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2008-06-28 16:46 |
氦鎘激光器結(jié)構(gòu)及其原理介紹
氦鎘激光器是一種金屬蒸氣離子激光器。其中產(chǎn)生激光躍遷的是鎘離子（cd+)，氦氣（he）作為輔助氣體。它與氦氖激光器類似，可以在直流放電的條件下連續(xù)工作。它比氦氖激光有更高的輸出功率（一般為幾十毫瓦），發(fā)射波長(zhǎng)較短，為441.6nm（藍(lán)紫色）和325nm（紫外），因此，是一種更適用于光敏材料曝光和全息印刷制版的較理想的光源。 wlC_rRj~
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氦鎘激光器結(jié)構(gòu) M \,0<{
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激光管用硬料玻璃或石英玻璃制作。陽(yáng)極為直徑2mm的鎢桿，陰極為鋁質(zhì)圓筒狀，毛細(xì)管長(zhǎng)60-100cm，孔徑為1.5-3mm。 [f.[C5f%"'
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陽(yáng)極端附近有一鎘池，內(nèi)裝有光譜純金屬鎘。鎘在室溫下為固體，熔點(diǎn)321℃，在真空中升華溫度為164℃。通過(guò)熱源可使金屬鎘升華成蒸氣。陽(yáng)極與鎘池之間有一電泳限制段，用以阻止鎘蒸氣擴(kuò)散到陽(yáng)極端，避免污染窗片。 nWbe=z&y8[
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固態(tài)鎘在真空中加熱到164℃時(shí)，即升華為蒸氣。鎘蒸氣源源不斷地從鎘池向放電管擴(kuò)散。隨著鎘池溫度的升高，鎘蒸氣密度越來(lái)越大。在放電區(qū)域，鎘原子被氦亞穩(wěn)態(tài)原子電離并激發(fā)。在電場(chǎng)作用下，（cd+）從陽(yáng)極向陰極流動(dòng)，這個(gè)過(guò)程稱為電泳效應(yīng)。為使cd+在電泳傳輸過(guò)程中，不致冷凝在毛細(xì)管內(nèi)壁上，毛細(xì)管內(nèi)壁的溫度須高于鎘蒸氣的冷凝溫度，一般使用外套管結(jié)構(gòu)，依靠放電加熱作用（因放電流大于60ma），即可使放電管溫度保持在鎘的冷凝溫度以上。通過(guò)放電區(qū)以后，鎘蒸氣便凝結(jié)在溫度較低的管殼上，以防止金屬蒸氣污染窗片。一般he-cd激光器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鎘蒸氣從陽(yáng)極向陰極的流動(dòng)速度約為1-2mg/h。 m}]"TFzoVM
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激光器一般為全外腔結(jié)構(gòu)，便于更換反射鏡，既能產(chǎn)生441.6nm的激光，又能產(chǎn)生325nm的激光。 `BMg\2Ud*
氦鎘激光器的激發(fā)機(jī)理，普遍認(rèn)為是彭寧效應(yīng)所致。he亞穩(wěn)態(tài)原子的能量約為20ev，而cd的電離電位為8.99ev，鎘原子很容易通過(guò)與亞穩(wěn)態(tài)氦原子的碰撞而被電離，同時(shí)被激發(fā)成激發(fā)態(tài)鎘離子（cd+）。 :doP66["!
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彭寧效應(yīng)的過(guò)程為：放電管中高速電子與氦原子碰撞，將氦原子從基態(tài)激發(fā)到21s0和23s1亞穩(wěn)態(tài)，即 Jm\'=#U#
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氦鎘激光器工作特性 `9s5 *;Z
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1．氦氣壓強(qiáng)對(duì)輸出功率的影響。氦氣最佳氣壓值由下式近似估計(jì)： j3P)cz-0/L
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pd=10-12torr.mm g!V;*[
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2．鎘源溫度對(duì)輸出功率的影響。當(dāng)鎘源溫度升高時(shí)，鎘原子密度增加，使參與激光過(guò)程的cd+粒子數(shù)增多，有利于提高輸出功率。但是另一方面由于鎘的電離電位和激發(fā)電位都較低，自由電子容易與其發(fā)生碰撞而失去能量。因此鎘蒸氣密度過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致管內(nèi)的溫度下降，使亞穩(wěn)態(tài)氦原子數(shù)減少，從而使輸出功率下降。所以存在一個(gè)最佳鎘蒸氣壓強(qiáng)的最佳鎘源溫度。 P00d#6hPJ
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最佳溫度隨激光管結(jié)構(gòu)的不同而不同，約為200-250℃。當(dāng)最佳鎘蒸氣壓約為10-3torr，鎘原子密度約為3×1014cm-3。 so8isDC'9
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然后，亞穩(wěn)態(tài)氦原子he*與中性cd原子碰撞，使之電離，并激發(fā)到cd+的激發(fā)態(tài)5s22d5/2和5s22d3/2（即激光上能級(jí)）。 |
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這種碰撞稱彭寧碰撞，即 4NQS'*%D
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he*+cd→（cd+）*+he+e-+δe g/mVd;#o
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其中的剩余能量，將由電子帶走。 ^EjZ.#2l;
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另外，從能級(jí)壽命看，亞穩(wěn)態(tài)he*壽命長(zhǎng)，約為10-6s，這對(duì)于激發(fā)cd有利。（cd+）*的5s22d5/2能級(jí)壽命約為7.8×10-7s，而5p2p03/2（激光下能級(jí)）的壽命為2.2×10-9s。因而可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。441.6nm和325nm對(duì)應(yīng)的躍遷分別為： HpSgGhL'J&
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441.6nm cd+5s22d5/2——5p2p03/2 Od^y&$|_%`
325.0nm cd+5s22d3/2——5p2p01/2
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