上式的过程是不断进行的，以补给上能级粒子数的消耗。但仅仅这一过程还不足以维持连续振荡，因为在

受激跃迁而发射出6328埃激光的同时，将使

2P能级上的粒子数增多而破坏反转条件，此外，也会造成基态粒子数的减少而影响抽运。对氖原子来说，2P向1S跃迁的几率很大，并辐射出红橙色的光，困

5 页 全14页 第

2013年1月6日 激光原理论文

2、空间相干性

这里所讲的空间相干性，主要是指横向空间相干性，它与光源的方向性相联系。对于普通光源来说，它所发出的光分属众多的模式，只有在一定范围空间中的光子才是相干的。对于激光来说，只有属于同一个横模模式的光子才是空间相干的，不属于同一横模模式的光子则是不相干的二因此，激光的空间相干性由激光器的横模结构所决定。如果激光器是单横模，则它是完全空间相干的。单模非均匀加宽氦氖激光器是完全单横模这表明激光的方向性越好，它的空间相干性程度很高。激光的相干性有很多重要应用，如使用激光干涉仪进行检测，比普通干涉仪速度快、精度高。用激光作为全息照像的光源，也是利用它的相干性能好的特点。 参考文献

[1] 周炳坤，高以智等.激光原理[M].北京：国防工业出版社，2004. [2] 俞宽新，江铁良等. 激光原理与激光技术[M].北京： 北京工业大学出版社出版发行，1998.

[3] 陈敬全.梅曼和世界上第一台激光器[J].现代物理知识， 1994年01期

[4] 林武荣.激光发展的历史回顾和评述[J].杭州师范学院学报，1991年第6期 [5] 蓝钜信等.激光原理[M]. 科学出版社

页 全14页第 11

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7lex.html