He-Ne激光器的旁侧光谱

1、He-Ne激光器的旁侧光谱一、 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。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。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

2、，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。 图8-3-1 外腔式He-Ne激光器的结构示意图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

3、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，用符号表示He原子的能级，采用一般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。这时,.He原子的

4、两个电子是按LS耦合的，可以算出,.图8-3-2 与He-Ne激光器有关的能级结构及跃迁示意图因此，He的基态为。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，其主量子数n2可以任意。当n2=2时，由原子物理可知，；，此时有 根据LS偶合，可形成的原子态有，。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和两个能级。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。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

5、动量L及总角动量J均为零，其基态为。Ne原子的激发态是一个2p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，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耦合。耦合方式是先把一个电子的轨道角动量与其自旋角动量耦合成这个电子的总角动量，.然后，把与另一个电子的轨道角动量合成中间角动量，.最后，将与另一个电子的自旋角动量耦合成总角动量，.按上述耦合方法，对于2p电子的空穴，有, , .而跳到ns(n>2)壳层的电子，=0，=，可得原子的

6、中间角动量，于是原子的总角动量J=2、1、1、0，原子的能级状态共有四个。我们用符号表示耦合能级，则这四个能级可表示为， ， ， 其中，带¢的ns表示相应于这一能级的。这四个能级与图8-3-2中Ne原子能级上所标的帕邢符号S项的一组四个能级对应，它们之间的对应关系为：， ， ， 如果2p电子跳到np(n>2)壳层，则该电子轨道角动量=1，自旋角动量=，对于2p电子的空穴，仍有，同理可计算出各角动量值，如表8-3-1所示。表8-3-1 角动量值 j1 K 3/2 1/2 5/2 3/2 1/2 J 2,1 1,0 3,2 2,1 1,0这样得出原子的能级状态共有10个，它们与图8

7、-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 4 粒子数反转机制HeNe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的和就是这种亚稳态。态的

8、S=L=J=0，比它能量低的态只有基态，S=L=J=0，它们之间的辐射跃迁不满足跃迁选择定则同理，与之间的辐射跃迁也不能实现。这样，被激发到和态的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原子处在和两个能级上。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DE很小时，这种过程特别容易发生，称为能量的共振转移过程。从图8-3-2中可以看到Ne的能级(19.78eV)和能级(20.66eV)正好分别

9、与He的（19.82eV）和（20.61eV）能量相差很少，所以处于和态的He原子很容易通过同Ne原子碰撞把Ne原子激发到和能级上去。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。而激光下能级和的寿命很短，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

10、间。在耦合中，比较严格的选择定则如下,.在满足这两条的可能跃迁中，的跃迁较强，其它跃迁较弱。又由于跃迁是之间的跃迁，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，而跃迁是之间的跃迁，原子状态的变化不仅和激发电子状态的变化有关，也和其它电子状态的变化有关，发生的几率较小。下面，由图8-3-2分析与形成激光有关的能级跃迁。能级在向10个3P能级的跃迁中除去向的跃迁不许可外，（因为，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，满足的要求，谱线较强，且跃迁属于之间的跃迁，所以，这条光谱线最强，其余的都比较弱。同样，的可能跃迁中，跃迁最强。同样，的可能跃迁中，跃迁

11、最强。所以这三条谱线是HeNe激光器中最强的激光谱线。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. （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，比例系数是测量系统的总效率，即，（8-3-2）， （8-3-）其中Ni为上能级的粒子数。如果知道能级间的自发辐射系数Aij和测量系统的总

12、效率，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，并以极大的优势向跃迁，造成能级上的粒子数减少很多，造成向， 跃迁产生的三条谱线旁侧光减弱。有激光输出时，跃迁减弱，使得能级上粒子数减少，于是跃迁的自发辐射强度减弱。受激发射的结果还使得能级粒子转移至能级，减少了向的跃迁，也使得跃迁减弱。而另一方面，大量粒子的跃迁发生于，造成能级上粒子数大大增加，这时以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

13、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

14、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。图8-3-3 锁相放大器原理示意图锁相放大器的详细工作原理参见本

15、教材第十一单元实验11-1。三、实验装置实验装置如图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1），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。图8-3-4 实验装置示意图四、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

16、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67分，波长范围从5800到7300。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(

17、) 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。五、思考题氦氖激光器产生的轴向光和旁侧光有何不同？氦氖激光器中充的氦气和氖气各起什么作用？参考文献1 Armand L. Waksberg and Allan I. Carswell，“Optical resonator effects on the p

18、opulation distribution in He-Ne gas lasers determined from side light measurement，”Appl. Phys. Lett. Vol.6, No.7,137-138 ,19652 周炳昆，高以智，陈家骅等.激光原理.北京：国防工业出版社，20003 陈英礼激光导论电子工业出版社，19866附录8-3-1 激光跃迁能级对应的波长和自发辐射系数 能级跃迁 波长（） Aij（）能级跃迁 波长（） Aij（）2P11S42P11S22P21S52P21S42P21S32P21S22P31S42P31S22P41S52P41S4

19、2P41S22P51S52P51S42P51S32P51S22S51S52P61S42P61S32P71S55400.565852.495881.906030.006163.596598.956074.346652.095944.856096.166678.285975.536128.456266.506717.046143.066304.796929.476217.28 0.08996.8281.1470.5611.4662.3236.0360.02941.1351.8132.3360.3510.06652.4932.1732.8230.4171.7430.678 2P71S42P71S32P71S22P81S52P81S42P81S22P91S52P101S52P101S42P101S32P101S23S22P13S22P23S22P33S22P43S22P53S22P63S22P73S22P83S22P106382.996532.887024.056334.436506.537173.946402.257032.417245.177438.908082.467304.836401.076351.856328.176293.746118.016046.135939.315433.653.2141.0830.1891.6163.0000.2875.062.5