氩离子激光器简介

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氩离子激光器

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第二节氩离子激光器

氩离子(Ar+)激光器是一种惰性气体离子激光器,是目前在可见光区域输出功率最高的一种连续工作的激光器。一般输出功率为几瓦或几十瓦,在可见光区域可发射多条振荡谱线,其中以波长5 14.5nm(绿色)和488nm(蓝色)的最强,是目前激光制版印刷的重要光源之一。

一、氩离子激光器结构和激发机理

1.氩离子激光器结构。氩离子激光器由放电管、磁场和谐振腔组成。其中最关键的部分是放电管。氩离子激光器放电管的核心是放电毛细管,由于氩离子激光器的工作电流密度高达数百安/平方厘米,放电毛细管的管壁温度往往在1000℃以上。因此需采用耐高温、导热性能好、气体清除速率低的材料制成,如采用石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。

高纯质密石墨是目前广泛使用的一种放电毛细管材料。由于石墨是良导体,为维持放电,石墨放电毛细管必须采用分段结构,段与段间彼此绝缘。图19-9是一种分段石墨片结构的氩离子激光器的结构示意图。其中,放电毛细管由分段石墨片组成,石墨片由两根直径约3.5mm的氧化铝陶瓷杆串起来,并用小石英环使其每片隔开,彼此绝缘。整个组合体置于水冷套的石英管内,两端分别为提供电子发射的阴极和收集电子的石墨阳极,阴极选用钡钨材料。此外,氩离子激光管内设有回气管,使放电管气压平衡,有助于激光输出。

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图19-9

1-石墨阳极 2-石墨片 3-石英环 4-水冷套 5-放电毛细管 6-阴极 7-

保热屏 8-加热灯丝

9-布氏窗 10-磁场 11-贮气瓶 12-电磁真空充气阈 13-镇气瓶 14-波纹

管 15-气压检测器

在石墨管氩离子激光器中,管内的气体清除效应引起管内气压降低,使输出降低。为了延长激光管的使用寿命,在激光管上常常配备有贮气和充气装置。

氩离子激光器的谐振腔由两个镀有多层介质膜的反射镜组成。全反端17层,反射率达99%以上,输出端镀5层,透射率12%(514.5nm),14%(488nm)。为了提高氩离子激光器输出功率和寿命,还需加上几百到一千高斯的轴向磁场。通常由套在放电管外面的螺管线圈产生。

2.氩离子激光器激发机理。图19-10是与产生Ar+激光有关的能级图。放电管中快速电子与中性Ar原子碰撞时,从Ar原子中打出一个电子使之电离,形成基态氩离子Ar+(3P5)此过程可表示为:

Ar(3P6)+e-→Ar+(3P44P)+e-

处于基态的Ar+再与电子碰撞可激发到高能态3d、4s、4d……形成氩离子的激发态,此过程可表示为:

Ar+(3P5)+e-→Ar+(3P44P)+e-

Ar+(3P5)+e-→Ar+(3P4ns)+e-

n=4,5……

Ar+(3P5)+e-→Ar+(3P4nd)+e-

n=3,4,5……

氩离子激光器的主要激光跃迁发生在氩离子的激发态3P44P和3P44S之间,3P44P是激光上能级,3P44S是激光下能级,属于激发态3P44S的能级有:双重态2P1/2、2P3/2;四重态24P1/2、4P3/2、4P5/2。属于激发态3P44P的能级有:双重态2S1/2;2P1/2、2P3/2、2D3/2、2D5/2。四重态4S3/2;4P1/2、4P3/2、4P5/2;4D3/2、4D5/2、4D7/2。

图19-10中氩离子激光器的几条主要激光波长的能级与跃迁图。

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图19-10

表19-1列出了氩离子激光器在可见光谱区的谱线和输出功率。

表19-1 氩离子激光的可见光光谱线

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注:表中所列功率是Spectro-phsics生产的165型氩离子激光器输出功率。

二、氩离子激光器工作特性

1.光谱特征。如前所述,氩离子激光器在可见光区可同时输出7.8条光谱线,其中514.5nm和488nm为最强,约占其总输出功率的30%-40%。腔内加上分光棱镜,经过调整可获得单一谱线的输出。腔内加F-P标准具,可以得到谱线宽度为3MHz的单频率激光输出。

2.输出功率与工作电流的关系。放电电流较小时,输出功率约和工作电流的四次方成正比。放电电流较大时,输出功率逐渐变为与工作电流平方成比例。

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图19-11

3.输出功率与气压的关系。放电管内的气压对输出功率P有直接影响,实验测得放电管中最佳气压和管径d有如下关系:

Pd=0.8-1.2Torr·mm

图19-11是实验测得输出功率与充气压强的关系曲线。

4.输出功率与轴向磁场的关系。轴向磁场对放电管中做径向运动的带电粒子,有一洛伦兹力的作用,增加了轴心附近的电子和离子的密度,有助于提高输出功率。实验证明,轴向磁场可提高输出功率1-2倍。但是轴向磁场又会使激光谱线展宽,引起输出功率下降,因此存在一个使输出功率最大的最佳磁场强度(见图19-12)。这个最佳值与放电电流、气压、管径和波长有关。

由于电子、离子趋向于放电管轴,减少对管避的冲击,减少电极的溅射,因而同时可提高器件寿命。

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