最佳放電條件

He-Ne激光器最佳放電條件摘要本次實驗中通過研究He-Ne激光器的總氣壓，He、Ne的配氣比和激光的放電電流對激光器的輸出功率的影響，尋找出激光器的最佳放電條件。實驗中發(fā)現(xiàn)激光的輸出功率對于總氣壓，He、Ne的配氣比和激光的放電電流都有一個極大值。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得到激光器在配氣比為6.9:1,總氣壓為329Pa,放電電流為7.62mA的情況下，輸出光功率最大,為6.13mW。關(guān)鍵詞He-Ne激光器，總壓強，放電電流，配氣比一、引言He-Ne激光器是應(yīng)用廣泛的一種原子氣體激光器，它以He、Ne混和氣體為工作物質(zhì)，采用放電激勵的工作方式產(chǎn)生一定工作頻率的激光器。其輸出功率與放電條件（如氣體的配氣比、氣體總壓強、放電電流等）有密切的關(guān)系。而研究He-Ne激光器的最佳放電條件對于制作和使用激光器來說是十分重要的。本實驗主要通過配置He-Ne激光器的工作氣體，研究氣體總壓強和工作電流對He-Ne激光器的輸出功率的影響，從而尋找最佳的放電條件。二、原理1、內(nèi)腔式He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)圖一內(nèi)腔式He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)激光器由工作物質(zhì)、諧振腔、激勵電流三部分組成，內(nèi)腔式激光器其結(jié)構(gòu)如圖一所示。諧振腔由兩個反射鏡構(gòu)成，放電管中央是毛細管，是對激光產(chǎn)生放大的區(qū)域。光在其中傳播一個單程的增益為G(v)?1。雖然G(v)反比于毛細管的直徑d但是毛細管不能做的太細，否則會增大光衍射的損耗并且限制輸出總功率，并且增加調(diào)節(jié)激光諧振腔的困難。毛細管外較粗的管子為儲氣管，其直徑通常為2?5cm。儲氣管與毛細管的氣路是相通的，主要用于穩(wěn)定毛細管內(nèi)部的工作氣壓，穩(wěn)定激光的輸出功率和延長其壽命。由于工作電壓很高(一般在4000?8000V),會引起離子撞擊電極材料，尤其是正離子引起的陰極材料的濺射和蒸發(fā)會使工作氣體壓強不斷減小，污染諧振腔的反射鏡，降低其反射率，所以一般選濺射較弱的Al作陰極。和正離子相比，電子的質(zhì)量要小很多，所以電子轟擊陽極造成的損害比以及要小得多。2、放電條件對激光輸出功率的影響(1)總氣壓由于自由程與總氣壓成反比，所以總氣壓降低時電子的自由程久增大，電子動能增加，利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但是如果總氣壓太小，會使原子數(shù)密度降低，總的反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)減少，這樣激光器輸出的總功率就降低了。相反，如果總氣壓太高，則電子的動能太低，只有少數(shù)電子才能把He原子激發(fā)到2iS態(tài)上，不利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。所以有一個最佳的總氣壓值對應(yīng)最0大的激光器輸出功率。(2)配氣比He原子電離能高，帶電數(shù)目少。所以He的比例增大時，電子溫度升高，這樣有利于激發(fā)Ne原子，但是太大的話，就不能產(chǎn)生足夠的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，得不到足夠的增益。所以He，Ne有一個最佳的配氣比，一般為：p:p=7:1?5:1 (1)HeNe(3)放電電流激光器為獲得632.8nm的激光，需要Ne在3S和2P之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。增加放電24電流時，亞穩(wěn)態(tài)21S上的原子與電子碰撞將會被激發(fā)到更高的能級上去，從而導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)021S上的He原子密度減少。另外電流增加，亞穩(wěn)態(tài)1S上的Ne原子和電子碰撞被激發(fā)到02P態(tài)的概率會增加，使得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨放電電流的變化有一個最大值，即最佳放電電流。

3、實驗裝置——真空系統(tǒng)本實驗中所需的真空度分兩個階段達到：低真空（從大氣壓到0.5Pa）和高真空（0.5Pa到2X10-%）。每階段的開啟順序都是真空泵一真空閥一真空計，關(guān)閉順序則完全相反。真空系統(tǒng)如圖二所示。真空系統(tǒng)示意圖圖二3r電丿離口偶空系統(tǒng)如圖二所示。真空系統(tǒng)示意圖圖二3r電丿離口偶X規(guī)1fiL管E實驗中，先利用機械泵獲得低真空，再通過油擴散泵獲得高真空。注意在用油擴散泵的同時，仍要開啟機械泵，因為油擴散泵需要機械泵提供得低真空環(huán)境才能工作，而且需要機械泵為其排氣。三、實驗一、 抽真空首先，獲得低真空：關(guān)閉閥門5、6、7和8，調(diào)節(jié)閥門1，2使得三向氣管相通，打開其余閥門。接通電源，打開機械泵，使其對整個系統(tǒng)進行抽氣，以獲得低真空。在此過程中，用熱偶真空計測系統(tǒng)的真空度。其次，獲得高真空：打開冷卻水，調(diào)節(jié)閥門2內(nèi)管呈T態(tài)，預(yù)熱油擴散泵。調(diào)節(jié)閥門2內(nèi)管呈〒態(tài)，使油擴散泵開始抽氣，以獲得高真空。在此過程中，用電離規(guī)真空計測系統(tǒng)的真空度。二、 配氣過程

首先，計算充氣時硅油壓強計所應(yīng)達到的高度差。已知：其中，V1為連接激光管部分的體積，V1為連接He、Ne氣瓶部分的體積。欲使He、Ne總氣壓為4Torr（1Torr=1mm汞柱）。3）由公式（1）可知充入He3）PV=nRT111混合后He氣的壓強，TOC\o"1-5"\h\zV1 7 /八P= P=P (4)HeV1+V21 8故硅油高度差h1為：(V+V) /、h=Pi2=6.25cm (5)HeV?g?p1 硅油同理，充入Ne氣時硅油高度差h為：26)(V+6)h=P1 2 =2.86cm2NeV-g-p2 硅油其次，向V中充入He,關(guān)閉閥門2,停止抽氣，關(guān)閉閥門4,打開閥門3；打開閥門61使He氣充入閥門5、6之間，關(guān)閉閥門6；打開閥門5緩緩充入He氣直至硅油高度差為h1；關(guān)閉閥門5,調(diào)節(jié)閥門2開始抽氣直至液面差為h1，關(guān)閉閥門3,充入He氣完畢；其后依照類似的步驟充入Ne氣在V中；打開閥門3,使兩種氣體充分混合十分鐘，打開激光器，2通過光功率計觀察激光的功率。三、測激光功率首先在一定的總壓強下，改變電流測量光功率；其次改變總氣壓，重復(fù)以上步驟。通過多次測量，尋找激光器的最佳放電條件。四、實驗結(jié)果與分析1、 實驗中，由于真空度很高，所以氣流流動的很快，在盡可能小心的情況下，實際的h=64.7mm,h=30.0mm12由此可以算出： P占=580Pa,P:P=6.9:1總HeNe實驗數(shù)據(jù)如表一所示：表一一定壓強下，光功率P與電流I的關(guān)系P=329.3Pa總I(mA)P(mW)7.824.327.694.43P=329.3Pa總I(mA)P(mW)7.824.327.694.437.514.477.334.507.124.306.804.136.514.006.023.235.623.075.462.955.28臨界P=580Pa總I(mA)P(mW)7.925.797.705.837.555.867.435.937.325.106.464.935.864.595.424.445.034.224.503.924.50臨界P=441PaI(mA)P(mW)7.916.107.626.137.456.047.035.896.615.726.365.705.685.405.175.084.724.714.60臨界一一P=259.7Pa

總I(mA)|P麗7.985.907.725.727.525.627.185.416.985.226.524.945.884.405.513.825.183.565.18臨界臨界”是指該電流下激光器剛好不發(fā)光，也就是激光開啟電流，“—”是指沒有測量。2、由表一是數(shù)據(jù)利用Matlab軟件可得到不同的氣壓下，光功率P與電流I的關(guān)系，如圖三所示。從圖中可以看到：1、 當(dāng)P總=580Pa時，最大光功率出現(xiàn)在I=7.33mA；當(dāng)P總=441Pa時，最大光功率出現(xiàn)在I=7.43mA；當(dāng)P總=329Pa時，最大光功率出現(xiàn)在I=7.62mA；當(dāng)P總=260Pa時，最大光功率應(yīng)該出現(xiàn)在放電電流大于8mA的位置。這些表明隨著總壓強的減少，達到最大光功率所需要的放電電流會增大。2、 從圖三可以很清晰地看到當(dāng)總壓強固定時，存在一個最佳的放電電流，且最佳放電電流隨著總壓強的減少而增加。另外可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體的總氣壓較低時，P與電流I呈明顯的線性關(guān)系，這說明在氣體總量較低時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度與電流成正比。3、 縱向比較，當(dāng)放電電流一定時，光功率和總壓強也會有關(guān)系，當(dāng)總壓強較大時，光功率隨著總壓強的減小而增大，而當(dāng)總壓強減少到一定程度之后，光功率又隨著總壓強的減少而減少，與理論符合得很好。

5-544Wm/W率功光激3.52.54.5激光功率P5-544Wm/W率功光激3.52.54.5激光功率P與電流之間的關(guān)系El5.56電流6.5I/mAP總=568Pa P總=441Pa -P總=329Pa P總=260PaI I7 7.5 8圖三激光功率P與電流之間的關(guān)系圖五、 總結(jié)從表一中可以看到，總壓強由高到低，激光的開啟電流分別為5.28mA，4.50mA，4.60mA，5.18mA。說明激光開啟電壓是受總壓強