He-Ne激光器的旁側光譜

1、2101He-Ne激光器的旁側光譜王舒涵201311141005日期：2016年5月26日指導教師：王引書【摘要】本實驗分別測量了有無激光時的氦氖激光器的旁側光譜，以及交替有無激光時的鎖相放大信號。通過分析數(shù)據(jù)得到氦氖激光器中實現(xiàn)了粒子束的反轉，分析了在有無激光出射時的不同譜線強度變化的原因?！娟P鍵詞】鎖相放大器；氦氖激光器；旁側光譜一、引言：He-Ne激光器是應用廣泛的一種原子氣體激光器，對于放電激勵的氣體激光器，其輸出功率及效率都與發(fā)生受激輻射時各有關能級的粒子數(shù)分布密切相關。因此，研究氣體放電過程中，某些能級的粒子數(shù)分布具有重要意義。本實驗通過測量放電等離子體輻射的光譜強度，研究分析He

2、-Ne激光器在不同條件下的有關能級粒子數(shù)的分布情況，了解用光強法進行光譜分析的原理和方法，并學會使用鎖相放大對微小信號進行測量。二、實驗原理1、He原子和Ne原子的能級He原子由帶+2e電荷的原子核和兩個核外電子構成，其基態(tài)電子組態(tài)為1S2，按照L-S耦合，He原子的基態(tài)為lS0.He原子激發(fā)態(tài)由一個電子被激發(fā)至高能級而另一個留在基態(tài)構成。根據(jù)L-S耦合，其可形成原子態(tài)有is0,31p2。本實驗只考慮與產(chǎn)生激光有關的23S和2氣兩個能級。Ne原子是惰性氣體，核外10個電子把K殼層和L殼層全部填滿，其電子組態(tài)為1s22s22p6，基態(tài)為1S,Ne原子激發(fā)態(tài)是一個2p電子躍遷至高能級形成的，余下的

3、9個電子集合相當于一個孔穴，角動量與一個2p電子一樣。Ne的這激發(fā)態(tài)的耦合為(j,l)耦合。對2p電子空穴,=1,sII1132ji2,2而跳到ns(n2)層的電子1l二0,s二-1223122得中間角動量于是原子的四個能級狀態(tài)為ns3,ns3,ns-,ns-L2L2L2L2Tj其中ns表示這一能級1212。這四個能級與Ne原子的帕邢符號對應:ns2JtS52ns2JtS41n寸ITS3加2JTS201l,s如果2p電子跳到np（n2）層，則電子22131=j=2，對于2p電子空穴，仍有122,同理可以計算出10個原子能級的狀態(tài)。粒子數(shù)翻轉機制和激光躍遷放電管兩極加幾千伏直流高壓，將氣體高度電

4、離電子動能通過第一類非彈性碰撞轉移至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21S0和23S）。同理2iSo和23S1之間的輻射躍遷也不能實現(xiàn)，同時更高能態(tài)的He原子也有相當一部分會回落至這兩個亞穩(wěn)態(tài)，這種亞穩(wěn)態(tài)通過與其能量差很小的Ne原子的2S2和3S2發(fā)生第二類非彈性碰撞產(chǎn)生能量轉移回到基態(tài)，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。光譜強度與能級粒子數(shù)的關系無激光輸出時，激光管的旁側光譜就是通常在相同條件下的放電管光譜，反映了3S向低能級自發(fā)輻射躍遷的情況；有激光輸出時，旁側光譜會發(fā)生變化。由于3S2上的粒子通過受激輻射產(chǎn)生激光輸出，導致3S2上的粒子數(shù)減少很多，引起了3

5、S2向2P2,2P3,2Pi上躍遷的譜線減弱。由此可知，氦氖激光器的旁側光譜的強度及其變化直接反映了氖原子與激光躍遷相關的能級上的粒子數(shù)分布及其變化。鎖相放大技術氦氖激光器工作在有激光輸出和無激光輸出的交替狀態(tài)時，其旁側光譜強度的變化是很微小的。直接從光電倍增管的輸出信號觀察很困難，在實驗中利用鎖相放大技術來測量這個微小的變化。三、實驗儀器實驗裝置如圖1所示：記錄儀鎖相放大器檢測器轉向棱鏡I圖1實驗裝置圖594.5nm盲-0.61.25352nm護一1%632.nm588.2nm2巳-一609.6nin2P廠侶*616.3nm徨638.3nm2P600667.8nm660680四、實驗過程：1

6、、測He-Ne激光器等離子體放電的自發(fā)輻射光譜(560nm-670nm)使激光器處于無激光輸出狀態(tài)，記錄無激光輸出時的旁側光譜如圖2所示0.0肢隹(nm；圖2無激光輸出時的旁側光譜kH尢N=ijj對比有激光輸出時的旁側光譜，并根據(jù)公式訛代計算能級上的相對粒子束可得:2P4：N=598.873S2：N=13241.63由此可見3S2能級上的粒子數(shù)大于2P4上的粒子數(shù)，實現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉。0.50.40.30.2-0.30.0560580600620640660680波長(nm)圖3有無激光輸出時旁側光譜的變化接通斬波器電源，記錄有無激光輸出時旁側光譜的變化如圖3所示：667.8nm2P1S260

7、9.6nm/2Pl佝44594.5nm2P1S45-0.2632.8nm3S2P463&3nnn2PTS142、測有無激光輸出時譜線的強度變化(560nm-670nm)由圖3可以看出，有激光輸出時較無激光輸出時增強的譜線有594.5、609.6、667.8nm；減弱的有632.8、638.3nm.由于激光躍遷發(fā)生在3S2-2P4之間，導致2P4能級上粒子數(shù)增多，以2P4為上能級的躍遷2P4-1S5和2P4-1S4的信號增強。對于相對減弱的譜線，是由于3S2上的粒子主要以3S2-2P4的躍遷形式放出激光，故而其他以3S2為上能級的躍遷：3S2-2P4、2P7-1S4將會減弱，而3S2-2P4主要以激光形式出射，在旁側光譜中也將減弱。