1、He-Ne 氣體激光器放電條件的研究許錫童* 物理學(xué)院 學(xué)號:1100011103 激光器的誕生，為光學(xué)研究提供了方向性、單向性、相干性均佳且高亮度的光源。本實驗重現(xiàn)了 He-Ne 氣體激光器的實現(xiàn)過程，通過改變氣體放電條件（壓強和電流），測量了激光器輸出功率的變化，分析各種因素對粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的影響，加深對激光器中增益介質(zhì)的作用的理解， 并熟悉真空的獲得、測量和充氣技術(shù)。 關(guān)鍵詞：He-Ne 激光器，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，放電條件，輸出功率 . 引 言20 世紀 60 年代激光器問世以來，光學(xué)研究有了方向性、單色性、相干性都很好且亮度高的嶄新光源。目前人們已經(jīng)獲得了在氣體、液體、固體以及半導(dǎo)體材料中的

2、激光輸出，波長幾乎遍及真空紫外到遠紅外的整個光譜范圍。本實驗重現(xiàn)了He-Ne 氣體激光器的實現(xiàn)過程，了解其工作原理；通過改變氣體放電條件（壓強和電流），測量了激光器輸出功率的變化，分析各種因素對粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的影響，加深對激光器中增益介質(zhì)的作用的理解，并熟悉真空的獲得、測量和充氣技術(shù)。 . 實 驗A. 實驗裝置及原理 1. 內(nèi)腔式He-Ne激光器 * ；1881052238410 獲得激光的必要條件是工作物質(zhì)的激活，即工作物質(zhì)內(nèi)部的電子在某些能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件是 （1） N1為下能級的粒子數(shù)密度，N2為上能級的粒子數(shù)密度，g

3、1、g2為下能級E1和上能級E2的統(tǒng)計權(quán)重。對于He-Ne激光器632.8nm譜線而言g1=5，g2=3。 He-Ne激光器中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是通體放電實現(xiàn)的。對于632.8nm譜線，要求1Ne的3S 2 和2P 4 能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。由于He的亞穩(wěn)激發(fā)態(tài) S 與0 Ne的激發(fā)態(tài)3S2之間能量很接近，且He、Ne的配氣比約為7:1，通過能量共振轉(zhuǎn)移，使得上能級原子密度增大；相比下2P4能級由于與基態(tài)間屬于躍遷，故數(shù)密度較低， 從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 此外，激光產(chǎn)生還需滿足閾值條件，即 （2） r1、r2為諧振腔兩端反射鏡的反射率，G為激活介質(zhì)的增益系數(shù)，定義為 內(nèi)腔式He-Ne激光器由放電

4、管和諧振腔組成。 （3） a. 諧振腔由鏡R1和曲率半徑1m的球面反射鏡R2組成，r1為97%到98%，r2 在99%以上。諧振腔的諧振條件是 為 整數(shù)（4） 為介質(zhì)的折射率。 b. 放電管由毛細管（d=1.25mm）、電極和儲氣管構(gòu)成。 考慮到“管壁效應(yīng)”，Ne的1S能級通過與器壁碰撞回到基態(tài)，發(fā)出的共振輻射易為別的基態(tài)Ne原子吸收，即自吸收，使得1S能級壽命延長，這增加了Ne由1S 激發(fā)到2P態(tài)的概率，不利于下能級的抽空。在小信號下，G( )反比于毛細管直 徑d，但d過小會增大衍射損失，且影響激光器總輸出功率。儲氣管用于穩(wěn)定工作氣壓、支撐毛細管。 電極需預(yù)先陰極氧化。2. FD-LPM-A

5、激光功率計 3. JD-2型氦氖激光電源 4. DL-5程控真空計 5. H100B循環(huán)水冷卻器 6. 機械泵 7. 擴散泵 8. U型管油壓力計（油密度1.09g/cm3） 9.He（純度99.999%），Ne（純度99.999%）本實驗中He與Ne的配氣比在7:1左右。 B. 實驗步驟（及過程思考） 1.配氣 a. 抽空除氣 利用機械泵將系統(tǒng)抽空至310-1Pa左右時，將其作為前級聯(lián)入預(yù)熱完成的擴散泵，抽至系統(tǒng)壓強低于410-3Pa。 b. 配氣 記真空系統(tǒng)中接有He、Ne氣瓶部分的體積為V1（與油壓計直接相連），接有激光器部分的體積為V2，配氣前先測定V1：V2大小。具體做法是將一定量的

6、He沖入V1+V2中，讀出油壓計液面差為6.9cm，然后將V1抽凈，然后使V1、V2聯(lián)通，再次測得液面差為4.9cm，即得V1：V2=2.0:4.9。為防止氣體在氣瓶前緩沖活塞內(nèi)混合，在配 第二種氣體前，要先將V1中所充第一種氣體抽走，考慮到實驗精度以及時間需求， 使用機械泵即可。 配氣時先逐級打開與氣瓶相連的三個串聯(lián)活塞，防止氣壓過高超出U型管量程。考慮到1cm油液面差相當(dāng)于0.801Torr，實驗中先向V1+V2中充入油液面差為10.1cm的He氣，然后隔開V1、V2，抽走V1中He氣，然后充入使油液面差為3.7cm的Ne氣，然后使V1、V2中氣體混合，可得pHe：pNe=6.69:1?？?/p>

7、壓強為6.65Torr。 2.觀測放電條件對激光輸出功率的影響 a. 保持分壓比不變，固定p總的大小，改變激光器的工作電流并測量激光輸出功率變化。電流變化是通過改變直流高壓源輸出電壓的大小和激光器與直流高壓電源之間串聯(lián)電阻的大小實現(xiàn)的。可以觀測到隨放電電流增大，毛細管亮度一般先變亮后變暗，即激光功率有極大值。詳細解釋見實驗結(jié)果及分析討論部分。串聯(lián)電阻的大小影響分壓比，即影響工作電流所能調(diào)到的最大最小值。高壓情況下應(yīng)取較小的分壓電阻，使得工作電流能調(diào)到足夠?。ū緦嶒炛凶钚」ぷ麟娏魅≡?到4mA），低壓時激光管內(nèi)阻較大，應(yīng)取較大的分壓電阻，使得工作電流能調(diào)到足夠大， 使得作出的曲線能包含最佳電流。

8、 b. 逐步減小p總的大小，在不同的p總下重復(fù)上述過程。減小壓強是通過隔離V1、V2，然后V1向真空泵與V1之間的體積（記為V3）擴散，而后隔離V1抽空V3，最后使V1、V2連通實現(xiàn)的。V1 ：V2=2.0:4.9，取此數(shù)值是方便調(diào)節(jié)充氣總壓強。從實驗數(shù)據(jù)看，每次壓強變?yōu)榍按蔚?.8:8.3，5.5:6.8，4.5:5.5，3.6:4.5，2.9:3.6， 2.3:2.9，平均為80.7%，易得V1：V2：V32.0:4.9:4.0，使得p總在7到2Torr遞減且間隔較為均勻。 實驗結(jié)束后，為防止擴散泵油的氧化以及機械泵停止工作時出現(xiàn)返油現(xiàn)象， 應(yīng)先關(guān)閉擴散泵，待其冷卻完全后再關(guān)閉機械泵。 .

9、 實驗結(jié)果及分析討論放電條件對激光輸出功率的影響如圖1、圖2所示（實際激光功率計讀數(shù)震蕩且有整體增大或減小的趨勢，圖中各點均用讀數(shù)的第一個峰值）： 如圖2所見，激光器在一定的氣體配比下，輸出功率隨充氣總氣壓的變化有一個極大值，此時充氣總氣壓在2.9Torr左右。 定性解釋如下： 用電子溫度Te來描述放電等離子體中電子運動的能量。Te取決于在一個自由程內(nèi)電子由電場E所獲得的能量。由于自由程反比于壓強p，Te取決于E/p的大小。p減小時，Te升高，電子平均動能增加，有利于He原子的激發(fā)，有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但p過低時導(dǎo)致原子數(shù)過少，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度不高，增益系數(shù)也就不大，所以存在一個最佳的氣壓p。 由

10、圖1可看出，對于固定的氣體配比和充氣總氣壓，存在是激光輸出功率最大的放電電流，即最佳電流?？倸鈮航档蜁r最佳電流升高。 定性解釋如下： 0處于亞穩(wěn)態(tài)21S 的He原子密度在小的放電電流下隨電流近似線性增大。當(dāng)放電電流進一步增大時，該亞穩(wěn)態(tài)上的He原子密度趨向飽和。Ne的3S2能級上原子密度也有相似的規(guī)律，這是由于，電流太大時，電子與亞穩(wěn)態(tài)He原子碰撞將其激發(fā)到更高的能級上，或是亞穩(wěn)態(tài)的He原子將能量轉(zhuǎn)移給電子回到基態(tài)，這兩個過程均使亞穩(wěn)態(tài)上的He原子去激發(fā)，使得其數(shù)目隨放電電流增加趨于飽和。同時， 隨放電電流的增加，2P4能級上的原子密度正比增加。故粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度隨放電電流變化有極大值，此值對應(yīng)

11、于最佳電流。 實驗中觀察到對于固定的He、Ne氣體壓強和放電電流，激光器光輸出功率存在小的起伏，即震蕩且整體有上升或下降的趨勢，最后趨于穩(wěn)定。以6.6Torr下2mA工作電流為例，如圖3所示： 由于讀數(shù)一開始震蕩較快，限于實驗手段，該圖中固定每隔10s讀出激光功率計讀數(shù)。可以看到在6.6Torr下2mA工作電流時激光功率計讀數(shù)有著震蕩并整體增加，最后趨于穩(wěn)定。這是由于激光器工作時，毛細管內(nèi)氣體處于非平衡態(tài)，溫度升高以及壓強減小兩者共同作用產(chǎn)生的。在總壓強較高的條件下，溫度對Te的影響占主要部分，激光對于氣體的加熱使得Te增加，這有利于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，使得激光功率增加，最后毛細管內(nèi)溫度近似恒穩(wěn)，功率趨于穩(wěn)定。同樣，在總壓強較低（如1.8Torr時）讀數(shù)隨時間整體下降最后趨于穩(wěn)定，這是由于壓強較低時， 壓強對Te的影響成為主要因素，壓強過低時粒子數(shù)密度相應(yīng)過低，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)密度相應(yīng)不高，激光功率相應(yīng)降低。 . 結(jié)論本實驗重現(xiàn)了 He-Ne 氣體激光器的實現(xiàn)過程，了解其工作原理是 Ne 的 3S2 和