3-1_he-ne气体激光器放电条件的研究_舒达_W

1、 第4页近代物理实验双周四下午 第 12 周 实验目的：He-Ne 气体激光器放电条件的研究 1. 通过 He-Ne 气体激光器的制作过程，进一步了解 He-Ne 激光器的工作原理和放电条件对激光输出功率的影响； 2. 进一步熟悉真空的获得、测量和充气技术。 仪器与规格：He-Ne 激光器，JD-2 型He-Ne 激光电源（030mA）； 电离规，BD-8I 电离真空计（发射电流 A / 真空度 100,-1,-2,-3,-4Pa）； LP-3 Laser Meter 激光功率计（0200W20mW）； He 气（2L，99.999%，0.094MPa）、Ne 气（2L，99.99%，0.09

2、4MPa）贮气瓶； U 型管压力计；扩散泵，缓冲瓶，机械泵；各连接管道和阀门 原理、公式与实验图示：（一）基础理论1. 激光器总体工作原理 如图所示。激光器的基本结构包括三部分：工作物质、光学谐振腔和激励能源。 光学谐振腔还包括全反射镜和部分反射镜的结构。要形成激光，需要满足两个基本条件： a. 利用激励能源激活工作物质，即使工作物质内部的电子在某些能级之间实现 “粒子数的反转分布”。反转分布的条件是：g1N2g2N1。其中 N1、N2 分别是下、上能级的“粒子数密度”，g1、g2 分别是下能级 E1、上能级 E2 的“统计权重”。对于 He-Ne 激光器 6328 谱线，g1=5，g2=3。

3、它的粒子数反转通体放电实现。 b. 满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中 京 大 学 实 验 报 告 系 别 物 理 01 级 班号 2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 所获得的增益足以补偿由各种因素所导致的光的损耗。在忽略介质内部损耗的情 况下，阈值条件为：r1r2e2Gl1。其中 r1、r2 为谐振腔两端反射镜的“反射率”，包含了反射镜的吸收、透射和衍射的损失的考虑。G 为激活介质的“增益系数”，即频率为 的单色光在激活介质中传播单位距离所增加的光强的百分比。定义 为： G(v) =1Iv (z)dIv (z)

4、 。其中 l 为激活介质的长度，对于内腔式 He-Ne 激光器 ldz即谐振腔的两个反射镜之间的距离。 2. 激活介质的形成 (1) 上下能级粒子数反转分布 He 原子核外有两个电子，基态是 1s21S0。第一激发态是 1s2s，此电子组态有两个均为亚稳态的能级 23S1 和 21S0。Ne 原子最外层有六个 2p 电子，组成满壳层。基态是 1s22s22p61S0。对于 6328 的激光，即要求在 Ne 的 3S2（上能级 E2） 与2P4（下能级 E1）之间实现粒子数的反转分布。 He 的激发态 1S0 与Ne 的激发态 3 S2 之间的能量很接近。He 与 Ne 的配气比为7：1。He

5、的 1S 0 将基态的Ne 原子碰撞激发到 3S2 能级而自己回到 He 的基态。由于这两个激发态的能量很接近，所以发生上述能量共振转移的截面很大。因此 Ne 的3S 0 态（上能级）原子数密度较大。 至于 Ne 的 2P4，在偶极辐射近似下它与基态之间属于跃迁；且 2P 4 能级寿命很短，处于此能级的原子可自发辐射转到 1S2,3,4,5 态，因此 2P 4 的原子数密度较小。综合以上两点，Ne 的 3S2 与 2P4 之间的粒子数反转是容易实现的。 (2) “管壁效应”对粒子数反转分布的影响 处于 1S 态上的Ne 原子主要是通过与器壁碰撞将能量交给管壁而回到基态， 称为“管壁效应”。如果

6、 1S 上积聚了较多的 Ne 原子，则“共振俘获效应”或者电子碰撞（书 P165）会使 2P 态的原子数目相应增加，不利于下能级的“抽空”。所以为尽快使下能级抽空，要使用比较细的毛细管来增加 Ne 原子与管壁碰撞的速率。对于 6328 的小信号，增益系数 G()与毛细管内直径 d 成反比。 3. 谱线的辐射线宽 辐射光谱线的“中心频率”为 0=(E2-E1)/h。描述辐射光强 I()随频率 的分布 的函数 g()=I()/I0。成为光谱线的“线型函数”。其中 I 0 为该光谱线总的辐射功率。影响谱线增宽的主要因素有三种：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽。还 有均匀增宽与非均匀增宽之别。实验中不涉

7、及这方面内容，于是再次也不赘述。详见书 P165P166。 4. 激光介质对光的增益作用 激活介质中光的放大作用来源于原子的受激辐射。在忽略自发辐射的情况 下， 要实现光的放大，即要求受激发射光子数大于受激吸收光子数。可证明增益 系数G() 与线型函数 g()有相同的形状。所以当入射光的频率 =0 时增益最大。 5. 谐振腔的谐振条件 光波在腔内来回反射相互干涉，只有当光在一个来回中相位改变是 2 的整数倍时，多次反射的光才能相互加强形成激光。所以谐振腔的谐振条件是： 2l=q。其中 q 为整数， 为介质的折射率。 综上所述，谐振腔的谐振频率中只有落在粒子的荧光辐射谱线 g()宽度内并满足阈值

8、条件的那些频率才能形成激光。 6. 总气压 P 及配气比对激光器输出功率的影响 (1) 激光其在一定的气体配比下，输出功率随充气的总压强的变化有一个极大值。充气总压强 P 与毛细管内直径 d(115mm)的乘积在 35Torrmm 时输出功率最大。1Torr=133.322Pa，即一毫米 柱(mmHg)。 本实验中 d=1.2mm，P 取 5Torr。可在 4.55.5Torr 之间取值。 (2) He 与 Ne 充气配比（即分压配比）取 7：1。可在 6：1 至 8：1 之间取值。电子温度 Te 用以描述放电等离子体中电子运动的能量，它取决于在一个自 由程内电子由电场 E 获得的能量。由于自

9、由程 反比于压强 P，所以 T e 决定于E/P。当压强 P 减少时，电子的自由程继而平均动能增加，这有利于 He 原子有基态激发到 21S0。但如果 P 太小，意味着 He、Ne 原子数目太少，这时形成的粒子数反转密度不高，增益系数不大；反之若气压太高，自由程很短，则只有少数电 子具有足以激发 He 原子的能量，同样不利于粒子数的反转。所以存在一个最佳气压 P。在放电等离子体（即毛细管）中，E 与放电管内直径 d 成反比，所以T e 是 1/Pd 的函数。 T e 还与气体的种类有关。He 原子电离能较高，在其中加入 Ne，电子密度将升高，场强 E 将减小，继而电子能量下降。Ne 的比例小则

10、电子平均能量高，有利于激发 He 原子。但若 Ne 太少，不能形成足够的粒子数反转密度，对增益就有 影响。 7. 激光器的放电电流对激光器输出功率的影响 改变 He-Ne 激光器的放电电流，同时测量其输出功率。由图可见有个使激光输出功率最大的放电电流即“最佳电流”。且总气压降低时最佳电流升高。 京 大 学 实 验 报 告 系 别 物 理 01 级 班号 2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 o 处于亚稳态 21S0 的He 原子密度 N 在小的放电电流下，随电流近似线性增大。但当放电电流进一步增大，亚稳态 21S 0 上的 He 原子有饱和的

11、趋势。Ne 原子亚稳态 3S 2 原子密度随放电电流的变化也有相似规律。 饱和趋势的形成原因是：当电流太大，电子与亚稳态的 He 原子碰撞，将把后者由亚稳态激发到更高的能级上去，或者 He 原子将能量交给电子而回到基态。这两个过程都使亚稳态上的 He原子数目随着放电电流的增加而趋于饱和。另： 随着 I 增加，电子与 Ne 亚稳态 1S 上原子碰撞并使之激发到 2P 态的概率也增加， 使得下能级 2P上原子密度正比地增加，同样不利于粒子数反转。所以粒子数反转密度随着放电电流的变化有一个极大值，此值与最佳电流相对应。 （二）内腔式 He-Ne 激光器内腔式 He-Ne 激光器由放电管和谐振腔组成。

12、谐振腔由反射镜R（1 平面镜）， R2（球面镜，曲率半径 1m）组成。它们都有很高的反射率。放电管中央的细管为毛细管，套在毛细管外面比较粗的管为储气管。A 为阳极；K 为阴极。 增益系数 G()与毛细管直径 d 成反比。因为毛细管越细，Ne 的 1S 态通过与器壁碰撞回到基态的概率越大，这有利于激光下能级 2P4 的抽空，因而使增益增加。但若 d 过小，衍射损失就会增大，激光器总的输出功率也会下降（其与 d2 成正比）。还有电极、储气管、激光电源都是重要部件（书 P169P170）。 实验步骤、实验结果与数据处理： 第5页近代物理实验双周四下午 北京大学实验报告系 别 物 理 01 级 班号

13、2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 （一）阴极氧化此步骤在实验开始前已经完成，无需再做。 （二）抽真空抽真空要将机械泵与扩散泵配合使用，先开前者再开后者。各连通活塞应依次一一打开，而非一次性全开。具体步骤如下： 1. 启动机械泵；过一会（抽去泵内余气）之后扭转三向活塞 1，使得其三个方向都连通。再每隔一段时间依次同样地开启 2 和 3（一段一段地抽气）。最后扭开双向活塞 4（检查是否有漏气现象）。等待至少十分钟，接通激光器放电电流；如果此时激光器不亮，说明已经抽得很稀薄。这一阶段抽气要求气压在0.1Torr 以下。 注意：旋转活塞时要慢而稳

14、，可以往里轻压，勿有向外抽的力。 2. 开启扩散泵的循环冷却水（注意检验是否漏水）。接通扩散泵工作电源（加 热电炉的电源）。旋转活塞 1 使其右端与下端相连，左端断开；于是扩散泵开始进一步抽气。打开电离真空计测量微弱气压值，要求最后气压低于 810 -3Pa。抽到后期应使用热电吹风不断吹拂整个容器，使得吸附在管壁内侧的余气分子逸 出，继而被抽走， 保证了高度的真空并且以后配气的比例不会被影响。 3. 达到上述压强要求后，两个泵继续工作。将 4 断开并在实验全过程中保持如此，这样 4 的 U 型管左段就成为一个保持真空条件的室，作为真空气压计的一个足。之后从 U 型管两足的液面高度差就可读出其右

15、足继而整个 V1 中的气压值。 U 型管中硅油的密度为：1.09g/cm3。即 1cm 高的硅油的压强为 106.82Pa， 1.248cm 硅油等于 1Torr 即 1mmHg。 （三）配气激光器的毛细管直径为 1.2mm。最佳工作总气压为 3Torr左右。要求先将总压强调至 5Torr，再逐次降压，观察激光器输出功率随总气压变化的情况。调配时允许最终结果为 4.55.5Torr。He 气与Ne 气的最佳压强比（即摩尔数比）为7： 1。亦允许 6：18：1 的误差。 注意：充入 Ne 或 He 气时，气瓶以上的三个双向活塞切不可有任何时候是三个同时开启的。因为贮气瓶中气压相对于真空是很大的（

16、0.1Mpa），若直接对之充气，则无论手多快也无法避免强大气流把硅油冲开。 配气操作步骤：V1、V2的分划见装置图所示。 a. 测量 V1、V 2 的体积比。选择 He 或者Ne 作为助测气体。考虑到 V2 的体积是 V 1 的几倍，为了减少误差，先旋转活塞 3 使得V1 与 V 2 及其他区段断开， 在 V 1 中充入较高压的气体，记下 U 型管两足间硅油液面高度差 h1；然后旋转活塞 3 使 V1 与 V2 联通，二者与其它区段断开，等 V1 中气体自由扩散完毕（很快）， 再记下此时的硅油液面差 h2。可知 h1：h2= V1+V2：V1。 测得 h1=40.15cm，h2=7.72cm。

17、所以算得 V1：V2 约为 1：4.2。 b. 配气。抽干净之前的余气。旋转活塞 3 使 V1 与 V 2 联通、与抽气机构断 第7页近代物理实验双周四下午 北京大学实验报告系 别 物 理 01 级 班号 2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 开。充入一定压强的 He 气。然后旋转 3 使 V1 与抽气机联通、与 V2 断开，抽净 V1 中的余气。再旋转 3 使 V1、V2、抽气机三者断开，往 V1 中充入一定压强的 Ne 气。最后旋转 3 使 V2 与 V 1 联通、与抽气机保持断开，充分混合 V1 与V2 中的气体。即所需工作气体。 由于

18、最后混合气体总压强为 5Torr，则可得最终 Ne、He 气的压强（1：7） 分别为 83.3Pa、583.2Pa。而由充气的操作过程，可得一开始充气时 He 气气压应取为 583.2Pa (V1+V2) / V2 = 721.8Pa，即 6.72cm 硅油；Ne气为 83.3Pa (V1+V2)/ V1 = 433.16Pa，即 4.03cm 硅油。 在实验中，所取的 He 气压强为 6.68cm 硅油，Ne 气为 3.86cm 硅油，基本符合上述设定。检验：最终所得混合气体的压强为 6.36cm 硅油，即 5.09mmHg， 满足最初的要求。 （四）测量总气压及放电电流对激光器输出功率的影

19、响保持配气比不变。每次降低一点总气压，在此基础上连续改变放电电流的值 （注意 I 不可长时间大于 10mA），观察并记录激光器输出功率随着两者变化的趋势，归纳总的定性规律。 逐次轻微降低气压的方法：旋转活塞 3 使 V1 与抽气机相连、与 V 2 断开， 抽净 V1 中的气体；然后再旋转 3 使 V1 与 V 2 相连，与抽气机断开，待其中气体均匀后再测量。 数据记录及相应图表如下： P 总 1=5.09mmHg放 电 电流 I(mA) 2.32.93.23.94.04.85.25.87.08.19.310.6输 出 功率 P(mW) 0.550.630.770.790.800.790.750

20、.650.380.160.020.0系 别 物 理 01 级 班号 2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 P 总 2=4.18mmHg放电电流 I(mA)2.33.03.94.65.05.35.66.06.9输出功率 P(mW) 0.780.981.051.081.121.141.091.081.04放电电流 I(mA)7.48.08.99.510.511.512.914.1输出功率 P(mW) 0.930.830.680.570.420.250.110.06P 总 3=3.42mmHg放电电流 I(mA)2.93.64.85.25.76.0

21、6.57.1输出功率 P(mW)0.911.141.291.361.381.41.361.34放电电流 I(mA)8.09.010.011.013.015.016.8输出功率 P(mW)1.271.131.050.850.590.380.29P 总 4=2.80mmHg放电电流 I(mA)3.24.35.26.07.28.08.5输出功率 P(mW)0.91.091.241.351.481.531.54放电电流 I(mA)9.19.610.010.511.012.013.2输出功率 P(mW)1.551.571.551.531.491.381.33 第9页近代物理实验双周四下午 北京大学实验报

22、告系 别 物 理 01 级 班号 2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 P 总 5=2.23mmHg放电 电流 I(mA)3.94.95.86.98.09.19.810.911.813.514.3输出功率 P(mW) 0.710.810.951.081.21.261.271.261.211.181.16由数据表可见最大功率值出现在 P 总=3.42mmHg 与 2.80mmHg 之间，侧面印证了最佳工作气压是 3mmHg。不同气压下功率随放电电流的变化总趋势如下图所示（其中气压 P 由 1 至 5 逐渐降低，其具体值见上数据表头）： 系 别

23、物 理 01 级 班号 2 班姓名 舒 达学号 00104177做实验日期 2004 年 4月 29 日教师评定 可见：a. 对一定的总气压，输出功率随放电电流 I 的增大，先变大后变小， 有一个“最佳工作电流”（功率最大时的电流）。b. 总气压越小（P1P5），最佳工作电流越大。c. 最大输出功率值随着总气压的增大，先变大后变小，存在一个峰值趋势。 现象 a 的解释：Ne 原子亚稳态 3S 2 的原子密度，在小的放电电流下近似地随电流线性增大。但当放电电流进一步增大就会出现饱和趋势。原因是：当电流太大，电子与亚稳态的 He原子碰撞，将把后者由亚稳态激发到更高的能级上去， 或者 He 原子将能

24、量交给电子而回到基态。这两个过程都使亚稳态上的 He 原子数目随着放电电流的增加而趋于饱和。另：随着 I 增加，电子与 Ne 亚稳态1S上原子碰撞并使之激发到 2P 态的概率也增加，使得下能级 2P 上原子密度正比地增加，同样不利于粒子数反转。所以粒子数反转密度随着放电电流的变化有一个极大值，此值与最佳电流相对应。实验结果检验了理论上放电电流 I对激光器输出功率影响的结论。 现象b的解释：总气压越小意味着 He、Ne 气分子的空间数密度越小。此时需要更大的电流即足够的电子来激发工作气体，才能满足产生激光的阈值条件， 提供持续不断的激光光子。 现象c 的解释：当压强 P 减少时，电子的自由程继而平均动能增加，这有利