He-Ne激光管的失效机理研究

　　首台He-Ne激光器诞生于1960年,它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线,主要产生的有632·8 nm红光和1·15μm及3·39μm红外光。632·8 nm He-Ne激光器最大连续输出功率可达到350 mW以上,寿命也达到

　　10 000小时以上。He-Ne激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好、单色性好、相干性强等优点外,还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。失效机理是指产品故障的内在原因,说明了产品是如何失效的,亦即导致产品失效的物理、化学或机械过程[1-2]。He-Ne激光器由于其结构原因失效机理复杂,对它的寿命影响最大的因素大致有两个方面: (1)随着工作时间的推移,激光器谐振腔内的气体成分和气压发生了变化,不再是器件原来的最佳工作条件; (2)由于种种原因谐振腔内反射镜的反射率下降,造成腔内光学损失增加。文中将从直管He-Ne激光器的组成工艺和内部器件出发,详细分析它的失效机理。

　　1　直管He-Ne激光器的结构和工作原理

　　1·1　直管He-Ne激光器的结构

　　直管He-Ne激光器的结构大体可分为3部分:放电管、谐振腔和激励电源。He-Ne激光的放电管最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约2~3 mm,管长十厘米到十几厘米,放电管越长功率越大,相应的放电电压就高。管内主要按

　　5∶1~10∶1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2·66~3·99 Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极(其圆管状结构主要是为了减少放电测射),另一端装有钨针作阳极,放电管两端装有反射镜(即一头为全反射镜,出光一端为半反射镜)。在He-Ne激光器中,采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100%,另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约15~20 cm, He-Ne激光器半反射镜的反射率98·5% ~99·5%。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0·1 mm。He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不同,不能使用光泵激励,从而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中,供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。

　　1·2　直管He-Ne激光器的工作原理

　　直管He-Ne激光器放电管内的气体在一定电压作用下气体放电,放电管中的电子由负极向正极高速运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞,电子的能量传给原子,促使原子的能量提高,基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与高能级上的氦原子相碰,氦原子的能量传递给氖原子,并使其从基态跃迁到激发的能级状态,而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压,电流连续不断供给,原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。