激光物理小论文

### 激光物理小论文知识点详述 #### 一、氦-氖(He-Ne)激光器简介 氦-氖激光器是一种重要的气体激光器，首次被发明于1960年。这类激光器能够在可见光区域以及红外区域产生多种波长的激光谱线，最常见的是产生632.8纳米的红光以及1.15微米和3.39微米的红外光。最大连续输出功率可达1瓦特，平均寿命超过1万小时。通过调节放大电流，功率稳定性可在30秒内达到0.005%的误差，在10分钟内达到0.015%的误差。此外，氦氖激光器的发散角极小，仅为0.5毫弧度。 氦氖激光器与其他气体激光器相比，具有以下优点： - **方向性好**：激光束聚焦后几乎呈直线传播。 - **单色性好**：输出光波长非常一致。 - **相干性强**：光波相位稳定，适用于干涉实验等场合。 - **结构简单**：易于制造和维护。 - **寿命长**：正常使用情况下寿命较长。 - **价格低廉**：成本较低，性价比高。 - **频率稳定**：输出频率波动小，适合精密测量。 #### 二、氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理 1. **气体放电**：氦氖激光器内部装有特定比例的氦气和氖气。当施加高电压和电流时，放电管中的电子会从负极向正极高速移动，从而与氦原子发生碰撞。 2. **能量传递**：电子的能量传递给氦原子，使氦原子激发到较高能级。 3. **能级跃迁**：被激发的氦原子与基态氖原子碰撞，能量传递给氖原子，导致氖原子跃迁至激发态。 4. **受激辐射**：在粒子数反转条件下，氖原子发生受激辐射，产生激光输出。常见的输出波长包括3.39微米、632.8纳米和1.53微米。 #### 三、He-Ne激光器结构及谐振腔 ##### 结构概述 氦氖激光器通常由**激光管**和**激光电源**两部分组成，其中激光管又包含**放电管**、**电极**和**光学谐振腔**三个主要组件。 - **放电管**：放电管是激光产生的核心部分，由毛细管和贮气室构成。毛细管内部填充特定比例的氦气和氖气，施加高压后产生气体放电。 - **电极**：电极为放电提供必要的电流，阳极通常采用钨制成，阴极则采用铝及其合金材料，以提高电子发射率并减少溅射。 - **光学谐振腔**：由平面镜（作为输出端）和凹面镜（作为全反射镜）组成。平面镜的透过率约为1%-2%，凹面镜则为全反射。 ##### 谐振腔类型 根据谐振腔与放电管的放置方式，可以分为**内腔式**、**外腔式**和**半内腔式**。 - **内腔式**：谐振腔的两个反射镜固定在放电管的两端，优点在于无需调整，使用方便，但缺点是放电管受热变形可能导致损耗增加，难以更换反射镜。 - **外腔式**：反射镜与放电管分离，可以增加储气量，溅射物质不易污染窗片，提高了寿命和稳定性，但需要定期调整反射镜位置。 - **半内腔式**：结合了内腔式和外腔式的优点，具体实现方式根据设计有所不同。 #### 四、氦和氖原子的能级图 氦和氖原子的能级图是理解氦氖激光器工作机理的关键。He原子有两个电子，在未激发状态下都位于1S0壳层上，处于基态。当He原子受到激发时，一个电子会从1S跃迁至2S，He原子进入激发态。He原子有两个亚稳态能级，记为2。这些亚稳态能级对于提高Ne原子的泵浦速率至关重要。 Ne原子同样具有多个能级，其中包括两个重要的能级用于产生激光跃迁。在He-Ne激光器中，He原子的作用是促进Ne原子的激发过程，从而产生激光输出。 通过上述分析，我们可以看出氦氖激光器不仅在理论上有深入的研究价值，在实际应用中也有着广泛的应用前景，尤其是在精密测量、医疗诊断等领域展现出巨大的潜力。