引言

在激光技術(shù)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，氦氖（He-Ne）激光器占據(jù)著獨(dú)特而重要的地位。作為最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的氣體激光器之一，氦氖激光器不僅見(jiàn)證了激光技術(shù)的黃金發(fā)展期，更在今天依然在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。本文將深入探討氦氖激光器的發(fā)展歷史、工作原理及其在現(xiàn)代科研和工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。

1.歷史沿革：激光技術(shù)的先驅(qū)

1.1 早期探索與突破

氦氖激光器的誕生是20世紀(jì)60年代初激光技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展的重要成果。1960年5月16日，西奧多·梅曼（Theodore Maiman）在休斯研究實(shí)驗(yàn)室成功演示了世界上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器，這一突破性成就立即引發(fā)了全球科研機(jī)構(gòu)的激光研究熱潮。

貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在這場(chǎng)競(jìng)賽中表現(xiàn)尤為突出。阿里·賈萬(wàn)（Ali Javan）早在1959年就提出了利用氦氖混合氣體實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理論構(gòu)想。與他的同事威廉·貝內(nèi)特（William Bennett Jr.）和唐納德·赫里奧特（Donald Herriott）一起，賈萬(wàn)團(tuán)隊(duì)在1960年12月12日成功實(shí)現(xiàn)了氦氖激光器的首次運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出波長(zhǎng)為1.15微米的近紅外激光。

這是人類(lèi)歷史上第一臺(tái)連續(xù)波（CW）激光器，其意義非同凡響。與梅曼的脈沖式紅寶石激光器不同，氦氖激光器能夠產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的激光輸出，這一特性為激光在通信、測(cè)量、光譜學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。賈萬(wàn)團(tuán)隊(duì)的成功不僅驗(yàn)證了氣體激光器的可行性，更開(kāi)創(chuàng)了氣體激光器研究的新紀(jì)元。

1.2 可見(jiàn)光突破與技術(shù)成熟

1962年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的懷特（A.D. White）和里格登（J.D. Rigden）取得了另一項(xiàng)重要突破——他們首次實(shí)現(xiàn)了632.8納米紅光氦氖激光器的穩(wěn)定運(yùn)行。這個(gè)波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光譜的紅光區(qū)域，人眼可以直接觀察，這極大地拓展了氦氖激光器的應(yīng)用范圍。

632.8納米很快成為氦氖激光器最具代表性的輸出波長(zhǎng)。這不僅因?yàn)樗诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)便于觀察和對(duì)準(zhǔn)，更因?yàn)樵谶@個(gè)波長(zhǎng)下，氦氖激光器表現(xiàn)出極其優(yōu)異的模式質(zhì)量和功率穩(wěn)定性。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變諧振腔鏡片的鍍膜和放電條件，氦氖激光器還可以產(chǎn)生543.5納米（綠光）、594.1納米（黃光）、611.9納米（橙光）以及3.39微米（中紅外）等多個(gè)波長(zhǎng)的激光輸出。

1.3 商業(yè)化進(jìn)程與標(biāo)準(zhǔn)化

氦氖激光器的商業(yè)化進(jìn)程異常迅速。到1962年底，美國(guó)的Spectra-Physics公司和Perkin-Elmer公司就開(kāi)始小批量生產(chǎn)氦氖激光器。1965年，隨著制造工藝的成熟和成本的降低，氦氖激光器實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

在這一時(shí)期，氦氖激光器的設(shè)計(jì)也逐漸標(biāo)準(zhǔn)化。典型的商用氦氖激光器采用硬質(zhì)玻璃放電管，兩端裝有布儒斯特窗或內(nèi)腔鏡，使用冷陰極或熱陰極放電，整體結(jié)構(gòu)緊湊可靠。功率輸出從零點(diǎn)幾毫瓦到幾十毫瓦不等，滿足不同應(yīng)用需求。

2.物理原理：精妙的能級(jí)躍遷

2.1 氣體放電與能量傳遞機(jī)制

氦氖激光器的工作原理堪稱原子物理學(xué)應(yīng)用的典范。在典型的氦氖激光器中，氦氣和氖氣的混合比例約為5:1到10:1，總壓強(qiáng)維持在200-500帕斯卡（1.5-4托）。這個(gè)壓強(qiáng)范圍是經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化的——太低會(huì)導(dǎo)致放電不穩(wěn)定，太高則會(huì)增加碰撞去激發(fā)，降低激光效率。

當(dāng)1000-3000伏的直流高壓施加在放電管兩端時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生輝光放電。放電產(chǎn)生的高能電子（能量約20-50 eV）與氦原子發(fā)生非彈性碰撞，將氦原子從基態(tài)11S?激發(fā)到23S?和21S?亞穩(wěn)態(tài)。這兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)之所以重要，是因?yàn)樗鼈兙哂袠O長(zhǎng)的壽命（23S?約為10??秒，21S?約為5×10??秒），且禁戒向基態(tài)的輻射躍遷，因此可以積累大量的激發(fā)態(tài)原子。

2.2 共振能量轉(zhuǎn)移過(guò)程

氦氖激光器工作的關(guān)鍵在于氦和氖原子之間的共振能量轉(zhuǎn)移。氦原子的23S?能級(jí)（19.82 eV）與氖原子的4s?能級(jí)（19.78 eV）能量幾乎相同，兩者僅相差0.04 eV。同樣，氦的21S?能級(jí)（20.61 eV）與氖的5s?能級(jí)（20.66 eV）也非常接近，能量差僅0.05 eV。

當(dāng)處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子與基態(tài)氖原子發(fā)生碰撞時(shí)，由于能級(jí)的近共振特性，能量傳遞的截面很大，傳遞效率可達(dá)90%以上。這個(gè)過(guò)程可以表示為：

He* + Ne → He + Ne* + ΔE（動(dòng)能）

其中He表示激發(fā)態(tài)氦原子，Ne表示激發(fā)態(tài)氖原子，微小的能量差ΔE轉(zhuǎn)化為原子的動(dòng)能。

2.3 激光躍遷與增益機(jī)制

氖原子被激發(fā)到5s和4s能級(jí)后，可以向下方的3p和4p能級(jí)躍遷產(chǎn)生受激輻射。最重要的幾個(gè)激光躍遷包括：

• 5s? → 3p?：產(chǎn)生632.8 nm紅光，這是最常用的氦氖激光波長(zhǎng)
• 5s? → 3p?：產(chǎn)生3.39 μm中紅外激光，增益最高但通常被抑制
• 4s? → 3p??：產(chǎn)生1.15 μm近紅外激光，歷史上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)的氦氖激光波長(zhǎng)
• 4s? → 3p?：產(chǎn)生534.5 nm綠光

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的維持依賴于下能級(jí)的快速清空。3p能級(jí)的粒子通過(guò)自發(fā)輻射（壽命約10納秒）快速躍遷到3s能級(jí)，然后3s能級(jí)的原子通過(guò)與管壁碰撞去激發(fā)回到基態(tài)。這就是為什么氦氖激光器的管徑不能太粗的原因——較細(xì)的管徑（通常1-3毫米）確保原子能夠頻繁地與管壁碰撞，有效清空下能級(jí)。

2.4 增益飽和與功率特性

氦氖激光器的小信號(hào)增益系數(shù)約為0.1-0.2 m?1，相對(duì)較低。632.8 nm躍遷的增益帶寬約為1.5 GHz（多普勒展寬），在室溫下對(duì)應(yīng)約0.002 nm的波長(zhǎng)范圍。由于增益較低，氦氖激光器需要高反射率的諧振腔鏡（通常99.9%以上）和較長(zhǎng)的增益長(zhǎng)度才能達(dá)到激光閾值。

典型的氦氖激光器效率較低，僅為0.01-0.1%。這主要是因?yàn)榇蟛糠州斎腚娔苻D(zhuǎn)化為熱量，只有很小一部分轉(zhuǎn)化為激光輸出。盡管效率低，但氦氖激光器的絕對(duì)功率穩(wěn)定性很高，功率波動(dòng)通常小于1%。

3.技術(shù)特性：獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)

3.1 卓越的光束質(zhì)量

氦氖激光器能夠產(chǎn)生近乎完美的TEM??基模高斯光束，這是其最顯著的優(yōu)勢(shì)之一。典型的光束質(zhì)量因子M2值在1.05-1.1之間，極其接近理論極限值1。光束發(fā)散角通常小于1毫弧度，在某些長(zhǎng)腔設(shè)計(jì)中甚至可以達(dá)到0.5毫弧度以下。這種優(yōu)異的空間相干性使得氦氖激光器在需要高質(zhì)量光束的應(yīng)用中無(wú)可替代。

3.2 極高的頻率穩(wěn)定性

自由運(yùn)轉(zhuǎn)的氦氖激光器頻率穩(wěn)定度約為10??，但通過(guò)采用主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)，可以大幅提升穩(wěn)定性。Lamb凹陷穩(wěn)頻技術(shù)利用增益曲線中心的功率凹陷效應(yīng)，可以將頻率穩(wěn)定度提高到10??到10??。對(duì)于更高要求的應(yīng)用，雙縱模穩(wěn)頻或飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)10?11甚至更高的頻率穩(wěn)定度。

3.3 優(yōu)異的相干特性

氦氖激光器的相干長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米，這在所有常見(jiàn)激光器中是最優(yōu)秀的之一。632.8 nm氦氖激光器的典型線寬約為1.5 GHz（多普勒極限），通過(guò)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)和穩(wěn)頻技術(shù)，線寬可以壓縮到MHz量級(jí)。長(zhǎng)相干長(zhǎng)度和窄線寬使其成為干涉測(cè)量、全息成像等相干光學(xué)應(yīng)用的理想選擇。

3.4 噪聲特性

氦氖激光器具有極低的強(qiáng)度噪聲。相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）在1 kHz以上頻率范圍通常低于-130 dB/Hz，遠(yuǎn)優(yōu)于半導(dǎo)體激光器。這種低噪聲特性源于其穩(wěn)定的放電過(guò)程和較長(zhǎng)的上能級(jí)壽命。振幅噪聲主要來(lái)自等離子體振蕩和電源紋波，通過(guò)優(yōu)化放電條件和使用低噪聲電源可以進(jìn)一步降低。

3.5 長(zhǎng)期穩(wěn)定性與可靠性

現(xiàn)代密封管氦氖激光器的使用壽命通常超過(guò)20,000小時(shí)，某些高質(zhì)量產(chǎn)品甚至可以達(dá)到50,000小時(shí)。在整個(gè)使用壽命期間，輸出功率的衰減通常不超過(guò)20%。這種長(zhǎng)期穩(wěn)定性得益于成熟的封裝技術(shù)——采用低氦滲透率的玻璃材料、優(yōu)化的氣體配比、以及穩(wěn)定的陰極材料。

4.現(xiàn)代應(yīng)用：經(jīng)典技術(shù)的新生命

盡管半導(dǎo)體激光器和固體激光器技術(shù)日新月異，氦氖激光器在許多領(lǐng)域仍然是最優(yōu)選擇：

4.1 精密計(jì)量與干涉測(cè)量

在激光干涉儀中，氦氖激光器仍然是黃金標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x還是法布里-珀羅干涉儀，氦氖激光器都能提供理想的相干光源。在表面輪廓測(cè)量、振動(dòng)分析、應(yīng)變測(cè)量等應(yīng)用中，其長(zhǎng)相干長(zhǎng)度允許測(cè)量大的光程差，而優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性確保了測(cè)量精度。

許多國(guó)家計(jì)量院仍然使用碘穩(wěn)定的633 nm氦氖激光器作為長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際體現(xiàn)。這種激光器的波長(zhǎng)不確定度可以達(dá)到2.5×10?11，是實(shí)現(xiàn)米定義的重要工具。

4.2 全息技術(shù)與全息干涉

全息記錄需要高度相干的光源，氦氖激光器在這方面具有天然優(yōu)勢(shì)。其長(zhǎng)相干長(zhǎng)度允許記錄大景深的三維物體，穩(wěn)定的輸出確保了全息圖的高質(zhì)量。在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中，全息干涉技術(shù)利用氦氖激光器檢測(cè)材料的微小形變、裂紋和內(nèi)部缺陷。

數(shù)字全息顯微術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的技術(shù)，氦氖激光器因其穩(wěn)定性和相干性成為這一領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)光源。通過(guò)數(shù)字全息，可以實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞的三維成像、微粒追蹤等應(yīng)用。

4.3 光學(xué)教學(xué)與科研

在高等院校的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，氦氖激光器是不可或缺的教學(xué)工具。從基礎(chǔ)的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)，到高級(jí)的傅里葉光學(xué)、光學(xué)信息處理實(shí)驗(yàn)，氦氖激光器都扮演著重要角色。其可見(jiàn)光輸出便于觀察，功率適中確保安全，穩(wěn)定可靠降低維護(hù)需求，這些特點(diǎn)使其成為教學(xué)的理想選擇。

在科研領(lǐng)域，氦氖激光器常用作參考光源。例如，在開(kāi)發(fā)新型激光器時(shí)，研究人員經(jīng)常使用氦氖激光器作為波長(zhǎng)參考或功率標(biāo)定基準(zhǔn)。在光譜學(xué)研究中，氦氖激光器的多個(gè)譜線可以用于波長(zhǎng)校準(zhǔn)。

4.4 精密對(duì)準(zhǔn)與定位系統(tǒng)

在半導(dǎo)體光刻設(shè)備中，氦氖激光器用于晶圓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，其穩(wěn)定的波長(zhǎng)和優(yōu)異的指向穩(wěn)定性確保了納米級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度。在大型科學(xué)裝置如粒子加速器、引力波探測(cè)器的建設(shè)中，氦氖激光器提供的準(zhǔn)直光束用于部件的精確安裝和對(duì)準(zhǔn)。

建筑和土木工程領(lǐng)域也廣泛使用氦氖激光器。激光水準(zhǔn)儀、激光垂準(zhǔn)儀等儀器利用氦氖激光器的直線傳播特性和高亮度，在隧道開(kāi)挖、大型建筑物施工中提供精確的基準(zhǔn)線。

4.5 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

雖然在治療應(yīng)用中氦氖激光器已經(jīng)大部分被其他激光器取代，但在某些診斷和研究應(yīng)用中仍有一席之地。流式細(xì)胞儀中，氦氖激光器作為激發(fā)光源用于細(xì)胞分選和分析。共聚焦顯微鏡系統(tǒng)中，633 nm氦氖激光器常用于激發(fā)紅色熒光染料。

在眼科檢查中，氦氖激光器用于視網(wǎng)膜成像和眼底血流測(cè)量。其低功率和良好的穿透性使其成為眼科診斷的安全選擇。

4.6 條碼掃描與光學(xué)讀取

盡管LED和半導(dǎo)體激光器在便攜式掃描器中占主導(dǎo)地位，但在需要高速、高精度掃描的工業(yè)應(yīng)用中，氦氖激光器仍有應(yīng)用。其優(yōu)異的光束質(zhì)量確保了在長(zhǎng)距離掃描時(shí)仍能保持高分辨率。

5.Kewlab氦氖激光器解決方案

作為專(zhuān)業(yè)的光學(xué)儀器制造商，Kewlab憑借多年的技術(shù)積累和制造經(jīng)驗(yàn)，為全球科研和工業(yè)用戶提供高品質(zhì)的氦氖激光器產(chǎn)品。Kewlab自主生產(chǎn)的632.8nm氦氖激光器以其卓越的性能和可靠性贏得了廣泛認(rèn)可。

Kewlab氦氖激光器采用先進(jìn)的制造工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，確保每一臺(tái)產(chǎn)品都具有優(yōu)異的光束質(zhì)量、出色的功率穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。我們的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于干涉測(cè)量、全息成像、光學(xué)教學(xué)、精密對(duì)準(zhǔn)等領(lǐng)域，為用戶的科研和生產(chǎn)提供穩(wěn)定可靠的激光光源。

Kewlab技術(shù)團(tuán)隊(duì)擁有豐富的氦氖激光器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)榭蛻籼峁?zhuān)業(yè)的技術(shù)支持和應(yīng)用指導(dǎo)，幫助用戶充分發(fā)揮氦氖激光器的性能優(yōu)勢(shì)。

6.技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

6.1 小型化與集成化

現(xiàn)代氦氖激光器正朝著更加緊湊的方向發(fā)展。通過(guò)優(yōu)化放電管設(shè)計(jì)和諧振腔結(jié)構(gòu)，新一代氦氖激光器的體積比早期產(chǎn)品減小了50%以上，同時(shí)保持了優(yōu)異的性能。一些制造商開(kāi)發(fā)了集成化的氦氖激光器模塊，將激光器、電源和控制電路集成在一個(gè)緊湊的封裝中。

6.2 新型穩(wěn)頻技術(shù)

除了傳統(tǒng)的Lamb凹陷穩(wěn)頻，研究人員正在開(kāi)發(fā)基于新原理的穩(wěn)頻技術(shù)。例如，利用光纖光柵或F-P標(biāo)準(zhǔn)具的反饋穩(wěn)頻，可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下提高頻率穩(wěn)定度?；跀?shù)字信號(hào)處理的主動(dòng)穩(wěn)頻技術(shù)也在發(fā)展中，有望實(shí)現(xiàn)更智能的頻率控制。

6.3 特殊波長(zhǎng)開(kāi)發(fā)

雖然632.8 nm是最常用的波長(zhǎng)，但其他波長(zhǎng)的氦氖激光器也在特定應(yīng)用中顯示出價(jià)值。例如，594.1 nm黃光氦氖激光器在某些熒光應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；3.39 μm中紅外氦氖激光器在氣體檢測(cè)和光譜學(xué)中有重要應(yīng)用。通過(guò)優(yōu)化放電條件和諧振腔設(shè)計(jì)，這些特殊波長(zhǎng)的輸出效率正在不斷提高。

6.4 環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展

隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，氦氖激光器的制造也在向更加環(huán)保的方向發(fā)展。新的制造工藝減少了有害物質(zhì)的使用，提高了材料的回收利用率。同時(shí)，通過(guò)提高激光器的使用壽命和降低功耗，減少了整體的環(huán)境影響。

7.展望未來(lái)：經(jīng)典與創(chuàng)新的融合

氦氖激光器的發(fā)展歷程充分證明了一項(xiàng)成熟技術(shù)的持久生命力。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，隨著精密制造、量子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)高質(zhì)量、高穩(wěn)定性激光光源的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。

在量子技術(shù)領(lǐng)域，氦氖激光器可能在量子密鑰分發(fā)、原子干涉儀等應(yīng)用中找到新的用武之地。其優(yōu)異的相干性和穩(wěn)定性符合量子系統(tǒng)對(duì)光源的嚴(yán)格要求。在精密測(cè)量領(lǐng)域，結(jié)合現(xiàn)代光子技術(shù)如光頻梳，氦氖激光器可能實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量能力。

同時(shí)，氦氖激光器也在不斷吸收新技術(shù)帶來(lái)的改進(jìn)。例如，利用微納加工技術(shù)制造的新型諧振腔結(jié)構(gòu)，可能進(jìn)一步提升激光器的性能；采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化的控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更智能的運(yùn)行管理。

結(jié)語(yǔ)

從1960年誕生至今，氦氖激光器已經(jīng)走過(guò)了60多年的發(fā)展歷程。它不僅是激光技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑，更是現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中不可或缺的基礎(chǔ)工具。其簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的光束質(zhì)量、極高的穩(wěn)定性，使其在眾多新型激光器層出不窮的今天，依然保持著獨(dú)特的技術(shù)地位和應(yīng)用價(jià)值。

氦氖激光器的故事告訴我們，真正優(yōu)秀的技術(shù)不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的流逝而失去價(jià)值。相反，它會(huì)在新的時(shí)代背景下找到新的應(yīng)用場(chǎng)景，繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特的作用。作為科研工作者和工程師，我們應(yīng)該既擁抱新技術(shù)的創(chuàng)新，也要珍視經(jīng)典技術(shù)的價(jià)值。

Kewlab將繼續(xù)致力于氦氖激光器的技術(shù)創(chuàng)新和品質(zhì)提升，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，助力科研和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。我們相信，這項(xiàng)經(jīng)典的激光技術(shù)將在新時(shí)代繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，為人類(lèi)的科技進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。

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關(guān)于作者：本文由Kewlab技術(shù)團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)，旨在為激光技術(shù)領(lǐng)域的研究人員和工程師提供專(zhuān)業(yè)的技術(shù)參考。