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【钩沉】我国第一台氦氖激光器的诞生

发布:dengying    |    2015-10-23 17:28    阅读:1746
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  20 世纪60年代初,我国的学术刊物数量很少,《中国科学》、《科学通报》、《物理学报》屈指 可数。有关光学方面没有专门的学术期刊,当激光出现以后,科学出版社以内部资料的形式组织出版了“受激光发射论文汇编”,这个汇编先后出版了很多专集,其中1964 年出版的第一集汇集了国内有关受激光发射的研究论文31 篇。

  本文中将要介绍的是邓锡铭等人发表的“氦- 氖混合气体受激光发射器”。

  氦-氖激光器以氦气和氖气混合气体作为工作介质,采用射频放电激发,放电管的结构如图1 所示,氦氖气体置于内径为0.8 cm,长度为2.04 m 的石英管内,为了避免放电管两端窗口的反射损耗,放电管两端配以布鲁斯特窗口。如果窗片对激光波长的折射率为n,布鲁斯特角θR 可由下式给出: θK=tg -1n,安装布鲁斯特窗口时,要保证窗口法线和放电管集合轴线时的合角。用测量平面偏振光的反射率来验证角度的准确性,实验结果表明当入射的平面偏振光反射率小于千分之一时,角度控制可满足激光产生的要求。图1中在放电光的两端 有一堆光学镜片形成外腔结构。谐振腔由一对曲率半径为222 cm 的球面反射镜组成,镜面涂有ZnSMgF2 介质膜,对6328 埃的透过率在1% 以内, 把谐振腔看作一个Fabry-Perct 干涉器,可以测量 外部进入干涉器的6328 埃单色光输入强度和输出强度的比值,从中得出介质膜的反射率在98% 左右。


  图1 采用射频电源的中国第一台氦氖激光结构图

  按照中国科学院长春光学精密机械与物理研究 所和北京电子所之间合作协议,北京电子所提供射 频电源,图1 中象征性地给出了电源的2 个引线, 事实上在2 m 左右的放电管上,有多组电报引线, 射频电源通过包在放电光外面的一对一对铝箔,将 能量耦合到放电管中。放电管内氦- 氖气体压力比 为10:1,总压力为1.1 mmHg,射频电源的频率为 26 MHz。

  邓锡铭院士的论文详细描述了从气体放电到观 察到激光的全过程。首先从观察放电光谱开始。

  放电管中氦- 氖气体辉光放电呈粉红色,经历几十小时连续及间歇放电之后,未发现有杂质原子及分子光谱,这表明放电管壁排气处理过程是完善的。

  在初级阶段,观察到了氦- 氖放电中一些未曾 报道过的谱线,对照氖原子能级,认为它是处在21S,23S 能级的氦原子与基态氖原子发生能量共振 转移得到的增强的氖原子谱线。

  在纯氖放电时逐渐加入氦气,可以清楚看到氖的6328 埃(3S2->2P4)谱线强度迅速增高,同时 观察到6096 埃(2P4->1S4)谱线,见图2。两者的强度比在1:1 到2:1 之间。通过对两个波长的放 大实验发现后者存在自吸收。


 

    图2 氖原子能级示意图               图3

  邓锡铭院士从理论上分析了临界条件,见图3。 并通过加长放电管至2 m左右,改善了谐振腔的波型选择性能,获得了相干光振荡。6328 埃输出光 功率为1 mW,发散角为3 mmrad。

  1967 年,出现了内腔式结构的器件(见图4)。

此后,腔片的封接从环氧树脂发展到硬封接技术 寿命可以达到1×104 h 以上。这支激光器放电管 内径为1-1.2 mm,外面有一个储气套,它和放电毛细管同轴并相通,但储气套内不发生气体放电,它的作用是储存工作气体,有利于延长激光器的寿 命。内腔式He-Ne 激光器在激光检测、激光医学等方面获得广泛应用。


  图4 内腔式He-Ne 激光器的结构示意图

原文刊载:楼祺洪. 我国第一台氦氖激光器的诞生[J]. 光电产品与资讯, 2015, 6(10): 49~50 

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