氦鎘
激光器是一種
金屬蒸氣離子
激光器。其中產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)射波長較短,為441.6nm(藍紫色)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。
$R<Me No2b"G@ 氦鎘激光器結構
\OlmF<~ #plY\0E@ 激光管用硬料玻璃或石英玻璃制作。陽極為直徑2mm的鎢桿,陰極為鋁質圓筒狀,毛細管長60-100cm,孔徑為1.5-3mm。
t6v/sZ{F `y#UJYXQE 陽極端附近有一鎘池,內裝有
光譜純金屬鎘。鎘在室溫下為固體,熔點321℃,在真空中升華溫度為164℃。通過熱源可使金屬鎘升華成蒸氣。陽極與鎘池之間有一電泳限制段,用以阻止鎘蒸氣擴散到陽極端,避免污染窗片。
UH7jP#W%= zB yqD$ 固態(tài)鎘在真空中加熱到164℃時,即升華為蒸氣。鎘蒸氣源源不斷地從鎘池向放電管擴散。隨著鎘池溫度的升高,鎘蒸氣密度越來越大。在放電區(qū)域,鎘原子被氦亞穩(wěn)態(tài)原子電離并激發(fā)。在電場作用下,(cd+)從陽極向陰極流動,這個過程稱為電泳效應。為使cd+在電泳傳輸過程中,不致冷凝在毛細管內壁上,毛細管內壁的溫度須高于鎘蒸氣的冷凝溫度,一般使用外套管結構,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。通過放電區(qū)以后,鎘蒸氣便凝結在溫度較低的管殼上,以防止金屬蒸氣污染窗片。一般he-cd激光器在正常運轉時,鎘蒸氣從陽極向陰極的流動速度約為1-2mg/h。
0M\D[mg <\?wAjc, 激光器一般為全外腔結構,便于更換反射鏡,既能產生441.6nm的激光,又能產生325nm的激光。
ybp -$e 氦鎘激光器的激發(fā)機理,普遍認為是彭寧效應所致。he亞穩(wěn)態(tài)原子的能量約為20ev,而cd的電離電位為8.99ev,鎘原子很容易通過與亞穩(wěn)態(tài)氦原子的碰撞而被電離,同時被激發(fā)成激發(fā)態(tài)鎘離子(cd+)。
Ty88}V &^4++ 彭寧效應的過程為:放電管中高速電子與氦原子碰撞,將氦原子從基態(tài)激發(fā)到21s0和23s1亞穩(wěn)態(tài),即
0527Wj e-+he→he*+e-+δe
Cu6%h>@K$ uwlr9nB 氦鎘激光器工作特性
+SJd@y@fR $.]l!cmi%Q 1.氦氣壓強對輸出功率的影響。氦氣最佳氣壓值由下式近似估計:
BT}&Y6 tBpC: SG pd=10-12torr.mm
F2X0%te (h:Rh 2.鎘源溫度對輸出功率的影響。當鎘源溫度升高時,鎘原子密度增加,使參與激光過程的cd+粒子數增多,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。因此鎘蒸氣密度過大時,將導致管內的溫度下降,使亞穩(wěn)態(tài)氦原子數減少,從而使輸出功率下降。所以存在一個最佳鎘蒸氣壓強的最佳鎘源溫度。
fFQ|T:vm 1'?4m0W1 最佳溫度隨激光管結構的不同而不同,約為200-250℃。當最佳鎘蒸氣壓約為10-3torr,鎘原子密度約為3×1014cm-3。
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Dc)dE2 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)。
(Cqn6dWK w6j/ Dq! 這種碰撞稱彭寧碰撞,即
s&j-\bOic9 @B}aN@!/ he*+cd→(cd+)*+he+e-+δe
>rvQw63\ {T].]7Z 其中的剩余能量,將由電子帶走。
JchSMc.9 23gPbtq/ 另外,從能級壽命看,亞穩(wěn)態(tài)he*壽命長,約為10-6s,這對于激發(fā)cd有利。(cd+)*的5s22d5/2能級壽命約為7.8×10-7s,而5p2p03/2(激光下能級)的壽命為2.2×10-9s。因而可形成粒子數反轉分布。441.6nm和325nm對應的躍遷分別為: