氦镉激光器结构及原理

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氦镉激光器是一种金属蒸气离子激光器。其中产生激光跃迁的是镉离子（Cd+)，氦气（He）作为辅助气体。它与氦氖激光器类似，可以在直流放电的条件下连续工作。它比氦氖激光有更高的输出功率（一般为几十毫瓦），发射波长较短，为441.6nm（蓝紫色）和325nm（紫外），因此，是一种更适用于光敏材料曝光和全息印刷制版的较理想的光源。    氦镉激光器结构    激光管用硬料玻璃或石英玻璃制作。阳极为直径2mm的钨杆，阴极为铝质圆筒状，毛细管长60-100cm，孔径为1.5-3mm。　　阳极端附近有一镉池，内装有光谱纯金属镉。镉在室温下为固体，熔点321℃，在真空中升华温度为164℃。通过热源可使金属镉升华成蒸气。阳极与镉池之间有一电泳限制段，用以阻止镉蒸气扩散到阳极端，避免污染窗片。　　固态镉在真空中加热到164℃时，即升华为蒸气。镉蒸气源源不断地从镉池向放电管扩散。随着镉池温度的升高，镉蒸气密度越来越大。在放电区域，镉原子被氦亚稳态原子电离并激发。在电场作用下，（Cd+）从阳极向阴极流动，这个过程称为电泳效应。为使Cd+在电泳传输过程中，不致冷凝在毛细管内壁上，毛细管内壁的温度须高于镉蒸气的冷凝温度，一般使用外套管结构，依靠放电加热作用（因放电流大于60mA），即可使放电管温度保持在镉的冷凝温度以上。通过放电区以后，镉蒸气便凝结在温度较低的管壳上，以防止金属蒸气污染窗片。一般He-Cd激光器在正常运转时，镉蒸气从阳极向阴极的流动速度约为1-2mg/h。　　激光器一般为全外腔结构，便于更换反射镜，既能产生441.6nm的激光，又能产生325nm的激光。氦镉激光器的激发机理，普遍认为是彭宁效应所致。He亚稳态原子的能量约为20ev，而Cd的电离电位为8.99ev，镉原子很容易通过与亚稳态氦原子的碰撞而被电离，同时被激发成激发态镉离子（Cd+）。　　彭宁效应的过程为：放电管中高速电子与氦原子碰撞，将氦原子从基态激发到21S0和23S1亚稳态，即　　e-+He→He*+e-+ΔE 氦镉激光器工作特性 1．氦气压强对输出功率的影响。氦气最佳气压值由下式近似估计：　　Pd=10-12Torr.mm　　2．镉源温度对输出功率的影响。当镉源温度升高时，镉原子密度增加，使参与激光过程的Cd+粒子数增多，有利于提高输出功率。但是另一方面由于镉的电离电位和激发电位都较低，自由电子容易与其发生碰撞而失去能量。因此镉蒸气密度过大时，将导致管内的温度下降，使亚稳态氦原子数减少，从而使输出功率下降。所以存在一个最佳镉蒸气压强的最佳镉源温度。　　最佳温度随激光管结构的不同而不同，约为200-250℃。当最佳镉蒸气压约为10-3Torr，镉原子密度约为3×1014cm-3。 　　然后，亚稳态氦原子He*与中性Cd原子碰撞，使之电离，并激发到Cd+的激发态5s22D5/2和5s22D3/2（即激光上能级）。　　这种碰撞称彭宁碰撞，即　　He*+Cd→（Cd+）*+He+e-+ΔE　　其中的剩余能量，将由电子带走。　　另外，从能级寿命看，亚稳态He*寿命长，约为10-6s，这对于激发Cd有利。（Cd+）*的5S22D5/2能级寿命约为7.8×10-7s，而5P2P03/2（激光下能级）的寿命为2.2×10-9s。因而可形成粒子数反转分布。441.6nm和325nm对应的跃迁分别为：　　441.6nm Cd+5S22D5/2——5P2P03/2　　325.0nm Cd+5S22D3/2——5P2P01/2