氩离子激光器简介

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氩离子激光器

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……

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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。

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。

图19－11

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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。