He-Ne激光器的旁側(cè)光譜.doc

HeNe激光器的旁側(cè)光譜 黎臣0810130955【摘要】：本實(shí)驗(yàn)通過(guò)斬波器來(lái)控制激光輸出的有無(wú),利用鎖相放大器對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并用記錄儀記錄了無(wú)激光輸出以及有激光輸出時(shí)He-Ne激光的旁側(cè)光譜，并在有無(wú)激光輸出時(shí)記錄了各個(gè)光譜的變化情況。研究了在不同條件下Ne的有關(guān)能級(jí)粒子數(shù)變化情況?！娟P(guān)鍵詞】：He-Ne激光器 旁側(cè)光譜 粒子數(shù)分布 能級(jí)躍遷【引言】 He-Ne 激光器是一種應(yīng)用廣泛的原子氣體激光器，對(duì)于放電激勵(lì)的激光器，其輸出功率及效率都與發(fā)生受激輻射時(shí)的各有關(guān)能級(jí)的粒子數(shù)分布密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)量放電等離子體輻射的光譜強(qiáng)度，研究分析He-Ne 激光器在不同條件下粒子數(shù)的分布情況.同時(shí)使用光強(qiáng)法進(jìn)行光譜分析，使用鎖相放大器對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、He-Ne 激光器兩極接直流高壓使放電管輝光放電在毛細(xì)管中產(chǎn)生等離子體。其中He 原子被激發(fā)至亞穩(wěn)態(tài)，在躍遷定則限制下把能量傳給Ne原子，使Ne 處于激光上能級(jí)， Ne 的下能級(jí)衰變很快造成高低能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于激發(fā)態(tài)的工作物質(zhì)Ne 原子受激輻射，使光增益放大。2、He原子的能級(jí)以及Ne原子的能級(jí) He原子的基態(tài)為1S2，其兩個(gè)電子按照L-S耦合. （1）因此He 原子的基態(tài)為。He 原子激發(fā)態(tài)由一個(gè)電子被激發(fā)至高能級(jí)而另一個(gè)留在基態(tài)構(gòu)成。設(shè)處于激發(fā)態(tài)的電子主量子數(shù)為n2 ，當(dāng)n2 = 2 時(shí)， l2 = 0; 1; ，此時(shí)有： （2）根據(jù)L-S 耦合， J = L + S; ，可形成原子態(tài)有 。本實(shí)驗(yàn)只考慮與產(chǎn)生激光有關(guān)的 和兩個(gè)能級(jí)。 Ne 原子的電子組態(tài)為，基態(tài)為，Ne 原子激發(fā)態(tài)是一個(gè)2p 電子躍遷至高能級(jí)形成的，余下的9個(gè)電子集合相當(dāng)于一個(gè)孔穴，角動(dòng)量與一個(gè)2p 電子一樣。Ne 的這種激發(fā)態(tài)的耦合為（jl）耦合，耦合方式見(jiàn)參考文獻(xiàn)1。對(duì)2p 電子空穴， l1=1,s1=1/2,j1=3/2,1/2 (3)而跳到ns(n 2) 層的電子，l2=0,s2=1/2 (4)得中間角動(dòng)量 K=3/2,1/2 （5）于是原子的總角動(dòng)量J = 2; 1; 1; 0 四個(gè)能級(jí)狀態(tài)，用符號(hào)nlKJ 表示（jl）耦合：其中 表示這一能級(jí).這四個(gè)能級(jí)與Ne 原子的帕邢符號(hào)對(duì)應(yīng)：如果2p 電子跳到np(n 2) 層，則電子，對(duì)于2p 電子空穴，仍有,同理計(jì)算出10個(gè)原子能級(jí)的狀態(tài)，見(jiàn)參考文獻(xiàn)1中表8-3-1。3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制及激光躍遷 放電管兩極加幾千伏直流高壓，將氣體高度電離電子動(dòng)能通過(guò)第一類非彈性碰撞轉(zhuǎn)移至He 原子使其躍遷至激發(fā)態(tài)。其中一些激發(fā)態(tài)由于不滿足躍遷定則處于亞穩(wěn)態(tài)（如He 的和）. 同理和之間的輻射躍遷也不能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)更高能態(tài)的He 原子也有相當(dāng)一部分會(huì)回落至這兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，這種亞穩(wěn)態(tài)只能通過(guò)與其能量差很小的其它粒子發(fā)生第二類非彈性碰撞產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移回到基態(tài)。實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為He的兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)將能量轉(zhuǎn)移至Ne 使其激發(fā)到激光的上能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光躍遷發(fā)生在Ne原子能級(jí)之間，在（j，l）耦合中，比較嚴(yán)格的選擇定則如下： J=0，1； l2=1， （6）在滿足這兩條的可能躍遷中，J=K=l2 的躍遷較強(qiáng)，其他躍遷較弱。又由于躍遷nsnp是j1=1/2j1=1/2之間的躍遷，原子狀態(tài)的變化只涉及一個(gè)激發(fā)電子狀態(tài)的變化，發(fā)生幾率較大，而躍遷nsnp是j1=1/2j1=3/2之間的躍遷，原子狀態(tài)的變化不僅和激發(fā)電子狀態(tài)的變化有關(guān)，也和其他電子狀態(tài)的變化有關(guān),發(fā)生的幾率較小。故在可能的躍遷中，3S23P4，3S23P6 滿足J=K=l2 的要求，譜線較強(qiáng)，且躍遷3S23P4 屬于j1=1/2j1=1/2之間的躍遷，所以，這條光譜線最強(qiáng)，其余的都比較弱。同樣，3S22P4 、2S22P4 也是可能躍遷中最強(qiáng)的。這三條譜線是He-Ne激光器中最強(qiáng)的激光譜線。4、光譜強(qiáng)度與能級(jí)粒子數(shù)的關(guān)系 當(dāng)激光管放電但無(wú)激光輸出時(shí)，粒子數(shù)在Ne 的激光上能級(jí)上高度聚集，這時(shí)激光的旁側(cè)光譜就是通常在相同條件下放電光譜，反映了3S 能級(jí)向低能級(jí)自發(fā)輻射的躍遷情況。設(shè)滿足選擇定則的兩個(gè)能級(jí)i和j間的自發(fā)輻射光譜強(qiáng)度為 （7）實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)最終記錄的光強(qiáng)為： （8）當(dāng)有激光輸出時(shí)，旁側(cè)光譜的強(qiáng)度發(fā)生變化。由于3S2 上粒子通過(guò)受激輻射產(chǎn)生激光輸出，并以極大優(yōu)勢(shì)向躍遷，造成,的三條旁側(cè)光減弱。減弱使能級(jí)的粒子數(shù)減少，于是的自發(fā)輻射強(qiáng)度減弱. 受激輻射使得，減少了的躍遷，也使得減弱。另一方面，造成粒子數(shù)大大增加，使以為上能級(jí)的躍遷加強(qiáng)。 將一個(gè)斬波器放在諧振腔中，當(dāng)斬波器以恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使激光器交替的出現(xiàn)有激光輸出和無(wú)激光輸出的狀態(tài)，將一個(gè)檢測(cè)器放在激光器輸出端，即可得到一個(gè)頻率一定的方波信號(hào)，作為參考信號(hào)。而旁側(cè)光譜被調(diào)制成的方波信號(hào)，疊加在光電倍增管的噪聲上一起作為待測(cè)信號(hào)輸入鎖相放大器，即可測(cè)量旁側(cè)光譜的變化?！緦?shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、使激光器處于無(wú)激光輸出狀態(tài)（關(guān)斷斬波器，斬波器葉片遮住光）。倍增管輸出的信號(hào)直接輸入記錄儀，由于此時(shí)640.2nm譜線最強(qiáng)，掃描前應(yīng)首先在該譜線的峰位處適當(dāng)調(diào)節(jié)單色儀狹縫和記錄儀量程以獲得足夠強(qiáng)的信號(hào)和盡可能高的分辨本領(lǐng)。2、使激光處于有激光輸出狀態(tài)，相同條件下再掃一次光譜。3、接通斬波器電源（頻率為400Hz），光電池接受的周期變化的激光信號(hào)輸出給鎖相放大器參考信號(hào)輸入端作為參考信號(hào)，倍增管接受含周期變化的光譜信號(hào)輸給鎖相放大器信號(hào)輸入端。記錄儀零點(diǎn)在記錄紙重點(diǎn)附近，此時(shí)632.8nm和609.6nm分別為兩個(gè)方向最強(qiáng)的譜線，掃描前配合靈敏度等參數(shù)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單色儀狹縫和記錄儀量程使得這兩個(gè)譜線的強(qiáng)度和接近滿刻度。再掃描一次掃面光譜線。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析】1、 根據(jù)掃譜時(shí)起止點(diǎn)的波長(zhǎng)（參照640.2nm譜線位置做修正），確定譜線中各個(gè)峰的波長(zhǎng)。經(jīng)修正后測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如附圖一。2、 參照講義附錄表，在無(wú)激光輸出的旁側(cè)光譜圖上找出與632.8nm激光相關(guān)（3S2P，2P1S）的幾條譜線，標(biāo)明波長(zhǎng)和躍遷能級(jí)。畫(huà)出相關(guān)能級(jí)圖，并在其上標(biāo)明相關(guān)躍遷，在上述數(shù)據(jù)中選出了四條與632.8nm激光有關(guān)的譜線，見(jiàn)表2 表2.測(cè)得的相關(guān)躍遷譜線波長(zhǎng)（nm）594.66609.73611.82632.85躍遷能級(jí)2P41S52P41S43S22P63S22P4相關(guān)的躍遷能級(jí)圖如圖2 圖2 Ne原子632.8nm相關(guān)能級(jí)躍遷圖2、 在譜圖上測(cè)出相關(guān)各譜線的相對(duì)強(qiáng)度（以640.2nm譜線強(qiáng)度為100%），計(jì)算各能級(jí)的相對(duì)粒子數(shù)，并進(jìn)行比較，證明3S2和2P4 能級(jí)上實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（相對(duì)粒子數(shù)的計(jì)算中，波長(zhǎng)以nm為單位，自發(fā)輻射系數(shù)單位為107，相對(duì)強(qiáng)度單位為，所計(jì)算出的粒子數(shù)可以比較，但并不為真實(shí)值，與真實(shí)值差一個(gè)常數(shù)。）3分析旁側(cè)光譜的微小變化這步我們要做的是根據(jù)有無(wú)激光輸出時(shí)粒子分布的變化規(guī)律，分清強(qiáng)度變化譜圖上向哪個(gè)方向的普顯示變強(qiáng)，那個(gè)方向是變?nèi)?，分析幾條譜線強(qiáng)度變化的原因。實(shí)驗(yàn)得到的有、無(wú)激光輸出時(shí)旁側(cè)光譜圖經(jīng)，經(jīng)分析可知圖中光強(qiáng)較大的三條譜線應(yīng)該分別是594.48nm、609.61nm、632.84nm。那么找到這三條譜線，利用三點(diǎn)的內(nèi)差法可以修正坐標(biāo)值，從而可以確定譜線中各個(gè)峰的波長(zhǎng)值。結(jié)果如附圖二所示。4、根據(jù)有無(wú)激光輸出時(shí)粒子數(shù)分布的變化規(guī)律，分清強(qiáng)度變化譜圖上向哪個(gè)方向的譜線是變強(qiáng)，哪個(gè)方向是變?nèi)?。測(cè)出幾條與激光能級(jí)有關(guān)的譜線的相對(duì)變化量（以632.8nm為100%），計(jì)算有無(wú)激光輸出時(shí)與激光有關(guān)能級(jí)的粒子數(shù)變化方向和相對(duì)量，分析幾條譜線強(qiáng)度變化的原因?！緦?shí)驗(yàn)總結(jié)及建議】總結(jié)：本次實(shí)驗(yàn)利用鎖相放大器和光電倍增管對(duì)He-Ne激光器的旁側(cè)光譜在有激光輸出與無(wú)激光輸出進(jìn)行了觀察，并對(duì)有無(wú)激光輸出變化時(shí)的變化進(jìn)行了測(cè)量，證明了He-Ne激光器中3S2和2P4 能級(jí)上實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并且通過(guò)測(cè)量旁側(cè)光譜的變化量，可以得到相關(guān)能級(jí)的粒子數(shù)的變化規(guī)律。建議： 在有無(wú)激光輸出時(shí)，記錄儀會(huì)畫(huà)出譜線強(qiáng)度變化，注意鎖相放大