实验五HeNe激光器放电条件的研究.doc

试验五 He-Ne激光器放电条件研究
物理学院 物理系 00004037 贾宏博
同组人: 00004038 孙笑晨
1 试验目
1.1 经过He-Ne激光器制作过程, 深入了解He-Ne激光器工作原理和放电条件对激光输出功率影响。
1.2 深入熟悉真空取得、 测量和充气技术。
2 试验原理
2.1 激光器由三部分组成:
2.1.1 工作介质。He-Ne激光器工作介质是Ne原子。
2.1.2 谐振腔。谐振腔端面反射镜要求严格平行且反射率高, 以确保激光在谐振腔内数次反射损失能量较少。本试验采取多层镀ZnS/MgF2膜光学玻璃作反射镜, 为平面镜, 反射率, 为凹球面镜, 曲率半径1m, 反射率。
2.1.3 激励源。气体激光器（He-Ne、 CO2）必需经过合适放电条件才能取得激光输出。
2.2 激光器工作三个必需条件:
2.2.1 粒子数翻转条件。原子（或分子、 离子、 激子）某两个能级之间存在受激跃迁和逆向受激吸收过程, 上能级每个量子态粒子数大于下能级对应粒子数, 称粒子数翻转条件。He原子亚稳态与基态Ne原子碰撞共振激发能够实现Ne原子—粒子数翻转。
2.2.2 谐振腔选模条件。
谐振腔内只有波长满足当光在腔内走一个往返相位改变是光才能干涉加强。若为介质折射率, 为腔长, 则选模条件为
（q为整数） （5-1）
也可表示为
（5-1’）
称纵模频率。相邻两个纵模频率之差为, 称纵模间隔, 与q无关。谐振腔谐振频率中只有落在原子荧光辐射谱线宽度内并满足阈值条件那些频率才能形成激光。本试验所使用He-Ne激光器6328A谱线可能存在2-3个纵模。
2.2.3 正反馈放大条件。
考虑到光在谐振腔中往返反射会有损耗, 只有在以下条件满足才能得到稳定输出激光:
（5-2）
3 试验器材
内腔式He-Ne激光器, 毛细管直径。机械泵——扩散泵真空系统。He、 Ne气。激光功率计。
4 试验方法和内容
4.1 用机械泵和扩散泵使整个系统取得真空度同时进行检漏。漏气率, 即, 考虑整个试验时间约为2h, 而工作压强关键在torr量级, 故漏气率能够忽略。关闭U型管顶部连通阀。
4.2 配气。
4.2.1 利用Ne气测量两腔室体积比。先隔离和, 将充一定量Ne气, 用U型管测出压强, 然后打开阀门连通和, 测出压强。设温度近似不变, 由玻——马定律可得, 。U型管使用密度为硅油, 压强换算关系为。

33.70
7.50
20.99
23.20
18.20
4.01
4.24
表5-1 两腔室体积比测定
4.2.2 将两腔室抽闲以后充入He气, 测压强。然后抽闲, 并合适充入Ne气, 测。连通和, 得到混合气。计算He/Ne原子百分比

35.30
5.50
23.88
29.70
11.40
14.67
6.90
表5-2 He/Ne气体配比

4.3 经过抽—连通方法逐步减小, 并测量激光功率与放电电流关系。
4.3.1

9.0
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0

0.01
0.01
0.05
0.1
0.2
0.25
0.31
0.39

4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.75
1.5

0.43
0.47
0.5
0.51
0.52
0.5
0.47
0.44
表5-3-1 下激光功率与放电电流关系。
4.3.2

10.0
9.5
9.0
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5

0.01
0.1
0.2
0.25
0.32
0.4
0.5
0.53
0.55

5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.75

0.58
0.56
0.54
0.51
0.49
0.43
0.33
0.3

表5-3-2 下激光功率与放电电流关系。
4.3.3

19.0
18.0
17.0
16.0
15.0
14.0
13.0
12.0
11.0

0.05
0.1
0.18
0.23
0.26
0.29
0.33
0.36
0.37

10
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.5
3.0

0.39
0.4
0.41
0.41
0.4
0.37
0.33
0.31
0.27
表5-3-3 下激光功率与放电电流关系。
4.3.4

25.0
20.0
15.0
14.0
13.0
12.0
11.0
10.0

0.006
0.027
0.065
0.073
0.081
0.089
0.095
0.106

9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.5

0.105
0.108
0.115
0.123
0.118
0.097
0.07

表5-3-4 下激光功率与放电电流关系。

图5-1 不一样压强下激光功率和电流关系
5 试验结果和分析
本试验在He/Ne气体比为6.9:1下进行。图5-1给出不一样压强下激光功率和电流关系。
5.1 气体总压强一定。放电电流从某个开启值逐步升高, 激光功率也随之升高, 达成一个最大值, 即最好电流。然后激光功率伴随放电电流继续升高反而下降, 最终会趋于某个饱和值。这是因为处于亚稳态He原子密度在小放电电流下随电流近似线性增大, 当放电电流深入增大, 亚稳态上He原子有饱和趋势。Ne原子能级上原子密度亦有相同规律。饱和趋势造成原因是: 当电流太大时, 电子与亚稳态He原子碰撞把He原子由亚稳态激发到更高能级上去, 经过碰撞亚稳态He原子也可能将能量交给电子而回到基态。这两个过程都造成亚稳态上He原子去激发, 使亚稳态上He原子数目伴随放电电流增加趋于饱和。另外伴随放电电流增加, 电子与Ne亚稳态上原子相碰并使之激发到态概率也增加, 使激光6328A下能级上原子密度正比增加, 所以粒子数反转密度伴随放电电流改变有一个极大值, 此值与最好电流对应。
5.2 输出功率伴随总气压改变有一个极大值。本试验条件下在时最大输出功率为0.58mW（对应最好电流0.50mA）。首先, 当气压减小时, 电子温度升高, 电子平均动能增加, 这对于He原子由基态激发到态是有利, 有利于粒子数反转; 但在太低气压下He和Ne原子数极少, 反转数密度不高, 增益系数也不大。其次, 气压若太高则下降, 只有少数电子含有足以激发He原子能量, 对粒子数反转也不利。所以存在一个最好气压。
5.3 当总气压、 配比和放电电流都保持不变时, 激光器输出功率存在涨落。

图5-2 激光器纵模漂移与输出功率涨落。
当总气压、 配比和放电电流都保持不变下, Ne原子荧光辐射谱G(v)基础固定。但因为制造时残余应力和室温改变等原因引发谐振腔长度漂移, 按（5-1’）式, 纵模间隔有所漂移。这个漂移即使极小, 不过频率本身很高, 所以会有可观绝对漂移。因为G(v)以内纵模却只有2~3个, 所以在一定情况下增益有较显著涨落, 如图5-2（a）（b）所表示。
设室温改变率（按当日气温估算）即, 玻璃线膨胀系数, 则谐振腔长度相对时间改变率为

由纵模间隔, 对本试验所用激光器, 讲义给出。
与对应
由（5-1’）式可得, 则处于荧光谱线内那几条纵模频率绝对时间改变率为

根据这个漂移速率, 需要聚会使在荧光谱线内那几条纵模有一整个平移, 由图5-2能够看出在这过程中激光增益, 也就是输出功率, 会有一个变大—变小—变大过程, 在一段稍长时间里会观察到输出功率周期性振荡。不过, 因为室温除了近似线性减小外, 还有量级在无规涨落, 与此对应也有输出功率涨落（纯粹涨落）, 其幅度与前述周期性振荡基础相同（因为这种涨落幅度基础由荧光谱线本身特点决定）。所以能够了解试验中观察到输出功率周期性振荡现象。然而遗憾是试验观察到振荡周期为几秒到几十秒, 而非按上述模型估量几分钟, 可能是因为对于温度改变规律把握不是很确切造成模型失效。尽管如此, 我们还是取得了对激光功率涨落和纵模漂移定性关系。
6 思索与讨论
6.1 改变He与Ne配气比, 观察它对激光输出功率影响。
答: 因受试验时间限制, 未能完成此内容。
6.2 当总气压、 配比和放电电流都保持不变时, 激光器输出功率存在小起伏, 原因何在？
答: 在5.3部分中已经有具体讨论