氦氖激光器电源设计报告

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1、通信与信息工程学院激光器件与应用课程设计班级：电子科学与技术姓名：学号：1207060221指导教师：设计时间：2016.1.4-2016.1.15成绩：评语：通信与信息工程学院二〇一六年氦氖激光器电源设计1实验目的1)熟悉激光器的基本原理和组成；2)掌握氦氖激光器工作原理；3)掌握气体激光器对电源的要求；4)学会气体激光器电源的设计和制作方法；5)完成3mW氦氖激光器放电电源的制作与调试。2实验仪器设备He-Ne激光器、万用表、线路板、1N4007型二极管、0.022µF瓷片容器10uF电解电容、1MΩ电阻、44KΩ10W碳膜电阻。3氦氖激光器的工作原理3.1氦氖激光器的基本组成1)放

2、电管放电管由放电毛细管和贮气管构成，其中毛细管处于增益介质工作区，是决定激光器输出性能的关键组成部分，之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结构决定的。贮气管与毛细管相连，且毛细管的一端有隔板，这是为了保证放电管的工作物质总量，使毛细管内的气体得到不断的更新，减缓了放电时毛细管内的杂质气体的增加和氦氖气压比的变化速率，延长了器件寿命。普通的氦氖激光器放电管一般用GG17硬质玻璃制成，而高稳定性器件常采用热胀洗漱更小的适应玻璃制成。2)电极电极有阳极和阴极，阴极多采用冷阴极方式，冷阴极材料多采用阴极溅射效应小，电子发射率高的铝和铝合金制成。为了进一步增加电子发射截面和降低溅射效应，阴极常制成

3、圆筒状，并有尽可能大的尺寸；阳极一般用钨针制成。一般氦氖激光器多采用直流放电激励，处于正常辉光放电区域，属于高电压、低电流自持放电，起辉电压约为8kV/m，放电电流在几毫安到几百毫安范围内，作为增益区域的毛细管几乎整体处在正柱区中。3)光学谐振腔光学谐振腔有一对镀有多层高反射率介质膜的反射镜组成，一般采用平凹腔形式，平面镜为输出镜，透过率约为1%~2%，凹面镜为全反射镜，反射率接近100%。通常根据谐振腔的结构不同分为内腔式氦氖激光器、外腔式氦氖激光器、半内腔式氦氖激光器、旁轴式氦氖激光器和单毛细管式氦氖激光器。3.2氦氖激光器的最佳放电条件放电条件包括放电电流，充气气压，充气混合比等。

4、这三者均与放电管直径有着密切关系。对应一个确定的充气气压，存在一个与最大输出功率对应的放电电流。充气气压增大，最佳放电电流减小。放电电流的变化主要是改变电子密度，对输出功率的影响具体分析。在最佳充气条件下，对应着最大输出功率的放电电流成为最佳放电电流。在充气混合比一定时，每个充气气压存在一个最佳放电电流，最佳放电电流随总气压的升高而降低，还与放电管直径有关，随放电管直径增大而增大。3.3粒子数反转分布的建立过程氦氖激光器的粒子数反转分布的建立过程取决于能级结构。氦氖激光跃迁属于典型的四能级系统。泵浦能级为氦原子的亚稳态、，激光上能级为氖原子的、，激光下能级为和，均为激发态。理论和实验表明

5、：采用直流放电激励的氦氖激光器，其放电毛细管增益区处在正常辉光放电的正柱区，正柱区为等离子体。氦氖激光器实现粒子数反转分布主要依靠电子碰撞激发和氦氖原子间的共振激发能量转移过程，实现激光上能级的激发，以及对激光下能级的消激发过程。3.3.1激光上能级、的激发1）电子碰撞激发以适当能量的电子与基态氖原子碰撞，使其激发到2s、3s态。反应方程为（3-1）除此以外，处在正柱区的电子对1s、2p和3p能级也有激发，而且对1s、2p能级的激发几率大于对2s、3s态的激发几率，因此，单靠电子碰撞激发是不能实现粒子数反转分布的。常称这些不能按人们意愿控制的激发为非选择性激发。2）共振激发能量转移激发以

6、适当能量的电子与基态氦原子碰撞，使其激发到亚稳态2¹S。2³S1，反应方程为（3-2）这要求快电子具有能量分别为20.55eV、19.77eV，相应电子温度高达，比工作气体温度高。一般来说，亚稳态氦原子经过共振激发能量转移过程对基态氖原子的选择性激发，比电子碰撞激发的几率要大。3.3.2激光下能级的消激发激光下能级的激发主要是电子碰撞，使基态氖原子跃迁到激发态和，其反应方程为：（3-3）从激发态2P和3p向低能级的跃迁过程称为消激发，主要是以自发辐射的形式首先跃迁到1s态，弛豫速率很快，因此1s能级上的氖原子数将出现堆积。把这种低能级粒子数出现阻塞的现象称为瓶颈效应。为了提高粒子数翻转分

7、布的绝对值，关键是排空1s能级的粒子。有效的方法时选择低气压，细放电管直径的结构。4.氦氖激光器对电源的要求4.1气体放电的基本原理气体激光器的激励方式一般是采用气体放电。在平常情况下气态物质是绝缘体，当加上电压时，气体中产生的电流很微弱，但当电压升高至一定值时电流会突然增大，同时电极间电压突然减小，气体从绝缘体迅速转变为导体,这叫做气体的击穿或“着火”。按照气体导电的伏安特性曲线来划分，击穿后气体导电还可分为正常辉光放电和反常辉光