氦氖（He-Ne）激光器是一种气体激光器，其增益介质由小型放电管内的氦气和氖气混合物组成。He-Ne 激光器以其高光束质量和长相干长度而著称，广泛用于教学实验室和精密工业计量。
工作原理
He-Ne激光器通过放电在混合气体中形成粒子数反转，从而实现激光输出。
- 电激发：高压放电通过混合气体。质量较轻且含量较高的氦原子被激发到亚稳高能态。
- 共振能量转移：受激氦原子与未受激的氖原子碰撞。由于氦的特定能级与氖的激发能级非常接近，氦原子会将能量转移给氖原子，从而使氖气中产生粒子数反转。
- 受激发射： 当氖原子中的受激电子跃迁回较低能级时，会发射光子。这些光子会触发更多光子的受激发射，形成相干光级联。
物理结构
标准 He-Ne 激光器的物理结构相对简单，但精度要求很高。
- 增益介质管： 一根密封的玻璃管或石英管，其中装有氦气和氖气的混合气体，典型比例为 10:1 或 5:1，气压较低（约 1 Torr）。
- 电极: 阳极和阴极位于管内，用于产生激发所需的放电。
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光学谐振腔：在管的两端分别放置一面反射镜，以形成光学谐振腔。
- 高反射镜：其中一面反射镜经过镀膜处理，反射率接近100%。
- 输出耦合镜： 另一块反射镜为部分透射型（通常反射率为 99%），使一小部分光能够作为可用的激光束输出。
- 布儒斯特窗（可选）： 在某些设计中，气体管两端由按布儒斯特角倾斜的窗口密封。这样可以消除一种偏振态的反射损耗，从而获得线偏振输出光束。
关键光学指标
- 波长: 最常见且最著名的发射线是位于632.8 nm的红光。不过，He-Ne 激光器也可设计为发射543.5 nm（绿光）、594 nm（黄光）、612 nm（橙光）、1152 nm（红外光）和3391 nm（红外光）。
- 输出功率： 通常为低功率，典型范围为 0.5 mW 至 50 mW。
- 光束轮廓：通常会产生高度对称且质量优异的横向电磁模式，具体为TEM00（高斯）光束轮廓。
- 相干长度: 极长，通常介于20 cm至数米之间，因此非常适合干涉测量。
分类和类型
He-Ne 激光器通常按两个主要特性分类：
- 按波长分类：红色 He-Ne（标准）、绿色 He-Ne、黄色 He-Ne 和红外 He-Ne。在传感器应用中，窄带光学带通滤光片（例如中心波长精确位于 632.8 nm 的滤光片）通常与这些激光器配合使用，以消除环境光。
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按偏振分类： * 随机偏振： 偏振态随时间波动。
- 线偏振： 使用内部布儒斯特窗，使光束保持单一、稳定的偏振态。
应用
He-Ne激光器具有出色的光束质量和稳定的波长，因此用于需要高精度而非高功率的应用：
- 干涉测量与计量：用于精密表面测量和校准。
- 光学对准: 用作直线基准，以对准复杂光学系统或工业机械。
- 全息技术： 较长的相干长度对于记录高质量全息图至关重要。
- 流式细胞术： 用于生物医学研究中的细胞计数和分析。
实际示例：迈克耳孙干涉仪
背景：物理实验室需要测量光源的精确波长，或检测微小的距离变化。
组件集成：将一束632.8 nm He-Ne激光导入迈克耳孙干涉仪。光束照射到分光镜上，并被分成两条独立的光路。一条光路通向固定反射镜，另一条通向可移动反射镜。两束光经反射后返回，并在分光镜处重新合束，将干涉图样投射到屏幕上。
功能： 由于 He-Ne 激光器具有极长的相干长度和高度稳定的波长，重新合束后的光束能够完美保持其相位关系。
结果：系统会产生清晰、易于观察的同心干涉条纹。通过计算调节可移动反射镜时发生移动的条纹数量，用户可以测量小至632.8 nm波长一部分的距离变化（纳米级精度）。
