氦同位素氦氖激光器性能研究分析

郑 奇

(湖北民族学院 理学院,湖北 恩施 445000)

He-Ne激光器作为最典型的惰性气体中性原子激光器，因其工作物质易于获得以及结构和激励方式简单，价格低廉首先实现了商业化大批量生产，加之其输出的是连续可见光，发散角度小于1mrad，光束质量上乘[1]，所以氦氖激光器大量应用于精密计量、方向导引、检测、准直、水下照明、信息处理及光学实验研究等.国内外在理论上和实际应用上做了大量关于氦氖激光器的研究工作，主要集中在三个方面：一是研究短波(即橙光、黄光和绿光)输出；二是关于放电管尺寸体积方面的研究工作；三是研究小尺寸大能量输出.

目前，由于固体、半导体激光器的全面竞争，氦氖激光器体积大，粒子密度低不容易实现大能量脉冲输出的缺点日益彰显，实际中已有发现，采用氦同位素气体替代氦气可明显提高氦氖激光器的输出功率，所以研究该问题具有很实际的意义.

现从He-Ne激光器的基本工作机理[2]出发，分别在同一激光谐振腔内注入同体积量的氦气和其同位素He3气体，分析特定条件下他们的增益和功率输出情况.

1 He-Ne激光器工作气体的能级及激光的产生

氦氖激光器中充有He、Ne两种混合惰性气体，产生激光的物质是Ne，He是提高激光器泵浦效率的辅助物质，He(He4)的原子序数Z=2，原子核内有2个质子和两个中子，其同位素He3原子核内只有1个中子.氦原子与激光有关的电子组态有1s2s的21s0、23s1和2P能级；Ne的原子序数为Z=10，与氦氖激光产生有关的Ne激发态有1s22s22p53s,1s22s22p53p,1s22s22p54s,1s22s22p55s等.其激光能级关系如图1 所示.

图1 He原子与Ne原子能级图Fig.1 Correlative energy-1evel of He and Ne atomic

四能级系统的氦氖激光器其要获得光的放大形成激光输出，粒子数反转分布应满足的阈值条件为：

(1)

式中R2、R3对为激光上下能级E3和E2的激发速率；g2和g3是这两能级的统计权重；τ2、τ3为粒子在相应能级的平均寿命；A32是自发辐射概率.对于632.8 nm谱线来说，其反转分布的阈值条件为R3>2/3R2，再通过相关抑制手段抑制其他增益大的谱线震荡，就可形成单一程度高的该谱线震荡；再由氦氖激光器放电电流与增益关系：

(2)

在氦氖激光器的设计制造中，通过实验确定式中系数K0、K1、K2、K3、K4大小，它们和激光器的谱线、激光器结构尺寸以及放电参数有关.

2 实验及数据分析

增益是决定激光器震荡条件、模式竞争和输出功率的重要特性[3]，常见的氦氖激光器一般采取电激励的方式，目前最高的效率也只有20%左右.激光器获得最大增益和激光输出，受多种因素影响，且这些因素相互影响[1,4]，在研究氦氖激光器增益的工作中，为获得增益量最大，要使激光器工作在最佳工作条件下，这包括：最佳放电电流、最佳气体混合比、最佳总压强以及放电管尺寸参数[5].

在实验中，分别对同尺寸半外腔式的同种激光器(放电管直径D=3.1 mm，腔长L=25 cm)腔内注入压强比He∶Ne=7∶1和He3∶He=7∶1的两种不同混合气体，PD值均取固定的226.61 Pa，通过改变放电电流来研究增益及输出功率情况.

图2 632.8 nm激光谱线增益曲线Fig.2 632.8 nm excitation spectra of gain curve

图3 632.8 nm激光输出功率曲线Fig.3 632.8 nm laser output power curve

结果显示在同等的条件下，如图2(a)、(b)比较说明随着放电电流的增大，虽然两种情况的工作气体均出现首先增益线性上升接着增益减缓然后达到饱和，但激光器内注入同位素气体H3比注入氦气(H4)时激光器增益大；而图3(a)、(b)比较，说明了采取氦同位素H3作为工作气体，激光器的输出功率明显增大.其原因可能是因为在本实验条件下，H3原子电离过程中激发截面和电离截面优于氦气(H4)[6-7].数据结果表明增益可增加20%以上，输出功率增加19%左右.

对于氦氖激光器输出功率来说，影响其功率输出的因素非常多.激励方式、放电电流大小、工作物质比、工作压强、放电管参数选择、功率稳定技术手段、激光器腔结构、激光器谐振腔反射镜性能等因素均对氦氖激光器的输出功率有很大影响，所以氦氖激光器的设计是一项综合复杂的工程，为了得到性能更好竞争力更强的产品(特别是追赶国外产品)，大量的研究工作还需要进一步去做.

3 结语

用氦同位素He3替代氦气(He4)作为氦氖激光器的工作物质，在同等条件下按照实验数据所绘制的曲线图，比较分析两种激光器的增益情况，得出结论为：增益可增加20%以上，输出功率增加19%左右.

同时，从实验过程和结论，以及对激光器深入分析思考，可以想象，本文仅从同等试验条件下对两种工作物质的激光器进行了研究，而大量的实践经验表明，在激光形成的过程中，没有一成不变的固定模式[8]，很多不为人知的特定条件下，存在的某些特定情况可能使激光性能有巨大的变化，这些地方需要科研工作者去发现.

[1] 周炳琨,高以智,陈倜嵘.激光原理[M].北京:国防工业出版社,2004:278-288.

[2] 李适民,黄维玲,激光器件原理与设计[M].北京:国防工业出版社,1998:32-47.

[3] 蓝信钜.激光技术[M].北京:科学技术出版社,2005:145-153.

[4] 伍剑,张帆,左鹏,等.增益开关半导体激光器最佳工作状态研究[J].中国激光,2003,30(1):12-16.

[5] 郭俊平.两类新型大功率氦氖激光器的研究[D].成都:四川大学,2004.

[6] Sasaki Akira,Ushimaru Shinji,Hayashi Takao.Simultaneous Output and Frequency-stabilization and Single-frequency Operation of Internal-mirror He-Ne Laser Controlling the Discharge current[J].Japanese Journal of Applied Physics,1984,23(5):593-599.

[7] 苏斌,高爱华,张炜,等.3391nmHe-Ne激光器稳定性研究[J].光子学报,2008，37(2):216-218.

[8] 王利强,张锦秋,彭月祥，等.双纵模稳频He-Ne激光器工作机理及误差分两类新型大析[J].光电工程,2008,35(4):103-108.