CN1232011C - 一种氦氖激光器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种波长为632.8纳米、放电区为圆筒形的氦氖激光器。它的放电激励采用射频电源，射频电源与圆筒形放电区的匹配电路由可调电容和电感组成，放电室由内外两层圆石英管、两个环形球面反射镜及谐振腔的两个调整架封装而成。谐振腔采用低损耗且易调整的两环形球而反射镜构成多程环形腔。本发明比同样长度的单管(圆形或矩形管)氦氖激光器高一个量级以上的输出功率，且单色性好，模式可调整，故使激光生物、激光医学、全息照相等方面的研究可在大功率条件下进行而获推进。

Description

一种氦氖激光器

一、技术领域

本发明涉及气体激光器的构建技术，特别是涉及波长为632.8纳米的圆简形放电增益区的一种氦氖激光器。

二、背景技术

氦氖激光器是最早实现连续波运行的器件之一，光束发散角一般能达到衍射极限，相干长度是气体激光器中最长的、输出光为红光、具有良好的相干性、高光束质量等特点，在精密计量、准直、导航、全息照相、条形码扫描、激光生物、激光医学等方面有广泛用途。如在农业培育良种方面，我国在世界上具有较高水平。并在激光育种方面进行了大量工作，据文献“陈震古，农业激光生物效应与激光参量，光电子技术与信息，1995，Vol.8，No.6：1-6”，对国内自八十年代以来发表的近300篇研究报告分析，在农业激光生物效应中，最重要的参数是波长和剂量，利用的激光器不少于十五种，而氦氖激光使用率约为40％，通过激光诱导水稻细胞染色体畸变变异幅度的研究，诱变效果以氦氖激光最好，育成的三十八个农作物品种中，氦氖激光培育的占25.7％。实验表明，激光生物效应不仅对剂量有要求，而且对功率有大的需求，可见提高激光功率对满足光生物效应的大剂量或大剂量、大功率要求意义重大。在激光医疗方面，氦氖激光器是重要医疗器件之一。在医治大面积创伤，溃烂等方面需要大功率氦氖激光。在激光治癌方面，大功率氦氖激光更有重要地位。由于常规氦氖激光器输出功率小，故常采用多台激光器的组合系统，以满足对大功率的要求。

多年来，提高氦氖激光器输出功率和压缩器件体积是其发展的重要方面之一。1993年，国防科技大学环形激光研究室研制的射频激励超小型氦氖激光器，其腔长125毫米，波长632.8毫微米，激光输出0.64毫瓦，电源尺寸为60毫米×60毫米×20毫米(光电子技术与信息，1993，No.6：4)，1996年研制的新型高功率TEMoo模氦氖激光器，为封离式，其腔长630毫米，波长为632.8毫微米，基模输出也只24毫瓦(中国激光，1996，Vol.A23，No.4：380)，这些激光器放电管长均在1米以内，其输出功率具有代表性水平。由于氦氖激光器的转换效率低，较短的圆形或矩形管器件输出功率不会很高，至今未见到此类器件放电管在1米长以内其输出超过100毫瓦的报道。如何使氦氖激光器在较短器件情况大幅度提高其输出功率，是我们研究的课题。

三、发明内容

本发明的目的正是针对上述氦氖激光器所存在的缺陷，提供一种由射频电源、匹配电路、提供放电增益区的圆筒形放电室及两个环形球面反射镜构成的多程环形谐振腔构建的氦氖激光器，该氦氖激光器放电增益区体积比现有氦氖激光器放电增益区体积大得多，圆筒形结构又可保证放电增益区有足够高的增益系数，故可大幅度提高氦氖激光器的输出功率，且单色性好，模式可调整。

本发明的目的是采用以下措施实现的：本发明的氦氖激光器，它由电源、提供放电增益区的放电室、谐振腔及谐振腔调整架器件组成。

a)、放电激励采用射频电源，其频率设置为10MHz-300MHz，功率为500W-1000W；射频电源与放电增益区的匹配电路由可调电容和匹配电感构成容感电路；

b)、放电增益区则采用横截面为环形的圆筒形结构，提供放电增益区的放电室由内层圆石英管和外层圆石英管、构成谐振腔的第一环形球面反射镜和第二环形球面反射镜、以及第一环形球面反射镜的调整架和第二环形球面反射镜的调整架封装而成，放电室的内圆管电极和外圆管电极均位于放电室外面，内圆管电极贴近内层圆石英管，外圆管电极贴近外层圆石英管；

c)、谐振腔的第一环形球面反射镜和第二环形球面反射镜构成为多程环形谐振腔；

多程环形腔的第一环形球面反射镜面上的一部份位置处镀有具一定透过率的半反射膜，并形成输出耦合，第一环形球面反射镜面未镀半反射膜的其余部分和第二环形球面反射镜面均为全反射面。

本发明上述措施中所说匹配电路经调整使加在电极间的电压高于气体击穿电压，而使气体击穿放电。气体放电后再经调整，使负载阻抗与射频电源匹配，将射频功率有效地输入放电增益区。又由于圆筒形放电增益区两电极的对称性，能避免类似弧光放电的现象出现。

本发明上述措施中由于放电室的密封封装，保证了气密性、清洁度、真空度，并避免构成谐振腔的两环形球面反射镜的调整架对放电增益区放电的干扰，放电室在使用前进行去气处理。

本发明可由改变圆筒形放电增益区内层圆石英管和外层圆石英管直径的大小，以换用不同曲率半径的环形球面反射镜和调整多程环形腔长度来构建不同功率、不同模式的氦氖激光器件。

本发明的谐振腔采用两环形球面反射镜构成为多程环形谐振腔，这样可使腔内传播光束占用很大部分激活区。

环形球面反射镜采用光学玻璃，背面应抛光并与正面保持平行或确切夹角，以便谐振腔的调整监测。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明比同样长度的单管圆管或矩管氦氖激光器有高一个量级以上的输出功率，或者说，在同一输出水平情况下可将单管氦氖激光器管长压缩一个量级以上。

2、本发明1米长的器件功率可达瓦级输出。

3、本发明不仅输出功率大，且单色性好，模式可调整，从而使激光生物、激光医学、全息照相、测量以及干涉等方面的研究可在大功率条件下进行而获推进。

四、附图说明

附图为本发明氦氖激光器结构示意图。

附图中，1为射频电源，2为同轴传输线，3为匹配电路，4为内圆管电极，5为外圆管电极，6为放电室内层圆石英管，7为放电室外层圆石英管，9为第一环形球面反射镜，10为第二环形球面反射镜，11为半反射膜，d为第一和第二环形球面反射镜间间距，12为第一环形球面反射镜调整架，13为第二环形球面反射镜调整架，C为可调电容，L为匹配电感。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作过程及实施例作进一步说明。

射频电源1输出的功率由同轴传输线2传送到匹配电路3，由匹配电路3再送到内圆管电极4和外圆管电极5，经可调电容C调整并与匹配电感L组合，这样将较高的电压加于电极上，待放电增益区8的低压氦氖混合气体放电后再调整C，而使包括放电增益区在内的负载阻抗变换到与射频电源输出阻抗接近，该负载阻抗一般为50欧姆，以避免射频场的反射而将其功率有效地注入放电增益区8。

从光线族的角度看，形成激光的光线族为谐振腔的本征光线族，设光线始于放电增益区8内任一点并首先到达第一环形球面反射镜9，光线经第一环形球面反射镜9反射后再经放电增益区8又到达第二环形球面反射镜10，经第二环形球面反射镜10反射后再经放电增益区8到达第一环形球面反射镜9，当第一环形球面反射镜9和第二环形球面反射镜10的曲率半径ρ和第一第二两环形球面反射镜间间距d满足稳定条件要求时，即满足公式0＜1-d/ρ＜1……(1)时，本征光线族在第一和第二两环形球面反射镜间无休止地反射并穿越放电增益区，以形成激光，当光经过半反射膜11处时，将有部分光透射而得到激光输出。从光束传播来看，我们将第一和第二两个环形球面反射镜构成的谐振腔设计成多程环形腔，当为N程时，则光束在第一和第二两镜间经过N/2个往返后将回到它的初始位置并保持其初始的传播方向，构成此N程环形腔的N个小反射镜面分别位于第一环形球面反射镜9和第二环形球面反射镜10的反射面，作为输出耦合的半反射膜11是其中一个，第一环形球面反射镜和第二环形球面反镜各有N/2个，且其曲率半径也就是第一和第二环形球面反射镜的曲率半径，并且相邻两小反射镜面相互重叠而实际成为两个完整的环形球面反射镜面，即第一环形球面反射镜9和第二环形球面反射镜10。这样一来，谐振腔内来回传播的光束能够占据绝大部分增益区，光束在第一环形球面反射镜面处的光斑能够交叠，光束在第二环形球面反射镜面处的光斑也能交叠，可以认为此时第一环形球面反射镜面和第二环形球面反射镜面得到了全部利用，并称第一环形球面反射镜9和第二环形球面反射镜10构成了全环形镜面利用的多程环形腔，此时环形腔的程数N满足公式Nθ＝2μЛ……(2)，(2)式中θ＝COS(1-d/ρ)，N、μ为使(2)式满足的整数，θ的选取则保证光束能顺利通过放电增益区而不被放电管壁阻碍及光束的镜面光斑部分重叠。输出激光的横模已不同于普通激光腔得到的模式，它将因N、θ、μ而变化并具有环形腔光束输出特征，它由两束方向极为靠近的光束合并输出，可通过N、θ、μ的设计或调整来控制输出模式，为简单方便，一般应取μ＝1。

圆筒形的放电增益区充入低压氦氖混合气，并根据激光器的结构参数调整合适配气比和总压力，以使获得最佳输出。当考虑抑制3.39微米波参与振荡的情况时，应对放电增益区长度限制为1米以内最好，根据矩形放电管氦氖激光器的研究，1米长的放电区一般可由玻璃基底谐振腔第一环形球面反射镜9和第二环形球面反射镜10的窄带反射膜克服3.39微米波的寄生振荡，并将具有输出耦合面的第一环形球面反射镜9采用较厚的玻璃基片作成，因为玻璃对波长为3.39微米的波有较强吸收，可以最终防止该3.39微米光波的输出。

本发明的放电增益区增益系数与矩形放电管接近，放电室的内层圆石英管6和外层圆石英管7一般应选择在1米左右。将1米长圆筒形增益区径向宽度定为2.5毫米、3.5毫米、5毫米，当采用3.5毫米宽度观察激光输出同各参数的关系，此宽度有可兼顾调整、增益、衍射损耗限制的要求，2.5毫米宽度有利于增益，但调整难、衍射损耗大，而5毫米宽度有利于调整、衍射损耗小，但增益低一些。

本发明激光输出模式、光束横向光强分布的检测经衰减采用CCD法，并根据不同位置处光斑尺寸确定发散角。

Claims (3)

1、一种氦氖激光器，它由电源、提供放电增益区的放电室、谐振腔及谐振腔调整架器件组成，其特征在于：

a)放电激励采用射频电源(1)，射频电源(1)与放电增益区(8)的匹配电路(3)由可调电容(C)和匹配电感(L)构成容感电路；

b)放电增益区(8)则采用横截面为环形的圆筒形结构，提供放电增益区的放电室由内层圆石英管(6)和外层圆石英管(7)、构成谐振腔的第一环形球面反射镜(9)和第二环形球面反射镜(10)、以及第一环形球面反射镜的调整架(12)和第二环形球面反射镜的调整架(13)封装而成，放电室的内圆管电极(4)和外圆管电极(5)均位于放电室外面，内圆管电极(4)贴近内层圆石英管(6)，外圆管电极(5)贴近外层圆石英管(7)；

c)谐振腔的第一环形球面反射镜(9)和第二环形球面反射镜(10)构成为多程环形谐振腔。

2、按照权利要求1所述的氦氖激光器，其特征在于所说多程环形腔的第一环形球面反射镜面(9)上的一部份镀有具一定透过率的半反射膜(11)，第一环形球面反射镜面未镀半反射膜的其余部分和第二环形球面反射镜面均为全反射面。

3、按照权利要求1或2所述的氦氖激光器，其特征在于可由改变圆筒形放电增益区内层圆石英管和外层圆石英管直径的大小，以换用不同曲率半径的环形球面反射镜和调整多程环形谐振腔长度来构建不同功率、不同模式的氦氖激光器件。