氦镉激光器

第三节 氦镉激光器

　　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。

一、氦镉激光器结构和激发机理

　　1．氦镉激光器结构。图19－13为一种常用的氦镉激光器结构示意图。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。



图19－13

1－镉池 2－电泳限制段 3－冷凝镉

　　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。

　　2．激发机理。氦镉激光器的激发机理，普遍认为是彭宁效应所致。图19－14为He和Cd⁺的部分能级图，由图可见，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⁺）^*。



图19－14

　　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

　　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5s²²D_5/2和5s²²D_3/2（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5S²²D_5/2能级寿命约为7.8×10^-7s，而5P²P⁰_3/2（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⁺5S²²D_5/2——5P²P⁰_3/2

　　325.0nm Cd⁺5S²²D_3/2——5P²P⁰_1/2

二、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。

三、空心阴极氦镉激光器

　　图19－15为空心阴极氦镉激光器的示意图。空心阴极为采用内径为3.5mm，外径为6mm的无氧铜管制成，铜管分为两段，每段长31cm，上面开5个直径为3.5mm的边孔，孔距为6mm，在玻璃管相对于每个孔的位置上，各封接一钨杆作为阳极。两根铜管之间有镉池，镉池两边的结构相同且对称。管壳用GG17玻璃烧制。激光管外包上3-4层石棉带保温。辅助阳极可防止布氏窗因镉蒸气沉积而污染。



图19－15

　　此种激光器激光作用区在阴极位降区，它的激光机制为电荷转移效应。即：

　　He^＋+Cd→He+（Cd⁺）^*+ΔE

　　由于He^＋的能量（电离能）约为25ev，比亚稳态He原子的能量（约20ev）高出许多，所以，由转荷效应所造成的Cd⁺的能级比由彭宁碰撞所造成的Cd⁺的能级高出许多。目前，已发现由转荷效应所激发而产生的Cd⁺的激光谱线有十多条，其中有两条绿色（533.7nm和537.8nm）和两条红色（635.5nm和636.0nm）谱线较强。

　　同时，由于在空心阴极中仍有一定量的亚稳态He原子，仍可获得蓝色（441.6nm）的振荡输出。若将管内He气压强和加热温度调至最佳，并使用宽带反射镜，可获得红、绿、蓝三色激光同时输出。三种颜色配合而成白色激光，所以又称为“白光激光器”。

　　空心阴极氦镉激光器不仅能够同时产生三种颜色的激光，且可调节各色激光的相对输出。因此，在彩色记录、彩色全息照相和彩色激光电视等方面，比其它多色光源更能够使色彩准确地再现。