1、He-Ne激光器的最佳放電條件實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘要：本實(shí)驗(yàn)利用真空系統(tǒng)，配以復(fù)合真空計(jì)、激光電源以及數(shù)字激光功率計(jì)研究He-Ne 激光器的最佳放電條件。實(shí)驗(yàn)中配置了 He、Ne混合氣體，使得p,:七 7 :1。保持氣配 比不變，改變氣體總壓強(qiáng)，對(duì)于每個(gè)壓強(qiáng)值，分別測(cè)量輸出光功率和壓強(qiáng)值的關(guān)系，得到： 對(duì)于每一個(gè)壓強(qiáng)，都存在一個(gè)最佳放電電流，且隨著總壓強(qiáng)的降低，最佳放電電流的數(shù)值呈 上升趨勢(shì)；且隨著壓強(qiáng)的改變，激光器的輸出功率存在極大值。關(guān)鍵字：HeNe激光器、輸出光功率、壓強(qiáng)、真空一， 引言激光是20世紀(jì)60年代的偉大發(fā)明。它的誕生影響到自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。激光是受激 輻射光，所以它具備與普通光源不同

2、的性質(zhì)，即極好的方向性、單色性和極高的亮度。He-Ne激光器是以He、Ne混合氣體為工作物質(zhì)，采用放電激勵(lì)方式工作的激光器，其激光輸出功率與放電條件（氣體總壓強(qiáng)、氣體的配比、放電電流等）有密切關(guān)系。研究它 的放電條件對(duì)于制作和使用He-Ne激光器來(lái)說(shuō)都說(shuō)非常重要的。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)配置He-Ne激光器的工作氣體，研究放電條件對(duì)激光輸出功率的影響，從 而進(jìn)一步了解He-Ne激光器的工作原理和最佳放電條件，掌握真空與充氣技術(shù)。二，實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)腔式He-Ne激光器由諧振腔和放電管組成，如圖1.諧振腔由兩個(gè)反射鏡R1、圖1內(nèi)腔式He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)示意圖1，內(nèi)腔式He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)R2組成。激光通過(guò)反射

3、率較低的腔鏡耦合到腔外，該鏡通常稱(chēng)為輸出鏡。放電管中央的細(xì)管為毛細(xì)管。毛細(xì)管中充有He、Ne混合氣體，是對(duì)激光產(chǎn)生放大的區(qū)域，毛細(xì)管的幾何尺寸決定了激光的最大增益。套在毛細(xì)管外面較粗的管子為儲(chǔ)氣管。儲(chǔ)氣管與毛細(xì)管的氣路相通，主要作用是穩(wěn)定毛 細(xì)管內(nèi)的工作氣壓、穩(wěn)定激光器的輸出功率和延長(zhǎng)其壽命。圖中，K為陰極，A為陽(yáng)極。電極的質(zhì)量直接關(guān)系到激光器的壽命。HeNe激光器工 作時(shí)，毛細(xì)管要進(jìn)行輝光放電，受電場(chǎng)加速的正離子撞擊陰極會(huì)引起陰極材料的濺射與蒸發(fā)。He-Ne激光器一般采用直流高壓放電激勵(lì)方式。2，He-Ne激光器的工作原理光照射介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生受激輻射和受激吸收過(guò)程。對(duì)于激光束，有激光輸出，要

4、求受激發(fā)射超過(guò)受激吸收，必須是高能級(jí)的原子數(shù)密度N2大于低能級(jí)的原子數(shù)密度N1，即“粒子171 5161514電子碰撞激發(fā)電子碰捶激發(fā)13:管壁致應(yīng)觸豫:七：: HYPERLINK l bookmark10 o Current Document :hk!t回S,圖2與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖數(shù)反轉(zhuǎn)”。He-Ne激光器中氦氣起產(chǎn)生激光的媒介和20增加激光輸出功率的作I，,用，氖氣起產(chǎn)生激光的 作用。氦原子有兩個(gè)亞1 *穩(wěn)態(tài)能級(jí)2i S0、23 S1，在氣體放電管中，在電1場(chǎng)中加速獲得一定動(dòng)能 的電子與氦原子碰撞， 并將氦原子激發(fā)至U21S o、23 S1，此兩能級(jí) 壽命長(zhǎng)容易積累粒子。

5、因而，在放電管中這兩個(gè)能級(jí)上的氦原子數(shù)是比較多的。這些氦原子的能量又分別與處于3s和2s態(tài)的氖原子的能量相近。處于21So、23S1能級(jí)的氦原子與基態(tài)氖原子碰撞后，很 容易將能量傳遞給氖原子，使它們從基態(tài)躍遷到3s和2s態(tài)，這一過(guò)程稱(chēng)能量共振轉(zhuǎn)移。由 于氖原子的2p、3p態(tài)能級(jí)壽命較短，這樣氖原子在能級(jí)3s 3p、3s 2p、2s 2p間形成粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而發(fā)射出3.39um、632.8nm、1.5um三種波長(zhǎng)的激光。而處于1S能級(jí)上的 Ne原子主要是通過(guò)“管壁效應(yīng)”，即與毛細(xì)管碰撞將能量交給管壁而回到基態(tài)。選用毛細(xì) 管作放電通道有利于增強(qiáng)這種效應(yīng)。3，選擇最佳放電條件的幾條實(shí)驗(yàn)定律當(dāng)氣

6、配比保持一定時(shí)，改變充氣總電壓，激光器的輸出功率存在一個(gè)極大值。電子在一個(gè)自由程內(nèi)被電場(chǎng)E加速后獲得的能量決定了電子溫度T的高低，而自由程 與總壓強(qiáng)P成反比，故E/P的大小決定了電子溫度T的高低?？倝簭?qiáng)太小，He和Ne的原 子數(shù)密度太小，這時(shí)形成的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度也太小?？倝簭?qiáng)太高，電子溫度太低，只有少數(shù) 電子具有較大的能量能夠激發(fā)He原子。激光器的毛細(xì)管直徑d=1.30mm時(shí)，He與Ne的充氣配比選擇7： 1比較理想，在這 個(gè)配比下，當(dāng)配比發(fā)生偏離時(shí)激光器的輸出功率變化得比較緩慢。電子溫度處理取決于充氣總氣壓外，還取決于氣體的種類(lèi)，He原子的電離能概予Ne的 電離能。在Hei、氣中加入職，電子

7、密度會(huì)增加，場(chǎng)強(qiáng)E會(huì)下降，電子溫度會(huì)減少。He、Ne 混合氣中Ne的比例太小，就產(chǎn)生不了足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度。Ne的比例太大，電子溫度就 會(huì)減少，不利于激發(fā)He原子。（3）存在一個(gè)使激光器輸出的激光功率達(dá)到最大值的放電電流，即最佳放電電流。當(dāng)總 氣壓降低時(shí)最佳放電電流值增大。當(dāng)放電電流較小時(shí)，處在亞穩(wěn)態(tài)21S0的He原子密度N隨放電電流的增加而增加，近 似呈線(xiàn)性關(guān)系，放電電流逐漸增加，激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)21S0上的He原子密度趨于飽和。此外， 當(dāng)增加放電電流時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)1S上的Ne原子和電子碰撞被激發(fā)到2P太的概率增加，使激光 623.8nm的下能級(jí)上的原子密度線(xiàn)性增加，使得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨放電電流的

8、變化存在一個(gè) 最大值，即最佳放電電流。三， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法1，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)利用如下圖所示的真空系統(tǒng)，以及復(fù)合真空計(jì)、激光電源以及數(shù)字激光功率計(jì)。實(shí)驗(yàn)中把分隔閥3左側(cè)的空間記為匕，2和3之間的空間記為匕。U形管壓力計(jì)是用 來(lái)測(cè)量壓強(qiáng)的，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)里面的油柱差來(lái)判斷壓強(qiáng)值，實(shí)驗(yàn)中用的油為硅油。實(shí)驗(yàn)中以機(jī) 械泵作為前級(jí)泵，然后利用油擴(kuò)散泵繼續(xù)抽氣，達(dá)到高真空狀態(tài)。2,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法（1） 抽空除氣打開(kāi)分隔閥2、3、4，然后打開(kāi)機(jī)械泵，約10余分鐘后，再加熱，通冷水，啟動(dòng)油擴(kuò) 散泵繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)抽氣，使壓強(qiáng)低于4 x 10 -3 Pa。（2）測(cè)量匕匕體積比。方法：關(guān)閉分隔閥2、3、4,向匕里充入一種氣體，

9、待油柱穩(wěn)定后，讀取油柱的高度 差 h。然后打開(kāi)分隔閥3，使氣體充滿(mǎn)kk，讀取高度差 h。根據(jù)PV = nRT，可以得 出 hV = h（V + V ），所以 1 2212（1）h（3）配氣，使得p : p = 7 :1 o方法：在（2）中，V1內(nèi)已經(jīng)充滿(mǎn)一種氣體，且已經(jīng)知道了 V1V2體積比?，F(xiàn)在打開(kāi)分隔 閥2，抽走V2內(nèi)的氣體，再向V2中充入另一種氣體，仍然利用PV = nRT來(lái)確定應(yīng)充入多 少氣體可使V1V2中的氣體混合后達(dá)到Ph : Pn = 7 ：1。（4）研究放電條件對(duì)激光輸出功率的影響。保持Ph : Pn = 7:1，改變總壓強(qiáng)。對(duì)于每個(gè)總壓強(qiáng)，再分別改變電流值，測(cè)量激光器 輸出功

10、率隨電流值的變化，測(cè)量時(shí)應(yīng)注意減掉背景光。四，數(shù)據(jù)處理及分析1，測(cè)量VV體積比。按照前面敘述測(cè)量體積比的方法，在測(cè)量時(shí)對(duì)于充入氣體的種類(lèi)沒(méi)有要求。但是考慮到 在實(shí)際操作中要控制油柱的高度差，在操作前應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，判斷充入哪一種氣體更利于操作。 計(jì)算過(guò)程如下，在實(shí)驗(yàn)前，我們已知理論值V1 : V2 = 3:1，用PH PN表示He氣和Ne氣在 V + V混合氣體內(nèi)的壓強(qiáng)，P P 表示He氣或Ne氣單獨(dú)在V內(nèi)時(shí)的壓強(qiáng)，總壓強(qiáng)控制12在 5Torr：HeNe1若先充He氣，P （V + V ）=p VHe12He 1,4 7f-P = x x:5Torr = 5.83 Torrh = 7 . 9 c3

11、nH 3 8HeP （V + V ）=p VNe12Ne 21P = 4 x x5Torr = 2.5 Torrinah = 3 . 4mNe8He若先充N(xiāo)e氣，P（V + V ）= P VNe12Ne1PNe=4 =x31 x85Torr5 =T orr6=1. 1 c3mPh.(V +1V)2=PH eV 2P =He4x7 x85T orr=1 7 T 5rr=23. cm由計(jì)算結(jié)果可以看出，先充N(xiāo)e氣時(shí)，hj= 1.13 cm，這個(gè)數(shù)值較其它高度差比較小， 難以控制，所以應(yīng)該先充He氣。然后按照上面敘述的方法，充入He氣測(cè)量體積比，實(shí)驗(yàn)中讀出 h1 = 4.1 cm，Ah = 1cm，

12、根據(jù)公式（1），得、= ”1 - 1 - 1 = 3.1。2V A h 1222，配置氣體，使得Ph : Pn = 7:1。現(xiàn)在匕匕內(nèi)已經(jīng)充滿(mǎn)了 He氣，為了配置混合氣體，關(guān)閉分隔閥3，打開(kāi)2，把匕內(nèi)的 He抽走，然后向里面充入 Ne氣，再打開(kāi)分隔閥3，使He氣和Ne氣混合。為了使 p : p = 7 :1，需要計(jì)算V內(nèi)Ne氣的壓強(qiáng)，而V內(nèi)He氣的壓強(qiáng)和VV內(nèi)充滿(mǎn)He氣時(shí)He Ne2112的壓強(qiáng)一樣。3，研究放電條件對(duì)激光輸出功率的影響。改變總壓強(qiáng)，對(duì)于每一個(gè)壓強(qiáng)值，改變電流值測(cè)量光功率。由于讀數(shù)很不穩(wěn)定，所以讀 數(shù)時(shí)讀一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后取平均。平均之后再減掉背景光功率，背景光功率是

13、 表中的P是減去背景光功率后的值。表1不同總壓強(qiáng)下輸出光功率隨電流的變化Ah = 7.1 cm P總=5.22T orr 背景光功率：0. 103mWAh = 5.6 cm P、= 4.11T orr背景光功率：0. 103mWI (mA )P(mW )P (mW)P (mW )I (mA )P(mW )P (mW )P (mW )3.50.1960.1840.0873.540.2020.1890.09240.3940.3700.2794.50.2210.2180.1164.50.4070.3790.29050.2470.2350.13850.3860.3590.2705.50.2290.22

14、20.1225.50.3830.3490.26360.2030.1940.09660.3620.3460.2516.50.2060.1890.0956.50.3540.3420.24570.1940.1800.08470.3370.3090.2207.50.1830.1680.0727.50.3240.2920.20580.1640.1460.05280.3060.2810.190Ah = 4.1 cm P = 3.01T orr背景光功率：0. 103mWA h = 3 cm P = 2.20T orr背景光功率：0. 075mWI (mA )P(mW )P (mW)P (mW )I (mA

15、 )P(mW )P (mW)P (mW )4.50.3190.2860.2004.550.3460.3160.22850.2010.1730.1125.50.3590.3240.2385.50.2270.1980.13860.3700.3290.24660.2470.2190.1586.50.3740.3370.2526.50.2590.2330.17170.3820.3460.26170.2770.2460.1867.50.4010.3620.2787.50.2750.2470.18780.4090.3760.29080.2790.2460.1888.50.3980.3580.2758.50

16、.2840.2480.19190.3920.3570.27190.2750.2410.1839.50.3850.3520.2669.50.2690.2360.178100.3800.3440.259100.2540.2230.164Ah = 2.8 cm P總=2.05T orr 背景光功率：0. 065mWA h = 2.1 cm P總=1.54T orr 背景光功率：0. 040mWI (mA )P(mW )P (mW )P (mW )I (mA )P(mW )P (mW )P (mW )50.1250.1130.05455.50.1560.1340.0805.560.1740.1450.

17、09660.0440.0420.0036.50.1870.1520.1046.50.0490.0440.00770.1610.1600.09570.0560.0480.0127.50.1740.1450.0947.50.0590.0540.01680.1800.1510.10080.0580.0550.0168.50.1840.1560.1058.50.0630.0560.01990.1860.1560.10690.0650.0570.0219.50.1840.1550.1049.50.0650.0580.022100.1820.1540.103100.0640.0560.020利用上面的六組

18、數(shù)據(jù)作圖如下:圖4輸出功率隨放電電流的變化中可以看出，每條曲線(xiàn)都有一個(gè)極大值點(diǎn)，即最佳放電電流。為了更加清晰，又作了 最佳放電電流與總壓強(qiáng)的關(guān)系圖以及最大功率與總壓強(qiáng)的關(guān)系圖如下：O)存-KmK3圖5最佳電流值隨壓強(qiáng)的變化 圖6最大功率隨總壓強(qiáng)的變化由圖5中可以看出，隨著總壓強(qiáng)的降低，最佳放電電流呈上升趨勢(shì)，但是圖中有一段 曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)。由于理論上壓強(qiáng)減小，最佳放電電流應(yīng)該是增加的，所以圖上下降的點(diǎn)應(yīng) 該是實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響造成的。誤差分析：首先三條強(qiáng)的激光譜線(xiàn)在諧振腔內(nèi)有競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)導(dǎo)致輸出功率有較大的浮動(dòng)， 會(huì)令讀數(shù)有較大的誤差，而且受主觀因素的影響；其次，由于實(shí)驗(yàn)是在有窗子的屋內(nèi)進(jìn)行， 且是白天，受陽(yáng)光影響較大，在不同的時(shí)間背景光功率也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致讀出的數(shù)值不一 定是真實(shí)的輸出光功率；最后，儀器本身必然存在誤差。根據(jù)圖6,隨著總壓強(qiáng)的改變，激光器的輸出功率存在極大值，這一點(diǎn)與理論分析相符。 五，實(shí)