第十九章 印刷中常用的激光器

　　目前激光器的种类很多，如按激光器工作物质性质可分类为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器等；按其运转方式又可分类为连续输出激光器和脉冲输出激光器；通常也有按激励方式和输出波长分类的。本章仅就印刷中常用的激光器类型做一些介绍。

第一节 氦氖气体激光器

一、氦氖激光器结构和激发机理

　　1．氦氖激光器的结构。氦氖（He-Ne）激光器的结构一般由放电管和光学谐振腔所组成。图19－1是内腔式He-Ne激光器的结构示意图。激光管的中心是一根毛细玻璃管，称作放电管（直径为1mm左右）；外套为储气部分（直径约45mm）；A是钨棒，作为阳极；K是钼或铝制成的圆筒，作为阴极。壳的两端贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜，构成平凹谐振腔。两个镜版都镀以多层介质膜，一个是全反射镜，通常镀17层膜。交替地真空蒸氟化镁（MgF₂与硫化锌（ZnS）。另一镜作为输出镜，通常镀7层或9层膜（由最佳透过率决定）。毛细管内充入总气压约为2Torr（托）的He、Ne混合气体，其混合气压比为5：1－7：1左右。内腔管结构紧凑，使用方便，所以应用比较广泛。但有时为了特殊的需要也常选用全外腔式或半外腔式。图19－1为氦氖激光器结构图，(a)内腔式；(b)全外腔式；(c)半外腔式。

　　全外腔式的放电管和镜片是完全分离的，半外腔式是上两种形式的结合。



图19－1

　　外腔式和半外腔式都需要粘贴布儒斯特片，窗片法线与激光光轴有一夹角，应等于布儒斯特角θ：

　　θ=tg^-1n

　　K₈玻璃对632.8nm激光 n=1.5159；θ=56°35＇；熔融石英 n=1.46；θ=55°36＇。

　　因此，全外腔式和半外腔式激光器输出的光束是电矢量平行于入射面的线偏振光。]



图19－2

　　2．氦氖激光器激发机理。氦氖激光器中工作物质是氦气和氖气，其中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光，主要有632.8nm、1.15um和3.39um三个波长。

　　图19－2是氦(He)原子和氖(Ne)原子能级图。氦原子有两个亚稳态能级2¹S₀、2³S₁，它们的寿命分别为5×10^-6s和10^-4s，在气体放电管中，在电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发到2¹S₀、2³S₁，此两能级寿命长容易积累粒子。因而，在放电管中这两个能级上的氦原子数是比较多的。这些氦原子的能量又分别与处于3S和2S态的氖原子的能量相近。处于2¹S₀、2³S₁能级的氦原子与基态氖原子碰撞后，很容易将能量传递给氖原子，使它们从基态跃迁到3S和2S态，这一过程称能量共振转移。由于氖原子的2P、3P态能级寿命较短，这样氖原子在能级3S－3P、3S－2P、2S－2P间形成粒子数反转分布，从而发射出3.39um、632.8nm、1.5um三种波长的激光。

　　上述过程可表示为：

　　　　　　　　e^**+He(1¹S₀)→e^*+He^*(2¹S₀)

　　　　　　　　e^**+He(1¹S₀)→e^*+He^*(2³S₀)

　　　　　　　　He^*(2¹S₀)+Ne(2P⁶)→He(2¹S₀)+Ne^*(3S)

　　　　　　　　He^*(2³S₁)+Ne(2P⁶)→He(2¹S₀)+Ne^*(2S)

　　　　　　　　Ne^*(3S)→Ne^*(2P)产生波长为632.8nm的激光

　　　　　　　　Ne^*(3S)→Ne^*(3P)产生波长为3.39um的激光

　　　　　　　　Ne^*(2S)→Ne^*(2P)产生波长为1.15um的激光

　　从理论上讲，这三种波长的激光都有可能发射，但我们可以采取一些方法去抑制其中的两种，而使我们所需要的一种波长的激光得到输出。632.8nm（红光）因输出为可见波段的激光，实际应用较广泛。

二、氦氖激光器的输出功率

　　1．放电条件对输出功率的影响。激光器的输出功率是一个重要的参数，对于一个激光器必须选择适当的放电条件（气体总气压、气体配比以及放电电流等），才能获得最大的激光输出功率。

　　（1）对一个激光器，在一定的气体的配比下，输出功率随充气压变化有一个极大值。气压比较低时随气压增加输出功率增大，逐渐达到一个输出功率极大值，再增高气压，输出功率却下降，即存在一个最佳充气气压。

　　图19－3是腔长L=12.5cm、放电毛细管直径d=1.5mm的激光管输出功率随充气气压的变化曲线。图中所示最佳充气配比7：1，最佳总气压P=2.4Torr。



图19－3

　　（2）输出功率与放电毛细管的直径有关。实验证明：　Pd≈3.6-4.0Torr·mm称最佳Pd值。

　　（3）在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流，见图19－4所示。



图19－4

　　2．谱线竞争效应对输出功率的影响。有些激光跃迁具有同一个激光上能级（或下能级），在它们之间存在着通过公有能级粒子数发生的相互影响，即某一条纹光谱线产生振荡以后，将使其它激光谱线的粒子数反转差额降低，从而使它的增益和输出功率降低。这就是所谓谱线竞争效应。在He/Ne激光器中常采用抑制3.39um的振荡，来提高632.8nm激光的输出功率。常用方法：

　　（1）在腔中加色散元件。在谐振腔一个反射镜与布氏窗片之间放置一块三棱镜。利用棱镜的色散作用，使经过反射只有632.8nm的激光返回激光放电管，而3.39um的激光则偏离腔轴而逸出腔外（图19－5）。



图19－5

　　（2）在谐振腔中加入对3.39um的激光有吸收作用的元件。对小型激光器可利用K₈玻璃的布纸窗片对3.39um的激光进行吸收。对较长的激光器必须在腔中装入甲烷气体吸收盒，因甲烷气体在3.39um波长处有一个强的吸收峰（见图19－6）。



图19－6



图19－7

　　（3）外加轴向非均匀磁场。由于塞曼效应，磁场可引起谱线分裂使谱线变宽，这种由于非均匀磁场所引起的谱线展宽，称为“塞曼展宽”。

　　氦氢激光器632.8nm和3.39um的线宽Δv分别为1500MHz和300MHz左右，如果激光器处于200－300高斯的非均匀磁场中，由磁场造成的谱线加宽对3.39um的激光影响大，而对632.8nm的激光谱线影响小（见图19－8）。因增益系数反比于线宽，谱线的增宽将使增益下降，从而起到抑制3.39um激光的作用。



图19－8

三、氦氖激光器的工作特性

　　1．输出波长。氦氖激光器可输出3.39um、632.8nm、1.15um三种波长的激光，其中以输出632.8nm波长的激光器应用最广泛。

　　2．输出功率。氦氖激光器输出功率为毫瓦量级，一般随放电管长度增大而增大。常用的250型L=25cm，输出功率：2-3mW；L=1m，输出功率可达30-40mW左右。

　　3．发散角。氦氖激光器发散角为毫弧度量级。发散角愈小，方向性愈好，氦氖激光器远场发散角可由下式计算：

　　2θ=λ/πW₀

　　式中W₀为腰斑半径。

　　4．激光的模式。大多实际应用时都要求使用工作在TEN₀₀模的激光器（称单横模输出），当其光束的光强分布呈现高斯分布时，则称为基模。为提高氦氖激光器的相干性，有时也需要对纵模进行调整。

[时间：2001-12-11  作者：许鑫　杨皋  来源：《印刷应用光学》·第十九章 印刷中常用的激光器]