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。氦氖激光器以其高光束质量和长相干长度而闻名，是教育实验室和精密工业计量领域的主力军。
工作原理
氦氖激光器的工作原理是利用放电在混合气体中产生粒子数反转。
- 电激励：高压放电通过混合气体。较轻、含量更多的氦原子被激发到亚稳态的高能级。
- 共振能量转移：受激的氦原子与未受激的氖原子碰撞。由于氦气的特定能级与氖气的激发能级非常匹配，氦原子将其能量转移给氖原子，导致氖气中产生粒子数反转。
- 受激发射：当氖原子中受激电子返回较低能级时，它们会发射光子。这些光子触发更多光子的受激发射，从而产生连贯的光级联。
物理结构
标准氦氖激光器的物理结构相对简单但精度很高。
- 增益介质管：一个密封的玻璃或石英管，其中含有氦气和氖气的混合物，通常比例为 10:1 或 5:1，处于低压状态（约 1 托）。
- 电极：管内设有阳极和阴极，提供激发所需的放电。
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光学谐振腔：两个反射镜放置在管的两端，形成光学腔。
- 高反射镜：一个反射镜镀膜使其反射率接近 100%。
- 输出耦合器：另一个反射镜是部分透射的（通常反射率为 99%），允许一小部分光作为可用的激光束逸出。
- 布儒斯特窗（可选）：在某些设计中，气管的末端用以布儒斯特角倾斜的窗户密封。这消除了一个偏振态的反射损耗，从而产生线性偏振输出光束。
关键光学指标
- 波长：最常见和著名的发射线是632.8 nm的红色光。但是，氦氖激光器也可以设计成发射 543.5 nm（绿色）、594 nm（黄色）、612 nm（橙色）、1152 nm（红外）和 3391 nm（红外）的光。
- 输出功率：通常功率较低，范围为 0.5 mW 到 50 mW。
- 光束轮廓：它们通常产生出色的、高度对称的横向电磁模式，特别是 TEM00（高斯）光束轮廓。
- 相干长度：极长（通常在 20 厘米到几米之间），使其非常适合干涉测量。
分类和类型
氦氖激光器通常根据两个主要特征进行分类：
- 按波长：红色氦氖（标准）、绿色氦氖、黄色氦氖和红外氦氖。窄带光学带通滤波器（例如，精确以 632.8 nm 为中心）通常与这些激光器配对，以消除传感器应用中的环境光。
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按偏振： * 随机偏振：偏振状态随时间波动。
- 线性偏振：使用内部布儒斯特窗将光束强制为单个稳定的偏振状态。
应用
由于其出色的光束质量和稳定的波长，氦氖激光器被用于需要高精度而非高功率的应用中：
- 干涉测量和计量：用于精确的表面测量和校准。
- 光学对准：用作对准复杂光学系统或工业机械的直线参考。
- 全息术：长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，以计数和分析细胞。
实际示例：迈克尔逊干涉仪
背景：物理实验室需要测量光源的精确波长或检测距离的微小变化。
组件集成：一束 632.8 nm 的氦氖激光器被导入迈克尔逊干涉仪。光束照射分束器，分成两条独立的光路。一条路径传输到固定反射镜，另一条路径传输到可移动反射镜。光束反射回来并在分束器处重新组合，在屏幕上投射出干涉图样。
功能：由于氦氖激光器具有极长的相干长度和高度稳定的波长，重新组合的光束完美地保持了它们的相位关系。
结果：该系统产生清晰、高度可见的同心干涉条纹。通过计算可移动反射镜调整时移动的条纹数量，用户可以测量低至 632.8 nm 波长的一小部分（纳米级精度）的距离变化。
