氦氖激光器的最佳放电条件.docx

氦氖激光器的最佳放电条件摘要 本实验使用真空系统为配制氦氖激光器的工作气体,实验中使得气体配比He: Ne=7:1；并研究激光器输出功率随放电电流以及气体总压强的变化规律，证明存在最佳放电电流与最佳气体总压强，得出在压强一定的情况下，激光输出功率先随放电电流增大而增大，达到极值之后又随电流增大而减小，即存在最佳放电电流；当气体配比一定时，随着总气压增大，使激光功率达到极大值所需的电流减小；改变充气总气压，激光器输出的激光功率存在一个极大值，气体总压强过大或过小都对激光器放电不利，即存在最佳充气压强。 关键词 氦氖激光器 粒子数反转 真空系统 放电条件1引言He-Ne激光器以He、Ne混合气体为工作物质，采用放电激励方式工作，是应用广泛的一种原子气体激光器。主要优点是装置简单、成本低廉、操作简便、可长时间稳定运转以及输出单色性较好的可见激光等，主要用于激光准直、激光显示、精密测量与计量标准、全息照相与激光通信等方面。其激光输出功率与放电条件（如气体总压强、气体的配比、放电电流等）有密切关系，研究其放电条件对He-Ne激光器的制作和使用都非常重要。 本实验通过配制He-Ne激光器的工作气体，研究放电条件对激光器输出功率的影响，从而进一步了解氦氖激光器的工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技术。2原理2.1理论KR1R2A图1 内腔式HeNe激光器的结构示意图2.1.1内腔式HeNe激光器的结构实验中采用内腔式HeNe激光管，它是由谐振腔和放电管组成的，图1是其结构示意图。谐振腔由反射镜R1和R2组成。R1的反射率为97%98%，R2的反射率在99%以上。激光束通过反射率较低的腔镜耦合到腔外，该镜通常称为输出镜。放电管中央的细管为毛细管，套在毛细管外面较粗的管子为储气管，A为阳极，K为阴极。（1）毛细管毛细管中充有He、Ne混合气体，经气体放电变成激光增益介质，它是对激光产生放大的区域，毛细管的几何尺寸决定了激光的最大增益，光在其中传播一个单程的增益正比于毛细管的长度l。增益系数G()还反比于毛细管直径。但是毛细管的直径不能做得太细，太细会增大光的衍射损耗，限制激光器的输出总功率(它正比于毛细管直径的平方)，还会增加调节激光谐振腔的困难，制作毛细管时必须尽力做到准直，避免遮挡光路。（2）储气管储气管的粗细要根据毛细管的尺寸而定，其直径通常为25cm，储气管与毛细管的气路是相通的。储气管的作用主要是稳定毛细管内的工作气压、稳定激光器的输出功率和延长其寿命。内腔式HeNe激光器的储气管把反射镜和毛纫管固定连接在一起，防止放电时带电粒子对管壁的轰击导致毛细管变形，保证激光器能正常工作。（3）电极电极的质量直接关系到激光器的寿命。HeNe激光器工作时，毛细管要进行辉光放电，虽然放电电流不大，但电压很高，受电场加速的正离子撞击阴极会引起阴极材料的溅射与蒸发。这些气化的阴极材料的金属原子，可能沉积在附近玻璃表面上及腔镜上，它会吸收与吸附一些工作气体，结果导致放电管内工作气体压强不断减小，以及污染谐振腔的反射镜，使腔镜的反射率降低很多。因此，通常选溅射较弱的AI作阴极，A1表面的氧化层能较好地防止离子轰击造成的侵蚀。阴极通常制成圆筒形以降低溅射效应。小功率HeNe激光器通常用钨杆制作阳极，和正离子相比，电子质量要小很多，所以电子轰击阳极造成的损害比阴极要小得多。（4）激光电源HeNe激光器一般采用直流高压放电激励方式。激发电压、电流的范围视激光管的长短而定。小功率激光器（短管）的电压约为40008000 V。工作电流在7mA左右。2.1.2氦氖激光器的工作原理（1）粒子数反转机制：频率为v的光照射具有能级E2、E1（hv=E2-E1）的介质时，将同时发生受激辐射和吸收过程，前者使入射光加强，后者使入射光减弱。设高能级上粒子数密度为N2，低能级粒子数为N1，则只有当g1N2g2N1时（g1、g2为能级的统计权重），介质对光才有增益，才能引起光放大。通常将上述状态称为粒子数反转。要获得632.8nm的激光就要在Ne的3S2和2P4能级间实现粒子数反转。氦氖激光器通过气体放电的方式得到激励能量。放电管的两个电极之间加有几千伏的高压，气体被高度电离后电子获得动能，并通过第一类非弹性碰撞是He原子跃迁到激发态。由于选择定则的限制，被激发到21S0和23S1的He原子不能通过辐射跃迁回到基态，所以会有大量的原子落在这两个亚稳态上。处在亚稳态的粒子只能通过与其他粒子发生第二类非弹性碰撞把能量转移给其他粒子才能回到基态，而Ne原子的2S2和3S2能级能量与He原子23S1和21S0能级能量相差很少，可以通过碰撞转移能量，所以Ne原子被激发到激光上能级，实现粒子数反转分布，这个过程称为共振转移过程。激光下能级2P4和3P4通过自发辐射很快降落到亚稳态1S能级上，1S能级不能靠跃迁辐射回到基态，只能靠跟管壁碰撞回到基态，即“管壁效应”，所以激光器选用毛细管作为放电管。（2）增益介质：对光有放大作用的介质称为增益介质。激活介质对光有放大作用是由于原子的受激辐射过程。受激辐射发出的光子和入射光子的频率、偏振方向和传播方向都相同，显然受激辐射加强了入射光。按照爱因斯坦的原子辐射理论，频率为、辐射能量密度为（）(即辐射场中在单位体积内在频率附近单位频率间隔内的辐射能量)的准单色光投射介质时，单位体积、单位时间内受激辐射发出的光子数为N2B21g()，B21是爱因斯坦受激辐射系数；单位体积、单位时间内受激吸收的光子数为N2B12g()，B12是爱因斯坦受激吸收系数。如果忽略自发辐射，要想获得对光的放大，也就是说希望得到受激发射的光子数大于受激吸收的光子数，注意到B21g2=B12g1，则要求 （1） 考虑到Iv=(V)c （2）式中为折射率，则有GvN2-N1g2g1B21gv （3）上式表明：1）要求增益系数Gv0，必须N2-N1g2g10，即粒子数必须反转分布。2）增益系数Gv与粒子数差值N2-N1g2g1成正比。（3）放电条件对激光器输出功率的影响 激光器必须选择最佳放电条件才能获得最大的激光输出功率。对于HeNe激光器来说，应当根据以下几条实验规律选择其最佳放电条件1）当气体配比保持一定时，改变充气总气压，一个激光器输出的激光功率存在一个极大值。充气总气压与毛细管直径众的乘积(d在115mm范围内)为400670 Pamm时输出的激光功率最大。该实验中使用的HeNe激光器的毛细管直径d为13mm，最佳充气总压强应该在400Pa左右。图2 输出功率随放电电流的变化2）激光器的毛细管直径d130 mm时，He与Ne的充气配比选择7：1比较理想，因为在这个配比下，当配比发生偏离时激光器的输出功率变化得比较缓慢。3）改变HeNe激光器的放电电流，同时测量与放电电流对应的输出激光功率，得到图2所示的规律。该图表明有一个使激光器输出的激光功率达到最大值的放电电流，即最佳放电电流。当总气压降低时最佳放电电流值增大。2.2实验本实验装置示意图如图3所示，实验仪器中还包含复合真空计、激光电源和数字激光功率计等装置。图3 真空系统示意图3实验内容3.1抽空除气利用机械泵、扩散泵对系统抽气，使得气体压强低于10-3Pa的量级。3.2设计配气实验方案设计配气实验方案使气体总气压达到p总=4torr（532Pa），而求气体的配比为pHe: pNe=7:1。先求出阀门3左边的体积与右边的体积比。关闭阀门3与2，先通入一部分氦气，稳定后，测量U型管的液面的高度为h1；再打开阀门3，测得U型管的液面的高度为h2。根据理想气体状态方程pV=nRT和液体压强公式P=gh，得体积比V1V2=h1h2-1。 得到体积比之后再进行配气。根据以下公式p总V1+V2=n1+n2RT,pHeV1=n1RT, pNeV2=n2RT,pHeV1 pNeV2=7,可得到pHe=78h1h1-h2p总，pNe=18h1h2p总 (4)根据液体压强公式P=gh可计算出对氦气、氖气充气时液面对应的高度差H1、H2，并进行配气。3.3测量激光功率与电流I，总气压V的关系 用光功率计测定当总气压一定时，激光功率随电流的变化；在不同的总气压下测定激光功率随电流的变化情况。4. 实验结果和分析4.1配气方案的设计实验测得V1=3.3V2，根据实验数据与公式（1）可以得到实验结果如表1所示。表1 配气使用的实验数据实验数据h1 (cm)21.5h2 (cm)5理论值pHe (Pa)605.5pNe（Pa）287.6理论值H1 (cm)6.18H2 (cm)2.93实际值H1 (cm)6.3H2 (cm)2.8分析：配气并混合后，可测得p总=561Pa，与532Pa较为接近。测量体积比时，因为实验与理论有一些偏差，所以测量了两遍，结果仍然一致。实验误差主要来源于读数引起的误差，由于U行管旁边的刻度尺标度不是十分准确，所以读取数据时将引入一定的误差。另外，由于在配气时阀门的控制不是很灵敏，所以实验中的总压强与理论上的总压强有一定的偏差。4.2测量激光功率与电流I，总气压V的关系图4 输出功率随放电电流的变化分析：通过图4可以得出放电条件对激光器输出功率的影响：（1）观察图4中的某一条曲线，在压强一定的情况下，激光输出功率先随放电电流增大而增大，达到极值之后又随电流增大而减小，说明存在一个使激光器输出的激光功率达到最大值的放电电流，即最佳放电电流。解释：当放电电流较小时，处在亚稳态21S0的He原子密度N随放电电流增加而线性增加直至饱和。由能量共振转移原理可知处于3S2能级的Ne原子密度随放电电流的变化规律与此相似。但是随着电流继续增大，处在亚稳态21S0的He原子与电子碰撞被激发到更高的能级或将能量转移给电子而回到基态，使亚稳态21S0的He原子减少，使亚稳态21S0的He原子数目随放电电流的增加趋于饱和。此外，增大放电电流时，亚稳态1S上的Ne原子和电子碰撞被激发到2P态的概率会增加，这使激光632.8nm的下能级2P4上的原子密度线性地增加，使得反转粒子数密度随放电电流的变化存在一个最大值，即最佳放大电流。（2）观察图4中的四条曲线的激光功率的极大值的出现位置，可观察到当气体配比一定时随着总气压增大，使激光功率达到极大值所需的电流减小。改变充气总气压，激光器输出的激光功率存在一个极大值，气体总压强过大或过小都对激光器放电不利，即存在最佳充气压强。 解释：放电等离子体中国电子运动的能量通常采用电子温度Te表示，电子温度Te通常可以表示电子运动的能量。电子在一个自由程内被电场E加速后所获得的能量决定了电子温度Te的高低，同时自由程与压强p成反比，E/p的大小决定了电子温度的高低。当总压强降低时电子温度升高，平均动能增加，有利于He原子由基态激发到21S0态，因此有利于粒子数反转。若总气压过小，氦、氖原子数密度太小，形成的反转粒子数密度也太小，增益系数也太小。若气压过大，电子温度Te太低，则只有少数电子具有较大的能量能够把He原子激发到21S0态上去，这显然不利于粒子数反转。所以气体总压强过大或过小都对提高激光器功率不利，即存在最佳充气压强。5. 实验结论本实验使用真空系统为配制氦氖激光器的工作气体,