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。 `ZNzDr
{fk'g(E8([
氦镉激光器结构 |?{Zx&yUw
N"FQMxqm
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。 =[vT=sHz7
uvZ|6cM
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。 V"\t
VxaJ[s3PQ&
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。 oXb}6YC
H@MUzV
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。 YHg4WW$
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+)。 dt;R
hb[K.`g
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 XCQ=`3f
e-+he→he*+e-+δe P62g7>B5^
F&I^bkvh
氦镉激光器工作特性 ~?S/0]?c
LXfDXXF
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: q=g;TAXZl
o3j4XrK
pd=10-12torr.mm /ey}#SHm,
w_4`Wsn
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。 i>>_S&!9p
:\gdQG
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。 qKZ~)B j
ZShRE"`
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)。 If2f7{b
\JN?3}_J
这种碰撞称彭宁碰撞,即 jD'\\jAUdm
VbJGyjx
he*+cd→(cd+)*+he+e-+δe q9F(8-J
U")bvUIL
其中的剩余能量,将由电子带走。 +-K-CXt
lc#su$xR>
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: /oE@F178
)0~zL} )?
441.6nm cd+5s22d5/2——5p2p03/2 '+5*ajP<
325.0nm cd+5s22d3/2——5p2p01/2