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氦氖激光器的設(shè)備概述與工作過(guò)程介紹
氦氖激光器是以氦氣、氖氣混合氣體為工作物質(zhì)的原子氣體激光器，標(biāo)準(zhǔn)工作氣體配比約為7:1，依靠氣體輝光放電激勵(lì)實(shí)現(xiàn)激光輸出。其核心輸出波長(zhǎng)包含多條特征譜線，其中632.8nm紅色可見(jiàn)光比較常用，此外還有1.15μm、3.39μm紅外波段輸出譜線。區(qū)別于大功率工業(yè)激光器，氦氖激光器屬于小功率精密光源，輸出功率通常在毫瓦級(jí)，無(wú)高能量沖擊，光束具備良好的高斯分布特性。
氦氖激光器解決了早期激光設(shè)備輸出不穩(wěn)定、相干性差的難題，具備三大特質(zhì)：一是輸出連續(xù)穩(wěn)定，無(wú)脈沖波動(dòng)，適合長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作；二是單色性、方向性、相干性遠(yuǎn)超普通光源，是精密光學(xué)測(cè)量的理想光源；三是工作壽命長(zhǎng)、運(yùn)行噪音低、無(wú)需水冷散熱，整機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單，適配各類(lèi)常規(guī)光學(xué)場(chǎng)景。
氦氖激光器的發(fā)光核心并非氦原子，而是氖原子，氦氣僅作為能量傳遞媒介，通過(guò)共振能量轉(zhuǎn)移有效實(shí)現(xiàn)氖原子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這也是其發(fā)光的核心機(jī)制，整體工作過(guò)程分為三個(gè)關(guān)鍵階段。
1. 氣體泵浦與亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)
激光器電極施加數(shù)千伏直流高壓后，放電管內(nèi)稀薄混合氣體產(chǎn)生輝光放電，高速運(yùn)動(dòng)的電子持續(xù)碰撞氦原子，將基態(tài)氦原子激發(fā)至長(zhǎng)壽命亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。該能級(jí)狀態(tài)壽命可達(dá)毫秒級(jí)，能夠大量?jī)?chǔ)存激發(fā)能量，為后續(xù)能量轉(zhuǎn)移提供充足條件，而不會(huì)快速自發(fā)輻射損耗能量。
2. 共振能量轉(zhuǎn)移與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
處于亞穩(wěn)態(tài)的高能氦原子與基態(tài)氖原子發(fā)生碰撞，通過(guò)共振能量轉(zhuǎn)移將自身能量準(zhǔn)確傳遞給氖原子，使氖原子躍遷至高能激發(fā)態(tài)。由于氖原子高能級(jí)粒子積累數(shù)量遠(yuǎn)多于低能級(jí)粒子，成功實(shí)現(xiàn)激光產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，為受激輻射創(chuàng)造核心條件。
3. 受激輻射與激光諧振放大
高能級(jí)氖原子自發(fā)躍遷回低能級(jí)的過(guò)程中，輻射出特定波長(zhǎng)的光子。光子在放電管兩端的光學(xué)諧振腔之間來(lái)回反射，不斷激勵(lì)更多氖原子產(chǎn)生受激輻射，實(shí)現(xiàn)光子數(shù)量持續(xù)倍增、光束不斷放大。部分光束透過(guò)諧振腔的半透半反鏡輸出，形成穩(wěn)定、單色、相干性強(qiáng)的632.8nm紅色連續(xù)激光。
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