He-Ne激光器的旁侧光谱.doc

HeNe激光器的旁侧光谱 黎臣0810130955【摘要】：本实验通过斩波器来控制激光输出的有无,利用锁相放大器对微小信号进行测量，并用记录仪记录了无激光输出以及有激光输出时He-Ne激光的旁侧光谱，并在有无激光输出时记录了各个光谱的变化情况。研究了在不同条件下Ne的有关能级粒子数变化情况。【关键词】：He-Ne激光器 旁侧光谱 粒子数分布 能级跃迁【引言】 He-Ne 激光器是一种应用广泛的原子气体激光器，对于放电激励的激光器，其输出功率及效率都与发生受激辐射时的各有关能级的粒子数分布密切相关。通过测量放电等离子体辐射的光谱强度，研究分析He-Ne 激光器在不同条件下粒子数的分布情况.同时使用光强法进行光谱分析，使用锁相放大器对微小信号进行测量。【实验原理】1、He-Ne 激光器两极接直流高压使放电管辉光放电在毛细管中产生等离子体。其中He 原子被激发至亚稳态，在跃迁定则限制下把能量传给Ne原子，使Ne 处于激光上能级， Ne 的下能级衰变很快造成高低能级粒子数反转，处于激发态的工作物质Ne 原子受激辐射，使光增益放大。2、He原子的能级以及Ne原子的能级 He原子的基态为1S2，其两个电子按照L-S耦合. （1）因此He 原子的基态为。He 原子激发态由一个电子被激发至高能级而另一个留在基态构成。设处于激发态的电子主量子数为n2 ，当n2 = 2 时， l2 = 0; 1; ，此时有： （2）根据L-S 耦合， J = L + S; ，可形成原子态有 。本实验只考虑与产生激光有关的 和两个能级。 Ne 原子的电子组态为，基态为，Ne 原子激发态是一个2p 电子跃迁至高能级形成的，余下的9个电子集合相当于一个孔穴，角动量与一个2p 电子一样。Ne 的这种激发态的耦合为（jl）耦合，耦合方式见参考文献1。对2p 电子空穴， l1=1,s1=1/2,j1=3/2,1/2 (3)而跳到ns(n 2) 层的电子，l2=0,s2=1/2 (4)得中间角动量 K=3/2,1/2 （5）于是原子的总角动量J = 2; 1; 1; 0 四个能级状态，用符号nlKJ 表示（jl）耦合：其中 表示这一能级.这四个能级与Ne 原子的帕邢符号对应：如果2p 电子跳到np(n 2) 层，则电子，对于2p 电子空穴，仍有,同理计算出10个原子能级的状态，见参考文献1中表8-3-1。3、粒子数反转机制及激光跃迁 放电管两极加几千伏直流高压，将气体高度电离电子动能通过第一类非弹性碰撞转移至He 原子使其跃迁至激发态。其中一些激发态由于不满足跃迁定则处于亚稳态（如He 的和）. 同理和之间的辐射跃迁也不能实现，同时更高能态的He 原子也有相当一部分会回落至这两个亚稳态，这种亚稳态只能通过与其能量差很小的其它粒子发生第二类非弹性碰撞产生能量转移回到基态。实验中表现为He的两个亚稳态将能量转移至Ne 使其激发到激光的上能级实现粒子数反转。激光跃迁发生在Ne原子能级之间，在（j，l）耦合中，比较严格的选择定则如下： J=0，1； l2=1， （6）在满足这两条的可能跃迁中，J=K=l2 的跃迁较强，其他跃迁较弱。又由于跃迁nsnp是j1=1/2j1=1/2之间的跃迁，原子状态的变化只涉及一个激发电子状态的变化，发生几率较大，而跃迁nsnp是j1=1/2j1=3/2之间的跃迁，原子状态的变化不仅和激发电子状态的变化有关，也和其他电子状态的变化有关,发生的几率较小。故在可能的跃迁中，3S23P4，3S23P6 满足J=K=l2 的要求，谱线较强，且跃迁3S23P4 属于j1=1/2j1=1/2之间的跃迁，所以，这条光谱线最强，其余的都比较弱。同样，3S22P4 、2S22P4 也是可能跃迁中最强的。这三条谱线是He-Ne激光器中最强的激光谱线。4、光谱强度与能级粒子数的关系 当激光管放电但无激光输出时，粒子数在Ne 的激光上能级上高度聚集，这时激光的旁侧光谱就是通常在相同条件下放电光谱，反映了3S 能级向低能级自发辐射的跃迁情况。设满足选择定则的两个能级i和j间的自发辐射光谱强度为 （7）实验测量系统最终记录的光强为： （8）当有激光输出时，旁侧光谱的强度发生变化。由于3S2 上粒子通过受激辐射产生激光输出，并以极大优势向跃迁，造成,的三条旁侧光减弱。减弱使能级的粒子数减少，于是的自发辐射强度减弱. 受激辐射使得，减少了的跃迁，也使得减弱。另一方面，造成粒子数大大增加，使以为上能级的跃迁加强。 将一个斩波器放在谐振腔中，当斩波器以恒定的速度转动时，使激光器交替的出现有激光输出和无激光输出的状态，将一个检测器放在激光器输出端，即可得到一个频率一定的方波信号，作为参考信号。而旁侧光谱被调制成的方波信号，叠加在光电倍增管的噪声上一起作为待测信号输入锁相放大器，即可测量旁侧光谱的变化。【实验装置及实验内容】1、使激光器处于无激光输出状态（关断斩波器，斩波器叶片遮住光）。倍增管输出的信号直接输入记录仪，由于此时640.2nm谱线最强，扫描前应首先在该谱线的峰位处适当调节单色仪狭缝和记录仪量程以获得足够强的信号和尽可能高的分辨本领。2、使激光处于有激光输出状态，相同条件下再扫一次光谱。3、接通斩波器电源（频率为400Hz），光电池接受的周期变化的激光信号输出给锁相放大器参考信号输入端作为参考信号，倍增管接受含周期变化的光谱信号输给锁相放大器信号输入端。记录仪零点在记录纸重点附近，此时632.8nm和609.6nm分别为两个方向最强的谱线，扫描前配合灵敏度等参数，调节调节单色仪狭缝和记录仪量程使得这两个谱线的强度和接近满刻度。再扫描一次扫面光谱线。 实验装置如图1 图1 实验装置示意图【实验数据处理及分析】1、 根据扫谱时起止点的波长（参照640.2nm谱线位置做修正），确定谱线中各个峰的波长。经修正后测量。测量结果如附图一。2、 参照讲义附录表，在无激光输出的旁侧光谱图上找出与632.8nm激光相关（3S2P，2P1S）的几条谱线，标明波长和跃迁能级。画出相关能级图，并在其上标明相关跃迁，在上述数据中选出了四条与632.8nm激光有关的谱线，见表2 表2.测得的相关跃迁谱线波长（nm）594.66609.73611.82632.85跃迁能级2P41S52P41S43S22P63S22P4相关的跃迁能级图如图2 图2 Ne原子632.8nm相关能级跃迁图2、 在谱图上测出相关各谱线的相对强度（以640.2nm谱线强度为100%），计算各能级的相对粒子数，并进行比较，证明3S2和2P4 能级上实现了粒子数反转。（相对粒子数的计算中，波长以nm为单位，自发辐射系数单位为107，相对强度单位为，所计算出的粒子数可以比较，但并不为真实值，与真实值差一个常数。）3分析旁侧光谱的微小变化这步我们要做的是根据有无激光输出时粒子分布的变化规律，分清强度变化谱图上向哪个方向的普显示变强，那个方向是变弱，分析几条谱线强度变化的原因。实验得到的有、无激光输出时旁侧光谱图经，经分析可知图中光强较大的三条谱线应该分别是594.48nm、609.61nm、632.84nm。那么找到这三条谱线，利用三点的内差法可以修正坐标值，从而可以确定谱线中各个峰的波长值。结果如附图二所示。4、根据有无激光输出时粒子数分布的变化规律，分清强度变化谱图上向哪个方向的谱线是变强，哪个方向是变弱。测出几条与激光能级有关的谱线的相对变化量（以632.8nm为100%），计算有无激光输出时与激光有关能级的粒子数变化方向和相对量，分析几条谱线强度变化的原因。【实验总结及建议】总结：本次实验利用锁相放大器和光电倍增管对He-Ne激光器的旁侧光谱在有激光输出与无激光输出进行了观察，并对有无激光输出变化时的变化进行了测量，证明了He-Ne激光器中3S2和2P4 能级上实现了粒子数反转，并且通过测量旁侧光谱的变化量，可以得到相关能级的粒子数的变化规律。建议： 在有无激光输出时，记录仪会画出谱线强度变化，注意锁相放大