氦氖激光器教程

2023-02-16 09:08:13, 韵翔光电江阴韵翔光电技术有限公司

氦氖激光器教程

概述

氦氖激光器是一种小型气体激光器，具有广泛的工业和科研用途。这种激光器使用最多的是632.8 nm红光波长。Thorlabs的氦氖激光器提供从0.5到35 mW的稳定输出功率和基模高斯光束。根据所选的不同型号，输出光为线偏振或者随机偏振(非偏振)。

氦氖激光器的增益介质是以低压密封在玻璃管中的氦氖混合气体，混合比例从5:1到20:1。氦氖激光器的激发源是玻璃管两端的阳极和阴极的高压放电。如下图所示，激光腔的一端是一个平面高反镜，另一端是一个透过率约为1%的凹面输出耦合镜。氦氖激光器一般比较小，腔长范围约从15 cm到0.5 m。

光学谐振腔 (1)激光管，(2)腔内光束，(3)输出耦合镜，(4)输出光束

氦氖偏振

非偏振(随机偏振)光束

非偏振氦氖激光器输出的是快速波动的线偏振光，偏振方向变化只需要纳秒级时间。非偏振激光器是光路中没有偏振元件时的理想选择。随着使用时间变长，激光功率可能有大的波动。

偏振光束

偏振氦氖激光器输出稳定的线偏振光，所以非常适合偏振灵敏应用。

氦氖线宽

红光氦氖激光器在空气中的输出波长是632.816 nm，但是一般说632 nm或633 nm。波长增益曲线实际上包含因激光腔热膨胀和其它外部因素产生振荡的多个纵模。

氦氖激光器的线宽与应用有关。氦氖激光器轴向模式结构的表征参数包括模式数量、自由光谱范围(FSR)和多普勒宽度，请见下图。单个轴向模式的线宽通常很小(~kHz)，其决定因素主要是外部因素和测量时间尺度，而不是由基本激光参数。在大多数干涉应用中，最重要的参数是相干长度，它是由相距最远的轴向模式决定的。红光氦氖激光器的相干长度约为30 cm。

氦氖增益曲线

氦氖能级

氦氖激光器中的激发过程开始于放电电子与氦原子的碰撞。这样将把氦原子从基态激发到长寿命的亚稳态。然后，处于激发态的氦原子通过碰撞将氖原子从基态变成激发态。被激发的氖原子数量不断累积直至产生粒子数反转。不同能态之间的同步受激辐射产生632.82 nm和其它发射波长，请见右图所示。电子从这些激发态迅速衰减到基态。氦氖激光器的输出功率是受限的，因为氖原子的高能级会随电流变大而饱和，而低能级和电流呈线性关系。

使用合适的反射镜和腔长设计激光腔可以增强其它发射波长。红外跃迁包括3.39 µm和1.15 µm波长，可见光跃迁包括绿光(543.365 nm)、黄光(593.932 nm)、黄橙光(604.613 nm)和橙光(611.802 nm)波长。相比1.15 µm和3.39 µm等波长，氦氖激光器常用的632.8 nm波长输出的增益要低很多。

应用

计量学

洁净室监控设备

食品拣选

流式细胞仪

共聚焦显微镜

成像和医疗设备

透光度监测

对准

海上视觉引导系统

环境

为了达到优良激光性能必须重视环境因素。脏污环境可能污染光学元件，使输出功率低于预期水平。振动噪声较多的环境可能使输出光束不稳定。将氦氖激光器合理地安装在光学平台上可以减少环境振动的影响。如果激光器的环境温度不断波动，可能使输出功率产生较大变化。尽管氦氖激光器对背向反射不大敏感，但是进入激光器的后向反射太多也会引起不可预知的功率变化。使用自由空间隔离器可以减少或消除这些影响。这些氦氖激光器不适合需要单频或长相干长度的任何应用或实验。