21氦氖激光報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)名稱：He-Ne激光器放電條件的研究實(shí)驗(yàn)學(xué)時：16學(xué)時（分兩次作）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、給He-Ne激光器配氣；2、觀測放電條件對激光輸出功率的影響。通過對He-Ne激光器的配 氣和輸出功率的測量過程，進(jìn)一步了解He-Ne激光器的工作原理和放電條件對激光輸出功率的影響； 3、進(jìn)一步熟悉真空的獲得、測量和充氣技術(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器：內(nèi)腔式He-Ne激光器、配氣裝置、U型管壓力計(jì)、真空系統(tǒng)（機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、電離規(guī)等）、 功率計(jì)。由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、工作物質(zhì)氣體儲氣瓶、真空管路、以及U型液體壓強(qiáng)計(jì)等構(gòu)成的真空系統(tǒng)， 復(fù)合真空計(jì)，光電檢流計(jì)和實(shí)驗(yàn)待測250mmHe-Ne激光管。實(shí)驗(yàn)原理：激光器的基本結(jié)構(gòu)包括三部分：

2、工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵能源。要形成激光，第一，必須 利用激勵能源使工作物質(zhì)激活，即使工作物質(zhì)內(nèi)部的電子在某些能級之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。 在He-Ne激光器中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是通過氣體放電來實(shí)現(xiàn)的。第二，必須滿足產(chǎn)生激光的閾值條件， 即要使光在諧振腔中來回一次在激活介質(zhì)中獲得的增益，足以補(bǔ)償由各種因素所導(dǎo)致的光的損耗。引言氣體激光器的種類很多，He-Ne氣體激光器是目前應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。由于它的發(fā)散角 小、單色性和方向性極好、穩(wěn)定性高，故在準(zhǔn)直、計(jì)量、全息、檢測、導(dǎo)向、信息處理、醫(yī)療等技 術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。但He-Ne氣體激光器的輸出功率較小，He-Ne氣體激光器的輸出功率只有 1

3、 100mW，最常用的25cm的激光管，放電電流為5mA高壓為1500V，輸出功率為1.5mW，效率 僅為0.02%。制作He-Ne氣體激光器時，為了在有限的腔長內(nèi)，盡可能獲得較大的功率輸出，要選 擇最佳的放電條件。所謂最佳放電條件是指一定管徑和管長的He-Ne氣體激光器在適當(dāng)?shù)目倸鈮骸?氣體配比和放電電流下運(yùn)轉(zhuǎn)，以獲得最大功率的激光輸出。1 He-Ne氣體激光器工作原理1.1 He-Ne氣體激光器工作物質(zhì)能級的特點(diǎn)He-Ne氣體激光器是充有He和Ne混合氣體的器件，其中產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，其作用是提高Ne原子的泵浦速率。圖1為He和Ne的能級圖。圖1 He與Ne原子的部分

4、能級圖He原子有兩個電子， 沒激發(fā)時這兩個原子都分 布在1s殼層上，He原子 處于基態(tài)，其基態(tài)電子組 態(tài)為1s1s，基態(tài)能級是波數(shù)17(11S 0 )。當(dāng)激光管的兩端加上高壓后，放電管中 電離氣體的電子會得到動15能，通常用電子溫度re來 描述電子運(yùn)動的平均動 能。動能較大的電子會與 處于基態(tài)的氦原子發(fā)生非 彈性碰撞，其中一個電子 由1s殼層激發(fā)到2s殼層 (電子組態(tài)為1s2s)，將141312He原子由基態(tài)(11S0 )11激發(fā)到He的亞穩(wěn)態(tài)(21S0)或(23S1)態(tài)。Ne原子有10個電子I電I子I碰撞I激I發(fā)NuimillllfihK （2pi_4 s）1 諭-怨臨泌取岫t632.8nm

5、11150nA 2PVl _（BH|3 p）PIiII -z.1 lBf碰射/Sfr，I zrI發(fā)| 2|管壁效應(yīng)馳豫I管壁效應(yīng)馳豫NeI* Ne1 s1S 一L.基態(tài)為S0 （電子分布為1 s2，p 6）。激發(fā)態(tài)為1S、2S、3S、2P、3PC crCuHCuC c2 n 5 32 ”54 S 2 n 5 5 S 2 n 5 32。54。ppp u - J p p p p一.，一 um、 * |r CT/r CQ I CT 呂匕TTZ PffI 阿7“ 日Z1 Z/TZ,.與2P、3態(tài)、，2S 與2p能匕心之間的勺很多子能匕級zromPIVBlP1 1 U m vH* f76 32 83 3

6、9115U J4U、J J/|I_1_ 上 J，/J /J-. |-| J口 L_iI He(帕邢符號)等，它們對應(yīng)的外層電子組態(tài)分別為2 p根據(jù)能量躍遷選擇定則，在Ne原子的3S與之間能產(chǎn)生躍遷譜線，其中最強(qiáng)的有三條，即0.631別為 3s2 T 2P4，3s2 t 3P4，2S2 t 2P4。12P和3P態(tài)不能直接向基態(tài)躍遷，而向1S態(tài)躍遷很快。1S態(tài)向基態(tài)躍遷是被選擇定則禁止的， 不能自發(fā)的回到基態(tài)，但它與管壁碰撞時，可以把能量交給管壁，自己回到基態(tài)。從能級圖和上述分析可見知，He-Ne氣體激光器是典型的四能級系統(tǒng)。1.2 He-Ne氣體激光器的激發(fā)機(jī)理He-Ne氣體激光器采用的是直流放

7、電激勵的方式，使Ne原子在2S、3S和2P、3P能級間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在He-Ne氣體激光器中，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)過程如下：第一是共振轉(zhuǎn)移。由能級圖可見，He原子的21S 、23 S1態(tài)分別與Ne與原子的3S、2S態(tài)靠的很近，而且He原子的21S0、23S1是亞穩(wěn)態(tài)，二者碰撞很容易發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移的幾率 很高，其能量轉(zhuǎn)移過程如下：He(11 s0 )+et He*(21S0)+eHe(ns0)+et He*(23s 1)+ eH e*(21S 0 )+Ne(iS ) T Ne*(3S 2 )+He(i】s 0 )+0.048eVHe*(23S 1)+Ne(iS0)T Ne*(2

8、S2)+He(nS0 )+0.039eV式中，He(ii s 0)表示He的ii s 0能級0; H e *和N e *表示激發(fā)態(tài)的He和Ne； e表示碰撞前 的電子，e表示碰撞后速率變小的電子。第二是電子直接碰撞激發(fā)。在氣體放電過程中，基態(tài)Ne原子與具有一定動能的電子進(jìn)行 非彈性碰撞，直接被激發(fā)到2S和3S態(tài)，其反應(yīng)過程如下：e+ Ne(iS ) t e+Ne* (3S，2S)與共振轉(zhuǎn)移相比，這種過程激發(fā)的速率要小的多。第三是串級激發(fā)，Ne原子與電子碰撞激發(fā)到更高能態(tài)，然后再躍遷到2S和3S態(tài)，與前述兩 過程相比，此過程最小。另外，氦氖激光下能級Ne(3P、2P)的激發(fā)主要是電子碰撞激發(fā)。綜

9、上所述，He-Ne氣體激光器反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的建立主要取決于共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)。3反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度口 n的表達(dá)式激光器的基本結(jié)構(gòu)包括三部分：工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵能源。要形成激光，首先必須利 用激勵能源使工作物質(zhì)激活，即使工作物質(zhì)內(nèi)部的電子在某些能級之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。第 二必須滿足產(chǎn)生激光的閾值條件，即要使光在諧振腔中來回一次在激活介質(zhì)中所獲得的增益足以補(bǔ) 償由各種因素所導(dǎo)致的光的損失，而增益正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度口n。對同型He-Ne氣體激光器來 說，器件增益越大，激光器的輸出功率越大。故要研究放電條件對He-Ne氣體激光器輸出功率的影 響，可轉(zhuǎn)化為放電條件對反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度口n的影響。為了分

10、析粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度口n與放電條件的關(guān)系，必須給出反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 n的表達(dá)式。以0.6328pm譜線為例，在不考慮受激輻射和受激吸收的條件下，運(yùn)用速率方程進(jìn)行討論。設(shè)Ne*(3S2)能級上的粒子數(shù)密度為n3，則其變化速率為: TOC o 1-5 h z 冬=knn - kn n -寫dt i 40 3 t3式中n為Ne基態(tài)(iS )上的粒子數(shù)密度；n為He*(2iS0)的粒子數(shù)密度；k為共振轉(zhuǎn)移 速率常數(shù)；n為He禁態(tài)(iiS )上的粒子數(shù)密度knn為He向Ne共振轉(zhuǎn)移的激發(fā)速率，-00i 4kn n為Ne向He共振轉(zhuǎn)移的激發(fā)速率。因?yàn)镠 e *(2i S 0)和N e*(3S 2)靠的很近，故可

11、以 近似3認(rèn)為以上兩個相反方向的共振過程具有相同的速率K。n / t表示N e *(3 S 2)的粒子 數(shù)弛豫到其它能級的速率；t 3為弛豫時間。3 3穩(wěn)態(tài)時，螞=0，由(I)式可得：dt(2)(3)kn n n 3ikn +3S + n A )，n為電子密度，S為電子碰撞基態(tài)同理He *(2i S 0)能級上的粒子數(shù)密度n4的速率方程為: dn _/=n n S - ( n ndt 0 e 0 44上式右端n0 n S04表示電子碰撞激發(fā)的速率He（w）激發(fā)到He*（21S0）的激發(fā)速率常數(shù)。n n S表示電子碰撞消激發(fā)的速率，電 子與激發(fā)態(tài)He*（21 S。）碰撞后，后者把能量交給電子，是

12、電子加速而自己回到基態(tài)；He* （21S ）也可能吸收電子的能量，使自身電離或躍遷到其它能態(tài)，這些都起到消減激發(fā)態(tài) 粒子數(shù)的作用。為消激發(fā)速率常數(shù)。n A表示因共振轉(zhuǎn)移或逃逸出激活區(qū)而使n減 少的速率，A是衰減幾率。式可得:穩(wěn)態(tài)后，知=0，由（3）dt(4)將上式代入（2）式可得:(5)_ kn n n Sn =i0e043 (kn + )(n S + A )0 v e 4 TOC o 1-5 h z 由前面的分析可知，Ne的激光下能級2P的粒子數(shù)密度n也同He*（2iS0）一樣都是 由電子碰撞激發(fā)的。故與n4有類似的表達(dá)式：42熾=n n S -（ n n S + n A）（6）dt i e

13、 022 e 22式中，nnS為電子碰撞激發(fā)速率，S為電子激發(fā)速率常數(shù)；nnS為電子碰撞消激發(fā)速率，七為消激發(fā)速率常數(shù)；n2A為自發(fā)輻射的衰減速率，A為自發(fā)輻射幾率。穩(wěn)態(tài)后，=0，由（6）式可得：因自發(fā)輻射幾率A很大dt故分母中n S可以忽略，則上式變?yōu)?(8)n = n2 A故反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度：0 n =nnSA_ kn n n Sn - n =r-0e04(kn +)(n S + A )0 v e 42充氣配比：2.1最佳放電條件的實(shí)驗(yàn)確定和理論分析通過上面的分析我們知道，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度0 n影響激光管的激光功率輸出。要獲 得最大功率的激光輸出，即為得到最高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，應(yīng)采用最佳放電條件，

14、即最佳放 電電流，最佳總氣壓和最佳分壓比。為了對He-Ne氣體激光器的最佳放電條件進(jìn)行驗(yàn)證，我們采用XDJ-1型He-Ne激光 綜合實(shí)驗(yàn)儀，其原理圖如圖2。規(guī)規(guī)擴(kuò)散泵激光電源熱電偶離機(jī)械泵匚二電爐圖2 XDJ-1型He-Ne激光綜合實(shí)驗(yàn)儀原理圖2.2配比及充氣量的計(jì)算激光管充氣的關(guān)鍵是正確配置混合氣體。我們知道，各種不起化學(xué)反應(yīng)的混合氣體 總壓強(qiáng)等于各種氣體分壓強(qiáng)之和（道爾頓定律）。設(shè)p、p分別為He和Ne的分壓強(qiáng)， P為混合氣體總壓強(qiáng)，則He Ne令 p : p =m:n，則PL PHe + PNe若V中有壓強(qiáng)為P1的He氣，HePHe 二 PHeP = p x mHe總 m + np =

15、p x nNe總 m + nV中有壓強(qiáng)為P的Ne氣，則2PHe VLPNeV2 二 PNe(1+匕)=P總1Ne(V + V)(J + V2)x (1+ 匕)m + n Vi(10)(11)(12)(13)(14)P = p (1+ ； ) = p xn (1+、)(15)Ne NeV總 m + nV因?yàn)橄到y(tǒng)形狀不規(guī)則，所以需要計(jì)算充入氣體的體積比，即充氣量的計(jì)算。當(dāng)V和V 都抽成真空后，先在V2內(nèi)充入一定量的He，測出其壓強(qiáng)P，然后打開活塞F6，測出此 時壓強(qiáng)p，由玻意爾定律有：(16)(17)=心V P 2b壓強(qiáng)P、P可由U型壓力計(jì)測出，U型計(jì)的測量原理物理課中已討論過，兩液面高度差 即為

16、壓強(qiáng)值。(18)m ,I 1、 m (1 + 門)(1+ )= p Mm + n 門P=Nep n (1 + 門)總 m + n(19)2.3過程和方法先將系統(tǒng)抽至高真空，按照上面的分析，測出壓強(qiáng)p和p，由（18）式得門值。 將門值帶入（18）、（19）式求的p p。再將系統(tǒng)抽至高真空2 x 10 -3 Pa，接著充入 He氣，達(dá)到p時關(guān)閉，抽出v中的He：,保持p ，再向V中充入Ne氣，其壓強(qiáng)為p 。He21He2Ne最后打開活塞F，將V、V中的氣體混合越10分鐘，接上電源令其放電產(chǎn)生激光。 3結(jié)果與分析6123.1輸出功率W與放電電流I的關(guān)系為了確定He-Ne激光管輸出功率和放電電流的關(guān)系

17、，我們在充氣比和充氣壓一定的 情況下進(jìn)行。圖3輸出功率隨放電電流變化的曲線圖在實(shí)驗(yàn)中門二4:7.3，He、Ne氣體配比為7:1,氣體總壓強(qiáng)p =550Pa，得到輸出功率 隨放電電流的變化，結(jié)果見表1?？偙?放電電流對輸出功率的影響I(mA)3456789W(mW)1.831.851.851.841.811.761.69把表1的結(jié)果表示成曲線圖為由圖3可知，輸出功率隨放電電流的變化有一個最大值，即放電電流有一個最佳值 （4 5mA），激光輸出功率的最大值與放電電流的最佳值相對應(yīng)。這是因?yàn)樵诔錃獗群统錃鈮阂欢ǖ那闆r下，電子密度與放電電流I成正比，即 n = k I（ k 為比例系數(shù)）。而n，n，t

18、，A等均與放電電流無關(guān)。于是（5）式和（8） 式可表示為：0 1 3n =kTI(20)(21)3 k I + A n = k -1A kn n S 1 01 04 kn + 由（22）式 可以看出，激光下能級粒子數(shù)密度n隨I直線變化，不斷出現(xiàn)飽和， 這是因?yàn)?p上的粒子是由電子直接激勵基態(tài)Ne原子得到的，且2p到1S自發(fā)輻射極 快；還可以看出，當(dāng)I較小是，n m ki / A與I成線性變化關(guān)系。當(dāng)I很大時，n / k一一 .-3-1 一 .一 3_12與I關(guān)系不大，呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。從物理意義上講：當(dāng)放電電流增大時，電子數(shù)目增多， 碰撞機(jī)會增加，易產(chǎn)生消激發(fā)，影響上能級粒子數(shù)的積累。這個結(jié)論由下

19、圖的曲線所表 示。粒子數(shù)密度n3 激光上能級粒子數(shù)密度n一激光下能級粒子數(shù)密度圖4氦氖激光上、下能級粒子數(shù)密度與放電電流的關(guān)系兩條曲線的距離為粒子數(shù)密度的反轉(zhuǎn)值。在圖的中間段n與n粒子數(shù)密度差值最大， 進(jìn)一步增加電流，由于下能級增加粒子數(shù)比上能級多，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)下降。因此對于反轉(zhuǎn) 粒子數(shù)存在最佳放電電流。即反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度0n隨電流的變化會出現(xiàn)一個極大值，此 時激光輸出功率最大。3.2輸出功率W與總氣壓尸總的關(guān)系取He-Ne氣體激光器的工作電流為9 mA，He、Ne氣壓比為7:1，改變He、Ne氣體 的總壓強(qiáng)，得到總氣壓變化對激光輸出功率的影響。見表2表2總氣壓對輸出功率的影響P(Pa)24231

20、9407484550W(mW)0.151.581.701.741.69用曲線圖表示為200300400500600 P(Pa)圖5輸出功率隨總氣壓變化的曲線圖由于Ne的2p能級的粒子數(shù)密度n通常比Ne的3s能級的粒子數(shù)密度n小得多，、4, 一-223故反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度0 n王要取決于n。當(dāng)He、Ne氣壓比和放電電流3一定時，如果總氣壓較低，n和n將減少。由（5） 式可見，n也隨著減少。總氣壓很高時，雖然n和n可增加，但電子與原子碰撞次數(shù)3 一一、01.-也增加，使電子的動能減少，電子溫度t降低，電子就不能有效地把He、Ne激發(fā)到上 能級去，亦即使公式（5）中的s降低，導(dǎo)致n下降?？梢?，其中有一最

21、佳總氣壓，使 粒子數(shù)最高，如圖5所示，最佳值為450o 500Pa。另外，放電管直徑d和總氣壓p有 如下關(guān)系：總P - d =3 0 5 Torr - mm此時輸出功率最大，其中1Torr=133.3Pao3.3輸出功率W與He、Ne氣壓比的關(guān)系由（5）式可以看出，在總氣壓一定的條件下，He和Ne的氣壓比也存在最佳值。因?yàn)樵诳倸鈮簆 一定的條件下，Ne的分壓上升，可提高基態(tài)Ne原子的粒子數(shù)密 度n，同時使He原子基態(tài)的粒子數(shù)密度n下降。由（5）式可知，n比n對n的影響 大。1因此，Ne的分壓上升可以提高n。但若其分壓過高，由于Ne原子電離電位低， 易電離導(dǎo)致電子能量下降，使s下降，導(dǎo)致n下降。

22、同時，由于Ne原子激光上能級 粒子數(shù)主要由He亞穩(wěn)態(tài)原子共振轉(zhuǎn)移而得到的，所以He原子的氣壓應(yīng)高于Ne原子的 氣壓，才能有效地將原子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)。在充氣總壓強(qiáng)p尚為550Pa，放電電流為6 mA的情況下，改變充入的He、Ne氣體的 氣壓比，輸出功率的變化見圖6。圖6輸出功率與He、Ne氣壓比的關(guān)系由圖6可以看出He、Ne氣壓比存在一個最佳值，通常最佳配比是p : p =7： 1 5:1。HeNe3.4放電管尺寸對輸出功率W的影響He-Ne氣體激光器的輸出功率與放電毛細(xì)管的長度l有關(guān)。放電管長度愈長，輸出 功率愈大。長度為10cm左右的管子，0.6328 m單橫模輸出約為0.5mW； 20

23、口 30cm的 管子，輸出約為2 6 mW； 50cm左右，約8 10 mW； 150 200cm時，約50 mW。但 l過長，諧振易變形，影響功率輸出。而放電管直徑d對輸出功率的影響較為復(fù)雜。管徑d愈細(xì)，增益愈高，輸出功率愈 大。這是因?yàn)镹e原子激光下能級2P和3P向基態(tài)的躍遷為選擇定則所不允許，粒子只 有通過自發(fā)輻射躍遷到1S能級。由于1S能級向基態(tài)的躍遷也屬禁止，因此1S能級的 Ne原子只有擴(kuò)散到放電管管壁，通過管壁釋放能量后回到基態(tài)，稱之為“管壁效應(yīng)”。 激光下能級如不能被較快抽空，將會遭成粒子數(shù)的堆積。但d小腔內(nèi)模體積縮小，衍射 損耗增大，最佳放電電流也要減??；否則，因電子密度過大，

24、增益出現(xiàn)飽和下降，使功 率減小。所以，對放電管直徑d要有一個適當(dāng)?shù)倪x取。4結(jié)束語經(jīng)過對He-Ne氣體激光器的工作原理和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度眼的分析，實(shí)驗(yàn)上確定了 He-Ne氣體激光器獲得最大輸出功率的最佳放電條件，并做了理論分析，對氦氖激光器 的設(shè)計(jì)奠定了有一定的參考作用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、使學(xué)生清楚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，正確使用實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的儀器設(shè)備，按實(shí)驗(yàn)步驟，正確掌握配氣過程， 正確使用光點(diǎn)檢流計(jì)。2、選擇典型的He-Ne激光管配氣比m： n=4： 1，和激光管內(nèi)550Pa的He-Ne氣體總壓強(qiáng)。選做的內(nèi)容：研究最佳He： Ne配氣比，找出最佳總壓強(qiáng)P總、工作電流與功率W的關(guān)系。a、配氣后，讓氦、氖氣在激光管內(nèi)充分混合，經(jīng)810min，接通He-Ne激光管的電源，取工作 電流5mA，測出激光功率，降低P總至激光管無輸出為止，并用坐