HeNe激光器的激发机理.pdfVIP

中南大学光电子技术基础

氦氖激光器原理

专业班级：微电子1301班

*名：***

杨文彬0803130104

指导教师：***

时间：2016年6月

HeNe激光器的简介

氦氖激光器是最典型的惰性气体原子激光器。它输出的是连续

光。最重要的谱线有632.8nm、1.15um、3.39um，近来又向短波方向

延伸，获得橙光（612nm，604nm）、黄光（594nm）和绿光（543nm）

等谱线。该种激光器的输出功率只有毫瓦级（最大到1W），但它们

的光束质量很好。发散角小（1mrad以下），接近衍射极限；单色性

好（带宽小于20Hz）；稳定性高（频率稳定最高达5x1015，频率重复

性为3x1014，功率稳定度小于2%）；加之输出光是可见光，适于

在精密计量、检测、准直、导向、水中照明、信息处理、医疗以及光

学研究等方面应用。

HeNe激光器的工作原理

1.HeNe激光器工作物质能级的特点

HeNe激光器是充有He、Ne混合气体的器件，其中Ne为产生激

光的物质，而He是提高其泵浦效率的辅助气体。

He为原子序Z=2的元素。基态时，它的两个核外电子都处于最

低能级（电子组态1s1s）,原子态为11S。当外界给He原子提供一定

0

能量后，一个电子留在最低态，而另一个电子则获得跃到较高能态（电

子组态1s2s，1s2p，1s3s），是He原子激发。其中与HeNe激光器

有关的是电子组态1s2s的21S、23S两能级（图1.2.1）。这两个能

01

级离基态最近，是与基态之间禁戒辐射跃迁的亚稳态能级，由于亚稳

态原子的寿命比其它能级的寿命-8要长，这为氖原子激发上能级积

10S

累粒子提供了有利的条件。

Ne为原子序Z=10的元素.

基态时，电子组态是

226，受激时，最外层

1S1S2P

的一个电子获能跃到最高

能态，其他电子仍然维持原

状态形成激发态。电子跃到

s轨道的组态都由四个原子

能级组成，而跃到p轨道的

组态皆由10个原子能级组

成。根据辐射选择原理，1S，

2S，3S能级中一些能级与

基态之间允许辐射跃迁，而

2P,3P能级是禁戒的，他们只能以辐射形式向较低的1s能级跃迁。

实验发现，Ne原子2S,3S能级和2P,3P能级之间可以产生上

百条谱线，然而想要输出激光，获得光的放大，就要在原子的两个特

定的能级间形成粒子数反转分布。对于四能级系统氦氖激光机来说，

满足的阈值条件为



g32g23A32

R()(1)R

32



g23g2

543.3nm谱线是氦氖激光器中波长最短的谱线，但是这种谱线比较难

实现粒子数的反转分布。若要获得弱谱线的输出，就必须抑制其他谱

线的振荡，尤其是增益大的谱线。

2.HeNe激光器的激发机理：

氦氖激光器是直流放电激励的器件，其增益区在辉光放电正柱区。利

10101012

用正柱区中浓度为（-）cm3的等离子体，使和He原子在

2S，3S和2P，3P能级间实现粒子数反转分布。下面我们从激光上,

下能级入手分析他们的激发和弛豫的过程。

激光上能级的激发

（1）电子直接碰撞激发