最佳放电条件

1、He-Ne激光器最佳放电条件摘要 本次实验中通过研究He-Ne激光器的总气压，He、Ne的配气比和激光的放电电流对 激光器的输出功率的影响，寻找出激光器的最佳放电条件。实验中发现激光的输出功率对于 总气压，He、Ne的配气比和激光的放电电流都有一个极大值。通过对实验数据的分析得到 激光器在配气比为6.9:1，总气压为329Pa，放电电流为7.62mA的情况下，输出光功率最大， 为 6.13mW。关键词 He-Ne激光器，总压强，放电电流，配气比一、引言He-Ne激光器是应用广泛的一种原子气体激光器，它以He、Ne混和气体为工作物质， 采用放电激励的工作方式产生一定工作频率的激光器。其输出功率与

2、放电条件（如气体的配 气比、气体总压强、放电电流等）有密切的关系。而研究He-Ne激光器的最佳放电条件对 于制作和使用激光器来说是十分重要的。本实验主要通过配置He-Ne激光器的工作气体，研究气体总压强和工作电流对He-Ne 激光器的输出功率的影响，从而寻找最佳的放电条件。二、原理1、内腔式He-Ne激光器的结构Reflector图一 内腔式He-Ne激光器的结构激光器由工作物质、谐振腔、激励电流三部分组成，内腔式激光器其结构如图一所示。谐振腔由两个反射镜构成，放电管中央是毛细管，是对激光产生放大的区域。光在其中传播 一个单程的增益为G (v ) l。虽然G (v )反比于毛细管的直径d,但是

3、毛细管不能做的太细，否则会增大光衍射的损耗并且限制输出总功率，并且增加调节激光谐振腔的困难。毛细管外较粗的管子为储气管，其直径通常为25cm。储气管与毛细管的气路是相通 的，主要用于稳定毛细管内部的工作气压，稳定激光的输出功率和延长其寿命。由于工作电压很高(一般在40008000V)，会引起离子撞击电极材料，尤其是正离子引 起的阴极材料的溅射和蒸发会使工作气体压强不断减小，污染谐振腔的反射镜，降低其反射 率，所以一般选溅射较弱的Al作阴极。和正离子相比，电子的质量要小很多，所以电子轰 击阳极造成的损害比以及要小得多。2、放电条件对激光输出功率的影响总气压由于自由程与总气压成反比，所以总气压降低

4、时电子的自由程久增大，电子动能增加， 利于粒子数反转，但是如果总气压太小，会使原子数密度降低，总的反转的粒子数减少，这 样激光器输出的总功率就降低了。相反，如果总气压太高，则电子的动能太低，只有少数电 子才能把He原子激发到21S。态上，不利于粒子数反转。所以有一个最佳的总气压值对应最 大的激光器输出功率。配气比He原子电离能高，带电数目少。所以He的比例增大时，电子温度升高，这样有利于 激发Ne原子，但是太大的话，就不能产生足够的反转粒子数密度，得不到足够的增益。所 以He，Ne有一个最佳的配气比，一般为：p : p =7: 1 5: 1(1)放电电流激光器为获得632.8nm的激光，需要N

5、e在3S2和2P4之间实现粒子数反转。增加放电 电流时，亚稳态21S0上的原子与电子碰撞将会被激发到更高的能级上去，从而导致亚稳态 2气上的He原子密度减少。另外电流增加，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，使得反转粒子数密度随放电电流的变化有一个最大值，即最佳放电电 流。3、实验装置一一真空系统本实验中所需的真空度分两个阶段达到：低真空（从大气压到0.5Pa）和高真空（0.5Pa到2X10遂a）。每阶段的开启顺序都是真空泵一真空阀一真空计，关闭顺序则完全相反。真空系统如图二所示。电J热八离口偶X规空系统如图二所示。电J热八离口偶X规1fi管1nf图二真空系统示意图实

6、验中，先利用机械泵获得低真空再通过油扩散泵获得高真空。注意在用油扩散泵的同时，仍要开启机械泵，因为油扩散泵需要机械泵提供得低真空环境才能工作，而且需要机 械泵为其排气。三、实验一、抽真空首先，获得低真空：关闭阀门5、6、7和8，调节阀门1，2使得三向气管相通，打开 其余阀门。接通电源，打开机械泵，使其对整个系统进行抽气，以获得低真空。在此过程中， 用热偶真空计测系统的真空度。其次，获得高真空：打开冷却水，调节阀门2内管呈TI态，预热油扩散泵。调节阀门2 内管呈丁态，使油扩散泵开始抽气，以获得高真空。在此过程中，用电离规真空计测系统的 真空度。二、配气过程首先，计算充气时硅油压强计所应达到的高度

7、差。已知： TOC o 1-5 h z V1 y =2 3 .(2)其中，V1为连接激光管部分的体积，V1为连接He、Ne气瓶部分的体积。欲使He、Ne总 气压为 4 Torr (1 Torr = 1 mm 汞柱)。由公式(1)可知充入He气时：PV = n RT(3)混合后He气的压强，P = V1 P = - P(4)He V1 + V 2 18故硅油高度差h为：h = P 匕* 七)=6.25 cm(5)1 He V - g - p同理，充入Ne气时硅油高度差h2为：h = P = 2.86 cm(6)2 Ne V - g - p硅油其次，向V1中充入He，关闭阀门2,停止抽气，关闭阀门

8、4,打开阀门3；打开阀门6 使He气充入阀门5、6之间，关闭阀门6；打开阀门5缓缓充入He气直至硅油高度差为h1； 关闭阀门5,调节阀门2开始抽气直至液面差为h1，关闭阀门3，充入He气完毕；其后依 照类似的步骤充入Ne气在匕中；打开阀门3,使两种气体充分混合十分钟，打开激光器， 通过光功率计观察激光的功率。三、测激光功率首先在一定的总压强下，改变电流测量光功率；其次改变总气压，重复以上步骤。通过 多次测量，寻找激光器的最佳放电条件。四、实验结果与分析1、实验中，由于真空度很高，所以气流流动的很快，在尽可能小心的情况下，实际的h= 64.7mm , h = 30.0mm由此可以算出：头验数据如

9、表一所示：P总=表一 一58啊，PHe： PNe = 9: 1定压强下，光功率P与电流I的关系P 总=580PaP 总=441PaP 总二329.3PaP 总二259.7PaI(mA)P(mW)I(mA)P(mW)I(mA)P(mW)I(mA)P(mW)7.824.327.925.797.916.107.985.907.694.437.705.837.626.137.725.727.514.477.555.867.456.047.525.627.334.507.435.937.035.897.185.417.124.307.325.106.615.726.985.226.804.136.464

10、.936.365.706.524.946.514.005.864.595.685.405.884.406.023.235.424.445.175.085.513.825.623.075.034.224.724.715.183.565.462.954.503.924.60临界5.18临界5.28临界4.50临界-“临界”是指该电流下激光器刚好不发光，也就是激光开启电流，一”是指没有测量。2、由表一是数据利用Matlab软件可得到不同的气压下，光功率P与电流I的关系，如图三 所示。从图中可以看到：1、当P总=580Pa时，最大光功率出现在I=7.33mA；当P总=441Pa时，最大光功率出 现在I

11、=7.43mA；当P总=329Pa时，最大光功率出现在I=7.62mA；当P总=260Pa时，最大 光功率应该出现在放电电流大于8mA的位置。这些表明随着总压强的减少，达到最大光功 率所需要的放电电流会增大。2、从图三可以很清晰地看到当总压强固定时，存在一个最佳的放电电流，且最佳放电 电流随着总压强的减少而增加。另外可以发现，当气体的总气压较低时，P与电流I呈明显 的线性关系，这说明在气体总量较低时，反转粒子数密度与电流成正比。3、纵向比较，当放电电流一定时，光功率和总压强也会有关系，当总压强较大时，光 功率随着总压强的减小而增大，而当总压强减少到一定程度之后，光功率又随着总压强的减 少而减少，与理论符合得很好。3.5激光功率 P与电流之间的关系P总=568PaP 总=441Pa3.5激光功率 P与电流之间的关系P总=568PaP 总=441PaP总=329PaP总-260Pa2.54.55.56电流6.5I/mA77.5图三 激光功率P与电流之间的关系图五、总结从表一中可以看到，总压强由高到低，激光的开启电流分别为5.28mA, 4.50mA, 4.60mA, 5.18mA。说明激光开启电压是受总压强影