He-Ne激光器的旁侧光谱

1、He-Ne激光器的旁侧光谱 201411142014 谢红 姓名：谢红 学号：201411142014 指导老师：何琛娟 实验日期：2017.3.17 【摘要】 本实验通过测量放电等离子体辐射的光谱强度，研究分析HeNe激光器在不同条件下有关能级粒子数的分布情况。了解用光强法进行光谱分析的原理和方法，并学会使用锁相放大器对微小信号进行测量。 【关键词】 He-Ne激光器 锁相放大器 光谱 一、引言 HeNe激光器是应用广泛的一种原子气体激光器。对于放电激励的气体激光器，其输出功率及效率都与发生受激辐射时各有关能级的粒子数分布密切相关。因此，研究气体放电过程中某些能级的粒子数分布具有重要意义。

2、本实验将研究分析HeNe激光器在不同条件下有关能级粒子数的分布情况。 二、实验原理 1 概述 激光器由三部分组成：工作物质，谐振腔和激励能源。根据使用要求的不同，有各种具体的结构形式。图8-3-1是外腔式HeNe激光器的示意图。R1，R2为镀有多层介质膜的反射镜，其中一块为部分透射，它们组成谐振腔。A为气体放电管，内部充有一定总气压和一定He、Ne混合比的气体为工作物质。D1为阳极，D2为阴极，与直流高压电源相接。电源电压通过阳极钨棒和阴极铝筒加到放电管两端，形成气体辉光放电，在毛细管中产生等离子体。等离子体中处在激发态上的氖原子是激光工作物质，它们发生受激辐射时起光的增益放大作用。由放电管两

3、端的高反射膜板的反射提供光学反馈形成振荡，并从部分透射端输出，得到所需要的激光。 用受激辐射将光放大，必须使高能态的粒子数多于低能态的粒子数， 即实现上、下能级间的粒子数反转。 HeNe激光器是通过原子碰撞实现 粒子数反转的。在放电管中充以一定 比例的He、Ne混合气体，直流放电将He激发至亚稳态。由于跃迁选择定则的限制，被激发的He只能通过碰撞将 激发能转移给Ne，使Ne处于激光上 能级，而Ne的激光下能级衰变很快，由此造成高、低能态之间粒子数反转。使两能级间产生受激辐射，即可将光放大。与HeNe激光器有关的能级结构及跃迁情况如图8-3-2所示。图中，用符号nLJ表示He原子的能级，采用一般

4、激光理论中常用的帕邢(Paschen)符号标记Ne原子能级，它是一种经验符号。其中基态能量取为零，纵坐标以电子伏特为单位。 2 He原子的能级 He原子由带+2e电荷的原子核和两个核外电子组成。处于基态时，电子组态为1s。这时 22S+1 n1=n2= 1, 1 201411142014 谢红 l1=l2=0, 1s1=, 2 1s2=-. 2 He原子的两个电子是按LS耦合的，可以算出 L=l1+l2=0, S=s1+s2=0, J=L+S=0. 因此，He的基态为 S0。He原子的激发态是一个电子被激发至高能态而另一个电子留在基 态构成的。设第一个电子始终处于1s态，第二个电子被激发，其主

5、量子数n2可以任意。当n2=2时，由原子物理可知，l2=0,1；s2=1，此时有 2 L=l1+l2=0,1 S=s1+s2=0,1 131 133根据LS偶合，J=L+S，?，L-S，可形成的原子态有S0，S1，P1，P0,1,2。同理可以计算n2=3,4,?的情况。在这里只考虑与产生激光有关的2S0和2S1两个能级。 3 Ne原子的能级 Ne原子是惰性气体原子，由带+10电荷的原子核和10个核外电子组成，处于基态时的电子组态为1s2s2p。由于10个核外电子把K壳层和L壳全部填满，形成封闭壳层，所以原子总自旋角动量S，总轨道角动量L及总角动量J均为零，其基态为S0。Ne原子的激发态是一个2

6、p电子跃迁至高能级而形成的。当一个2p电子被激发跳到较高的能级上时， 2 1226 201411142014 谢红 留下的九个电子的集体行为就相当于一个空穴，它们的角动量与一个2p电子的角动量一样。因此，我们将Ne的激发态考虑为一个2p电子的空穴与一个较高能级上电子的耦合，理论和实验证明了这种耦合是(j,l)耦合。耦合方式是先把一个电子的轨道角动量l1与其自旋角动量s1耦合成这个电子的总角动量j1， j1=l1+s1，?，l1-s1. 然后，把j1与另一个电子的轨道角动量l2合成中间角动量K， K=j1+l2，?，j1-l2. 最后，将K与另一个电子的自旋角动量s2耦合成总角动量 J=K+S2

7、，?，K-S2. 按上述耦合方法，对于2p电子的空穴，有 l1=1, s1= 而跳到ns(n>2)壳层的电子，l2=0，s2=131, j1=，. 222131，可得原子的中间角动量K=,，于是原子的222 总角动量J=2、1、1、0，原子的能级状态共有四个。我们用符号nlKJ表示(j,l)耦合能级，则这四个能级可表示为 ?3?3?1?1?ns?， ns?， ns?， ns? ?2?2?2?1?2?0?2?1 1其中，带的ns表示相应于这一能级的j1=。这四个能级与图8-3-2中Ne原子能级上所2 标的帕邢符号S项的一组四个能级对应，它们之间的对应关系为： ?3?3?1?1?ns?S5，

8、 ns?S4， ns?S3， ns?S2 ?2?2?2?1?2?0?2?1 如果2p电子跳到np(n>2)壳层，则该电子轨道角动量l2=1，自旋角动量s2= 2p电子的空穴，仍有j1= 1，对于231，同理可计算出各角动量值，如表8-3-1所示。 22 这样得出原子的能级状态共有10个，它们与图8-3-2中氖原子能级图中p项一组10个能级相对应，对应关系是 np?P10 np?P9 np?P8 np?P7 ?2?1?2?3?2?2?2?1 np?P6 np?P5 np?P4 np?P3 ?2?2?2?1?2?2?2?0 np?P2 np?P1 ?2?1?2?0 4 粒子数反转机制 HeN

9、e激光器是通过气体放电的方式获得激励能量的。充有He、Ne气体的放电管的两个电极之间加有几千伏的直流电压，在管内的发光区有均匀的电位降梯度。气体被高度电 3 ?1?5?5?3?3?3?3?1?1?1? 201411142014 谢红 离后，电子被电场加速获得动能，并通过第一类非弹性碰撞将能量转移给He原子，使它们跃迁至激发态。一般情况下，激发态的原子可以通过光辐射过渡到低能态或基态，因此，原子处于高能态的平均寿命非常短。但是，有一些激发态与所有低于它们的能级之间都不满足跃迁的选择定则，不能通过光辐射跃迁至低能态，这种激发态称为亚稳态。处于亚稳态的原子寿命比较长。He的21S0和23S1就是这种

10、亚稳态。21S0态的S=L=J=0，比它能量低的态只有基态11S0，S=L=J=0，它们之间的辐射跃迁不满足跃迁选择定则 ?S=0 ?L=1 ?J=0,1 同理，23S1与11S0之间的辐射跃迁也不能实现。这样，被激发到21S0和23S1态的He原子就不能经过辐射跃迁回到基态。另一方面，被激发到更高能态上去的He原子有相当一部分经跃迁后会落到这两个亚稳态上。所以放电一旦建立，就会有大量He原子处在21S0和23S1两个能级上。这两个亚稳态不能靠辐射光子回到基态，只能通过与其它粒子发生第二类非弹性碰撞把能量转移给其它粒子，再回到基态。尤其当两种粒子相应能级间的能量差?E很小时，这种过程特别容易发

11、生，称为能量的共振转移过程。从图8-3-2中可以看到Ne的2S2能级(19.78eV)和3S2能级(20.66eV)正好分别与He的23S1（19.82eV）和21S0（20.61eV）能量相差很少，所以处于23S1和21S0态的He原子很容易通过同Ne原子碰撞把Ne原子激发到2S2和3S2能级上去。这就是HeNe激光器充He的原因，通过He将Ne激发到激光上能级，实现粒子数的反转分布。Ne原子的激光上能级寿命短，所以通过直接和电子发生第一类非弹性碰撞使Ne原子向激光上能级集居的贡献很小。 而激光下能级2P4和3P4的寿命很短，到达这两个能级上的粒子通过自发辐射很快降落到1S能级上。1S是个亚

12、稳态，寿命较长，它不能靠辐射跃迁回到基态，只能靠跟管壁的碰撞放出能量，回到基态。这就是所谓的“管壁效应”，选毛细管作放电管有利于增强这种效应。 5 激光跃迁 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. 在满足这两条的可能跃迁中，?J=?K=?l2的跃迁较强，其它跃迁较弱。又由于跃迁 11nsnp是j1=j1=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22 13化，发生几率较大，而跃迁nsnp是j1=j1=之间的跃迁，原子状态的变化不22 仅和激发电子状态的变化有关，也和其它电子状态的变化有关，发生的几率较小。 下面，由图8

13、-3-2分析与形成激光有关的能级跃迁。3S2能级在向10个3P能级的跃迁中除去向3P9的跃迁不许可外，（因为?J=2，不符合选择定则），向其余9个能级的跃迁都是允许的。在这9个跃迁中，跃迁3S23P4，3S23P6满足?J=?K=?l2的要 11j1=之间的跃迁，所以，这条光谱线22 最强，其余的都比较弱。同样，3S22P的可能跃迁中，跃迁3S22P4最强。同样，2S22P的可能跃迁中，跃迁2S22P4最强。所以这三条谱线是HeNe激光器中最求，谱线较强，且跃迁3S23P4属于j1=强的激光谱线。附录8-3-列出了部分能级之间可能发生的跃迁及跃迁所对应的波长值。 6 光谱强度与能级粒子数的关系

14、 4 201411142014 谢红 当激光管放电但无激光输出时，粒子数在Ne的激光上能级高度聚集，这时激光管的旁侧光谱就是通常在相同条件下的放电管光谱，它反映了3S向低能级自发辐射跃迁的情况。设满足辐射跃迁选择定则的两个能级i和j之间的自发辐射光谱强度Iij为 Iij=NiAijhij. （8-3-1） 实验测量系统最终记录的光谱线强度（谱线高度或面积）Hij与Iij成正比，比例系数ij是测量系统的总效率，即 () () N=(H)()Ahc， （8-3-） 其中N为上能级的粒子数。如果知道能级间的自发辐射系数A和测量系统的总效率()，Hij=ijNiAijhij， （8-3-2） ijij

15、ijijiiijij就可通过测量激光旁侧光谱线的强度得到对应于各个辐射跃迁的上能级的粒子数及各能级之间的粒子数差。 当有激光输出时，旁侧光谱的强度会发生变化，这是由于有关能级的粒子布居数发生了变化。由于3S2能级上的粒子通过受激辐射产生激光输出，并以极大的优势向2P4跃迁，造成3S2能级上的粒子数减少很多，造成3S2向2P2，2P3， 2P10跃迁产生的三条谱线旁侧光减弱。有激光输出时，跃迁3S22P2减弱，使得2P2能级上粒子数减少，于是跃迁2P21S5的自发辐射强度减弱。受激发射的结果还使得3S5能级粒子转移至3S2能级，减少了3S5向2P9的跃迁，也使得跃迁2P91S6减弱。而另一方面，

16、大量粒子的跃迁发生于3S22P4，造成2P4能级上粒子数大大增加，这时以2P4为上能级的跃迁必然会得到加强。 从上面分析可知，HeNe激光器旁侧光谱的强度及其变化直接反映了Ne原子与激光跃迁相关的能级上的粒子数分布及其变化。 7 锁相放大技术 HeNe激光器工作在有激光输出和无激光输出的交替状态时，其旁侧光谱强度的变化是很微小的，几乎被系统的直流漂移和噪声所淹没。直接从光电倍增管的输出信号观察这个变化很困难，在实验中是通过锁相放大技术来测量这个微小变化的。锁相放大器利用信号与外加参考信号的相关特性，从噪声中提取有用的微弱信号，如图8-3-3所示。实验中待测信号和参考信号是这样得到的：将一个斩波

17、器放在谐振腔中，当斩波器以恒定的速度转动时，使激光器交替地处于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。在有、无激光输出的周期性变化的情况下，旁侧光谱强度也周期性发生变化，即也被调制成一定频率的方波。这个调制后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前置放大器进行放大。由于方波信号的频率是确定的，利用带通放大器就可以将信号及与其频率相同的噪声放大，并抑制其它频率的噪声。在信号进入前置放大器的同时，取出与待测信号同步的参考信号，经相移、整形后与带通放大器出来的信号进行混频，即用一个被调制的信号和一个同步参考信号相乘，再

18、通过积分器，用平均的方法将噪声除掉，即可得到低噪声的直流信号，其大小正比于旁侧光谱的微小变化。 锁相放大器的详细工作原理参见本教材第十一单元实验 11-1。 5 201411142014 谢红 实验装置如图8-3-4所示。全外腔式HeNe激光器的HeNe气体比例为51101，总气压为1Torr。在激光器谐振腔内放置一个斩波器，它使激光器交替地处于有输出和无输出状态，信号调制频率约为360Hz。放电管的旁侧光经转向棱镜和透镜会聚后射入平面光栅单色仪（分辨本领1A），再经光电倍增管放大后输入锁相放大器。在激光器的输出端置一硅光电池取出方波信号作为锁相放 大器的参考信号。锁相放大器的输出信 号由函数

19、记录仪记录。信号的强度正比 于HeNe激光器旁侧光谱强度的微小 变化。 三、实验内容 1 记录HeNe放电管的自发发射光谱 用处于关闭状态的斩波器扇叶挡住 谐振腔光路，使HeNe激光器处于无 输出状态，HeNe放电管的旁侧光经转 向棱镜和透镜会聚到单色仪的入射狭缝 上。单色仪扫描速度用67A分，波长 范围从5800A到7300A。将光电倍增管输出的信号输入锁相放大器的前置放大器和带通放大器，然后直接由带通放大器输出端取出信号送入记录仪，由此可测得各自发发射谱线的相对强度。 2 记录有、无激光输出时旁侧光谱的微小变化 开动斩波器，使输出的激光得到频率约为360Hz的调制。适当选择单色仪入射和出射狭缝宽度，并按锁相放大器的使用说明调好仪器，使信号经过光电倍增管和锁相放大器放大，将锁相放大器的输出信号输入记录仪，即可记录旁侧光谱的变化。 3 实验结果分析 () 在所记录的两张图上找出与激光跃迁上、下能级相关的几条谱线，标明它们对应的波长值和跃迁能级。 () 在自发光谱图上测出相对强度，由公式(8-3-2)计算各能级相对粒子数，并进行比较。 () 由旁侧光谱强度变化图，对与激光上、下能级有关的几条谱线的强度变化进行归一整理，以波长为横轴，光强的相对变化量为纵轴作光强图，试分析几条谱线强度发生变化的原因。 000四、实验结果与数据分析 1.HeN