外腔式大功率氦氖激光器

内腔式氦氖激光器A型

内腔式氦氖激光器B型

氦氖激光功率计

 

 

 

 

 

 

 

  氦氖激光器及电源的选购

 

内腔式氦氖激光器         外腔式氦氖激光器          半外腔式氦氖激光器    

氦氖激光器输出功率稳定性       氦氖激光器生产厂家       

外腔氦氖激光器反射镜与布氏窗的密封   外腔氦氖激光器谐振腔调节装置  

倍压整流电路激光电源   变压器电路激光电源       变压器电路激光电源

激光器的横向模式     激光器的纵模间隔       氦氖激光器的型号命名

    氦氖激光器主要由放电管(既充有工作物质氦气的玻璃管及电极)、输出镜及全反镜(既光学谐振腔)、电源(既激励装置)三部分组成。但在实际中把它们做成激光器(放电管、输出镜及全反镜)与电源两部分。氦氖激光器按放电管与输出镜、全反镜连接方式的不同可分为内腔式氦氖激光器、外腔式氦氖激光器及半外腔式氦氖激光器三种。氦氖激光电源从电路上可分为倍压整流电源、变压器电源和开关电源三种。

一、内腔式氦氖激光器

    内腔式氦氖激光管(器)的输出镜 、全反镜直接封接在放电管两端外侧的玻璃外套管上(见图一),按其封接方式的不同可分为软封接、硬封接、高温封接三种内腔式氦氖激光管。

(图一)内腔式氦氖激光管

    软封接内腔式氦氖激光管,是将其玻璃外套管两端磨成相互平行,用粘合剂将输出镜、全反镜粘贴在其玻璃外套管两端。通常粘合剂是用普通环氧树脂,其寿命在一年左右 (因普通环氧树脂老化而使激光管漏气)。此种工艺已淘汰。

    硬封接内腔式氦氖激光管,是在玻璃外套管两端接上与玻璃膨胀系数相同的可伐材料接头,用低温玻璃粉将输出镜、全反镜粘贴在可伐接头上,调节可伐接头上的螺丝,使输出镜、全反镜相互平行 与放电管垂直。

    高温封接内腔式氦氖激光管,其输出镜、全反镜采用与玻璃外套管相同膨胀系数的玻璃材料,用高温将输出镜、全反镜封接在其玻璃外套管的两端,用高温小火煨烤玻璃外套管两端,调整输出镜、全反镜平行度,使其相互平行与放电管垂直。

    国产的内腔式氦氖激光管腔长在100mm1000mm之间,输出功率在0.3mW40mW之间。通常单模(TEM00)、输出功率稳定性在10﹪之内的内腔氦氖激光管腔长做到250毫米左右,输出功率2mW左右。腔长大于250毫米、输出功率稳定性在10﹪之内的内腔式氦氖激光管都为多模输出。

    内腔式氦氖激光器优点是使用时谐振腔不用调节,价格低,使用方便。缺点是单模输出激光功率低。根据激光管与激光电源是否安装在一起,同一规格的内腔氦氖激光器可分为二种型号,一种是将激光管与激光电源一起安装在金属或塑料或有机玻璃的外壳内。另一种是激光管安装在圆型(铝或塑料或不锈钢)筒内,激光电源安装在金属或塑料外壳内,激光管与激光电源用高压线连接。

二、外腔式氦氖激光器

    外腔式氦氖激光器的输出镜、全反镜安装在谐振腔调节架上,谐振腔调节架安装在激光器支架两端,放电管(激光管)安装在谐振腔调节架之间的激光器支架上(见图二)。激光器支架安装在外壳内,外壳上下都开有散热孔。

(图二)外腔式氦氖激光器

    外腔式氦氖激光器的放电管两端被磨成一特殊角度(布鲁斯特角),用两块石英玻璃密封, 两块石英玻璃称为布氏窗。布氏窗(角)使输出激光成线偏振光。放电管小于400mm的做成的放电管与阴极同轴式结构(见图三),同轴式外腔氦氖激光器放电管为非常规产品,通常是为一些有特殊需要的用户而定做的 。

(图三)同轴式外腔氦氖激光器

    国产的外腔式氦氖激光器常规产品放电管长度在400mm2000mm之间,输出功率在8mW100mW之间,外腔式氦氖激光器优点是单模、线偏震输出、激光功率大、输出功率稳定性高。缺点是结构复杂,成本高。价格高。

三、半外腔式氦氖激光器

    半外腔式(也称半内腔式)氦氖激光器(见图四)的一端结构与外腔式氦氖激光器相同:输出镜安装在一谐振腔调节架上,谐振腔调节架安装在激光器支架一端,此端放电管的外侧磨成布鲁斯特角,用一块石英玻璃密封,使输出激光成线偏振光,放电管安装在激光器支架上。半外腔式氦氖激光器另一端结构与内腔氦氖激光器相同:全反镜直接封接在放电管另一端外侧的玻璃外套管上(半外腔式氦氖激光器为非常规产品,通常是为一些有特殊需要的用户而定做的)。

(图四)半外腔式氦氖激光器

四、氦氖激光器输出功率的稳定性

    当激光器工作时,谐振腔的输出镜及全反镜互相平行且与调直的放电管垂直,并保持不变时激光器输出功率最大且稳定,当谐振腔的输出镜及全反镜互相平行且与调直的放电管垂直的状态发生变化,激光器输出功率会产生波动,输出功率会下降,严重时不出光。

    引起输出镜及全反镜互相平行且与调直的放电管垂直状态发生变化的,是激光器工作时放电管产生的热量,放电管产生的热量引起安装着谐振腔输出镜、全反镜的激光器支架热变形,使谐振腔输出镜、全反镜 互相平行与放电管垂直状态的发生变化。因此,激光器支架是否有热变形决定了激光器的稳定性。

1、内腔式氦氖激光器输出功率的稳定性

    内腔式氦氖激光管()工作时其放电管产生的热量全部传到作为其激光管(器)支架的玻璃外套管上,外套管的温度较高(氖氦激光管装入外壳密闭后,在室温25℃时,其温度有6070℃)。使外套管产生热变形较大(激光管越长变形越大),对于相同腔长的内腔式氦氖激光管,单模输出的放电管管径比多模输出的放电管管径小,因此外套管热变形对单模输出的内腔式激光管输出功率稳定性影响较大, 使腔长较长单模输出的内腔式激光管输出功率不稳。国产腔长450mm单模输出的内腔式氦氖激光管,其输出功率在5mW8mW之间波动。腔长大于250mm,输出功率稳定性较高、单模输出的氦氖激光器都采用外腔式结构。

2、外腔式氦氖激光器输出功率的稳定性

    外腔式氦氖激光器的放电管及谐振腔调节架安装在激光器支架上, 按放电管产生的热量对激光器支架不同的影响,激光器支架可分为散热型激光器支架、隔热型激光器支架、保温型激光器支架三种结构。

(图五)散热型激光器支架结构

    散热型的激光器支架结构(见图五),是用两块厚铸铝板(20mm左右)作激光器支架,谐振腔(输出镜与全反镜)调节架安装在两块厚铸铝板两端,放电管安装在两块厚铸铝板之间,上盖板与下底板有散热孔。由于两块厚铸铝板有一定厚度(重量),当激光器工作时厚铸铝板(激光器支架)升温较慢,且两块厚铸铝板外侧也可散发一定热量,其热形变也较慢,短时间激光器输出功率无大起大落,但激光器输出功率始终有明显慢漂移。上世纪六十年代激光产业化初期美国有公司的氦氖激光器采用此结构。

(图六)隔热型激光器支架结构

    隔热型激光器支架结构(见图六),用槽钢或钢管等作激光器支架,谐振腔(输出镜与全反镜)调节架安装在激光器支架两端的上部,放电管安装在激光器支架上部、输出镜与全反镜之间。激光器支架与放电管之间用二层板半隔离(一层板无散热孔)或隔离(二层板都无散热孔),机壳上盖有散热孔,机壳底板有散热孔(半隔离)或无散热孔(隔离)。此结构放电管产生热量对激光器支架影响较小,但机壳外形体积较大。

(图七)保温型激光器支架结构

    保温型激光器支架结构(见图七),是用截面L形或杆形等形状的高级合金钢作激光器支架,谐振腔(输出镜与全反镜)调节架安装在激光器支架两端,放电管安装在激光器支架中间,激光器支架安装在外壳中,外壳上盖板与下底板有散热孔。由于采用了低膨胀材料,激光器支架热变形小,当放热与散热达到平衡后,外壳能使激光器支架保持一定温度不变,使激光器输出功率达到长时间稳定,此结构激光器体积小,重量轻,输出功率稳定性高,是现在欧美氦氖激光器生产厂家普遍采用的结构。

 

五、外腔式氦氖激光器谐振腔调节装置

    外腔式氦氖激光器谐振腔调节装置有二种。

    一种是用现成的二维调节架(见图六),买来后直接安装在激光器支架上,此种二维调节架调节螺丝螺距是0.5mm,调节时调节螺丝稍动一点输出功率起伏就很大,且不可锁定。其定片与动片是靠四只拉簧相连,当震动较大时(运输、搬动)动片会滑动,谐振腔易失调、不出光。

    另一种是为激光器谐振腔调节而制作,采用差动螺丝(见图五、图七),有粗调、细调,粗调螺距是0.75mm,调节范围较大,主要是安装维修时不出光调光用,且可锁定不动。细调螺距是0.05mm,调节范围较小,调节时输出功率起伏较小,其定片与动片有三只螺丝相连,有较大震动动片也不会滑动。

    外腔式氦氖激光器谐振腔调节螺丝手柄有外置与内置二种

    对于谐振腔经常需要调节的外腔式氦氖激光器,如激光器输出功率有慢漂移的,震动易使谐振腔失调的,谐振腔调节螺丝置于激光器外部(见图五、图六),便于调节。对于谐振腔不需要经常调节的外腔式氦氖激光器谐振腔调节螺丝置于激光器内部(见图七),需要调节时可通过调节孔可用螺丝刀调节。谐振腔调节螺丝置于激光器内部,可避免在人多手杂的实验室,特别是对学生开放的实验及在搬动时不小心碰到调节螺丝使谐振腔失调。

    谐振腔采用差动螺丝粗调可锁定的外腔式氦氖激光器,其谐振腔后端(全反镜调节)在出厂时调好锁定后封闭。这对用户来说少了一个故障点。谐振腔采用二维调节架的,后端全反镜调节是不封闭的。

六、外腔式氦氖激光器反射镜与布氏窗的密封

    外腔式氦氖激光器谐振腔的输出镜、全反镜与布氏窗之间的密封是很重的,如密封性不好,会造成在使用过程中输出功率不断下降。由于静电作用,放电管极易吸灰,灰尘、潮气会污染布氏窗、输出镜、全反镜。布氏窗与输出镜、全反镜之间的密封有:

    用无弹性的圆筒状部件(如涤纶薄膜卷成的圆筒等)套在布氏窗与输出镜、全反镜之间,此方法密封较差。

    用乳胶指套套在布氏窗与输出镜、全反镜之间的,但乳胶指套几个月就老化了,乳胶指套要经常换(但这活不好干,且并不是换个乳胶指套就完事了)。

    用模具成型耐老化的硅胶套紧扣在布氏窗与输出镜、全反镜之间的。此方法密封性最好,无后顾之忧

 

七、氦氖激光电源

    氦氖激光电源从电路上可分为倍压整流电源、变压器电源和开关电源三种。

    倍压整流电路激光电源,用于内腔氦氖激光器。这种电源用220V交流电直接倍压整流,高压输出端与220V交流电无隔离,负极不能接地,主要工作部件是整流二极管与电解电容(通常电解电容用作滤波元件而非这里的储能元件),用电阻限流。电路简单(见下图一) ,成本低,但电流纹波大,易受电网电压波动影响。由于工作时电解电容会发热,使电解液逐渐蒸发,电容量逐渐下降,电源使用一段日期后就达不到原来的工作电压而不能使用。

    变压器电路激光电源(国内延用二、三十年,国外早已淘汰)电路也较简单(见右图二、三、四),通常用于放电管较长的内腔氦氖激光器和外腔大功率氦氖激光器(做了精致点的带控制电路)。由于激光电源对变压器绝缘要求高,且变压器电源冲放电工作于工频段,因此变压器电源成本高(主要是变压器、控制电路元件,且易发热损坏),效率低,份量重,体积大。

    开关电路激光电源电路较复杂(见上图五),由于其体积小,份量轻,效率高(冲放电频率几十KC),可靠性高 ,故障率低,输出电流恒定,现在被越来越多的激光器制造商采用。开关电源技术含量高,激光器整机制造商自己不能生产,通常向专门从事生产开关电路激光电源的公司订购(定制),因此相对于激光器整机制造商自己制造倍压整流电路与变压器电源来讲,使用开关电路电源成本高

八、氦氖激光器生产厂家   

    国内氦氖激光器生产厂家(生产氦氖激光器核心部件激光管的)只有,随着半导体激光器的冲击及医疗器械中对某些氦氖激光器的禁用,生产厂家还有减少的趋势。

    从互联网上、各种展览会上都能找到、看到很多氦氖激光器生产厂家,这些厂家都是从氦氖激光器核心部件生产厂家购买内腔氦氖激光管,配以电源、外壳,组装成内腔氦氖激光器。而这些厂家大多配的都是廉价的倍压整流电路激光电源,就一套250氦氖激光器而言,采用倍压整流电路激光电源与采用开关电路激光电源成本相差 两三百元。而激光器的购买者大都关心激光器的价格、参数、性能,而忽略激光电源的材质、性能、使用寿命。

、激光器的横向模式

    横向模式是描述激光光场分布的一参数,用TEMm n表示,TEM表示横向电磁波,下标mn分别表示在直角坐标系中光场分布沿XY轴方向或极坐标系中径向r、方位角θ光强为零的节点数。通常把mn数值小的称为低价模,把TEM00模称为单(横)模或基模,把非TEM00模称为多模,TEM00模是所有横向模式中光斑尺寸最小,光束发散角最小,能量最集中,方向性最好的模式。通常光学实验中都要求TEM00模,一般横向模式用眼睛不易看清,可用扫描干涉仪检测,或用透镜将激光扩束放大,下图是几种扩束放大了的激光束横向模式光斑。氦氖激光器在制造时玻璃管管径过大或放电管不直会产生多模的横向模式。

十、激光器的纵模间隔

    纵模既激光器振荡的谱线,激光器谐振腔越长(输出镜、全反镜之间的距离越长),振荡的谱线就越多,纵模间隔是两相邻振荡谱线的频率差。氦氖激光器谱线展宽约为1520兆赫,谱线展宽除以纵模间隔就得到振荡的谱线条数。腔长小于150mm氦氖激光器其输出是单纵模,纵模间隔越大,相干长度越长。放电管1.5米长的氦氖激光器相干长度约为30厘米

十一、氦氖激光器的型号命名

    内腔式氦氖激光器的型号是根据其激光管长度(腔长)来命名的,如内腔氦氖激光管长度为250mm,侧其型号为250型。  

    外腔式氦氖激光器有两种命名方式,即根据外腔式氦氖激光器的放电管长度命名与外壳长度来命名两种。如一款外腔式氦氖激光器其放电管长度为1000mm,其外壳长度为1200mm左右,侧根据其放电管长度命名为1000 ,根据其外壳长度命名为1200型。 


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