氦氖激光器的最佳放电条件

1、HeNe激光器的最佳放电条件武晓忠2012111410462012级物理学系非师范班指导教师：何琛娟2015.4.28【摘要】 本实验配制了HeNe激光器的工作气体，用真空系统探究了HeNe激光器的输出功率随混合气体压强和工作电流之间的关系，从而探究了HeNe激光器的最佳放电条件。【关键词】 HeNe激光器、抽真空、配气、放电条件。一引言HeNe激光器是以He、Ne混合气体为工作物质，采用放电激励方式工作的激光器。其激光输出功率与放电条件(气体总压强、气体的配比、放电电流等)有密切关系。研究它的放电条件对于制作和使用HeNe激光器来说都是非常重要的。本实验通过配制HeNe激光器的工作气体，研究

2、放电条件对激光输出功率的影响，从而进一步了解HeNe激光器的工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技术。二实验原理1 内腔式HeNe激光器的结构KR1R2A图1 内腔式HeNe激光器的结构示意图实验中采用内腔式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97一98，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

3、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细管固定连接在一起，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）

4、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

5、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4000一8000 V。工作电流在7mA左右。2HeNe激光器的工作原理 （1）增益介质 要获得6328nm的激光就要求在Ne的3S2和2P4能级之间实现粒子数反转分布，这时介质对6328nm的光有放大作用，称之为增益介质或激活介质。HeNe激光器是通过He与Ne之间能量的共振转移碰撞过程实现粒子数反转的。 激光下2P4能级的寿命很短，处在该能级的原子通过自发辐射到1S能级上1S2,3,4,5中1S3,5是亚稳态，而1S2,4可以跃迁到基态产生共振辐射，它很容易被别的基态Ne原子吸收激发到1

6、S2,4能级上，这相当于延长了这两个能级的寿命，使之与亚稳态的寿命一样长。因此，处于1S能级上的Ne原子主要是通过与毛细管壁碰撞将能量交给管壁而回到基态。这就是所谓的“管壁效应”。选用毛细管作放电通道有利于增强这种效应。如果1S能级上积累了较多的Ne原子，会增加Ne的2P态与1S态之间的共振俘获效应（Ne原子由2P态退激发至1S态时发射的光子，为另一个处于12态的Ne原子吸收又回到2P态），同时电子碰撞使Ne原子由lS态激发到2P态的几率也会增加，这些都使2P态的粒子数密度增加，这对实现粒子数反转分布是极其不利的。实验测得：对6328nm小信号，增益系数G（）与毛细管直径d成反比。（2）增益系

7、数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)考虑到式中为折

8、射率，则有上式表明：1） 要求增益系数，必须，即粒子数必须反转分布。2）增益系数与粒子数差值成正比。（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，改变气体总气压，一个激光器输出的激光功率存在一个极大值。图2 输出功率随放电电流的变化充气总气压与毛细管直径的乘积(d在115mm范围内)为400一670 Pa·mm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，最佳气体总压强应该在400Pa左右。2） 激光器的毛细管直径d

9、130 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。三实验内容1. 实验装置本实验装置示意图如图3所示：图3 真空系统示意图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这些装置。2实验内容：（1）抽空除气利用机械泵、扩散泵对系统抽气，使得气体压强约为7*10-3Pa的量级。（2）配气 使得气体配比为：。（3）研究放电条件

10、对激光输出功率的影响。3实验设计方案（1）抽真空至真空系统内的压强到达7*10-3Pa后，关闭真空计。（2）关闭阀门2、3、4，在体积V2部分充入氖气，此时系统内的压强为P1，硅油的液面差为 h1。（3）打开阀门3，此时系统内的压强为P2，硅油的液面差为h2。根据普通气体在压强为一个小量时，物态方程近似为理想气体方程，则： 则 通过这样，我们就可以得到的值。（4）由于实验要求真空系统内的压强要达到5Torr，根据计算，我们要求中的压强为（硅油），这时对应的液面差为h3=11mm。 （1Torr=1mmHg Hg的密度为13.6g/cm3 硅油的密度为1 g/cm3）（5）关闭阀门3，打开阀门2

11、，抽真空，等到U形管内硅油的液面相等时，关闭阀门2。（6）向系统内充Ne气，使得U形管内硅油的液面差为：（硅油）。（7）打开阀门3，使气体混合，这样就可以使得氦氖气体的比例达到7:1。然后进行以后的实验。（8）将激光器的电流从最大电流10mA开始，0.5mA的步长减小电流大小，直到无法观测到激光为止。然后减小总压强，在每个新的总压强下重复上述实验步骤。四实验结果与分析讨论1计算V1和V2的比值实验中我们测得：通过计算得到：这样我们就确定了V1和V2的比值。2研究放电条件对激光输出功率的影响实验数据如表1表1 实验数据电流（mA）P总=78mm硅油（mW）P总=65mm硅油（mW）P总=44mm

12、硅油（mW）P总=33mm硅油（mW）P=25mm硅油（mW）P=19mm硅油（mW）100.2357.197.697.415.499.50.495.37.227.617.15.1390.725.467.167.426.994.918.51.135.527.077.206.674.6481.445.546.967.116.284.337.51.825.596.816.695.864.0472.085.476.556.55.473.676.52.375.286.416.235.13.3662.625.096.005.94.593.055.52.74.885.695.454.292.6552.71

13、4.65.315.023.844.54.34.904.544.45我们用所测得的实验数据画出输出功率同放电条件的曲线如图4所示。图4 输出功率同放电条件的曲线图图5 最佳电流值随压强的变化曲线图图6 最大功率随总压强的变化曲线图从图中我们可以看出：（1）在P总确定的时候，当激光发光稳定的时候，我们发现，激光的输出功率与激光器的工作电流有关。（2）随着总压强的降低，最佳放电电流呈上升趋势。（3）在不同的P总的时候，激光器的输出功率与激光器的工作电流的变化是不一样的。当P总比较大的时候，激光器的输出功率随这工作电流的增大而减小；当P总适中时，激光器的输出功率会随着工作电流的变化出现一个极大值，并且

14、随着P总的减小，最大值对应的工作电流值变大；当P总继续减小，我们发现激光器的输出功率会随着工作电流的变化变大。但是只有在适当的P总和适当的电流值时，激光器的输出功率是最大的，此时即是氦氖激光器的最佳放电条件。（4） 随着总压强的改变，激光器的输出功率存在极大值。五实验结论与操作分析实验中我们得到V1和V2的比值为3.36，所测得的数据做出的曲线和实际相符合，实验取得了成功。本实验涉及真空系统，操作应特别谨慎，根据实验过程特此总结一些操作的注意事项： 1 实验室中纯净的He气和Ne气比较珍贵，在充入He气与Ne气时不可以同时打开分隔阀5、6或者7、8。正确的做法是先打开6或8，然后关闭6或8，然后打开5或7，利用5和6之间的He气或7、8之间的Ne气充气，否则由于纯净的He气和Ne气的压强很大，会浪费很多气体。 2 实验过程中经常要改变总压强，改变压强时应注意不要同时打开分隔阀2和3进行，抽气改变气压，若控制不好会造成大量气体流失，导致之前的操作还要重新进行。正确的做法是关闭分隔阀3，然后计算2和3之间的空间内的气体应有多大的压强能够满足打开3后的混合气体能满足总压强的要求。 3&#