21氦氖激光报告

1、实验名称：He-Ne激光器放电条件的研究实验学时：16学时（分两次作）实验目的：1、给He-Ne激光器配气；2、观测放电条件对激光输出功率的影响。通过对He-Ne激光器的配 气和输出功率的测量过程，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； 3、进一步熟悉真空的获得、测量和充气技术。实验仪器：内腔式He-Ne激光器、配气装置、U型管压力计、真空系统（机械泵、扩散泵、电离规等）、 功率计。由机械泵、扩散泵、工作物质气体储气瓶、真空管路、以及U型液体压强计等构成的真空系统， 复合真空计，光电检流计和实验待测250mmHe-Ne激光管。实验原理：激光器的基本结构包括三部分：

2、工作物质、光学谐振腔和激励能源。要形成激光，第一，必须 利用激励能源使工作物质激活，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。 在He-Ne激光器中，粒子数反转是通过气体放电来实现的。第二，必须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获得的增益，足以补偿由各种因素所导致的光的损耗。引言气体激光器的种类很多，He-Ne气体激光器是目前应用最广泛的气体激光器。由于它的发散角 小、单色性和方向性极好、稳定性高，故在准直、计量、全息、检测、导向、信息处理、医疗等技 术中得到了广泛的应用。但He-Ne气体激光器的输出功率较小，He-Ne气体激光器的输出功率只有 1

3、 100mW，最常用的25cm的激光管，放电电流为5mA高压为1500V，输出功率为1.5mW，效率 仅为0.02%。制作He-Ne气体激光器时，为了在有限的腔长内，尽可能获得较大的功率输出，要选 择最佳的放电条件。所谓最佳放电条件是指一定管径和管长的He-Ne气体激光器在适当的总气压、 气体配比和放电电流下运转，以获得最大功率的激光输出。1 He-Ne气体激光器工作原理1.1 He-Ne气体激光器工作物质能级的特点He-Ne气体激光器是充有He和Ne混合气体的器件，其中产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，其作用是提高Ne原子的泵浦速率。图1为He和Ne的能级图。图1 He与Ne原子的部分

4、能级图He原子有两个电子， 没激发时这两个原子都分 布在1s壳层上，He原子 处于基态，其基态电子组 态为1s1s，基态能级是波数17(11S 0 )。当激光管的两端加上高压后，放电管中 电离气体的电子会得到动15能，通常用电子温度re来 描述电子运动的平均动 能。动能较大的电子会与 处于基态的氦原子发生非 弹性碰撞，其中一个电子 由1s壳层激发到2s壳层 (电子组态为1s2s)，将141312He原子由基态(11S0 )11激发到He的亚稳态(21S0)或(23S1)态。Ne原子有10个电子I电I子I碰撞I激I发NuimillllfihK （2pi_4 s）1 谕-怨临泌取岫t632.8nm

5、11150nA 2PVl _（BH|3 p）PIiII -z.1 lBf碰射/Sfr，I zrI发| 2|管壁效应驰豫I管壁效应驰豫NeI* Ne1 s1S 一L.基态为S0 （电子分布为1 s2，p 6）。激发态为1S、2S、3S、2P、3PC crCuHCuC c2 n 5 32 ”54 S 2 n 5 5 S 2 n 5 32。54。ppp u - J p p p p一.，一 um、 * |r CT/r CQ I CT 吕匕TTZ PffI 阿7“ 日Z1 Z/TZ,.与2P、3态、，2S 与2p能匕心之间的勺很多子能匕级zromPIVBlP1 1 U m vH* f76 32 83 3

6、9115U J4U、J J/|I_1_ 上 J，/J /J-. |-| J口 L_iI He(帕邢符号)等，它们对应的外层电子组态分别为2 p根据能量跃迁选择定则，在Ne原子的3S与之间能产生跃迁谱线，其中最强的有三条，即0.631别为 3s2 T 2P4，3s2 t 3P4，2S2 t 2P4。12P和3P态不能直接向基态跃迁，而向1S态跃迁很快。1S态向基态跃迁是被选择定则禁止的， 不能自发的回到基态，但它与管壁碰撞时，可以把能量交给管壁，自己回到基态。从能级图和上述分析可见知，He-Ne气体激光器是典型的四能级系统。1.2 He-Ne气体激光器的激发机理He-Ne气体激光器采用的是直流放

7、电激励的方式，使Ne原子在2S、3S和2P、3P能级间实现粒子数反转分布。在He-Ne气体激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：第一是共振转移。由能级图可见，He原子的21S 、23 S1态分别与Ne与原子的3S、2S态靠的很近，而且He原子的21S0、23S1是亚稳态，二者碰撞很容易发生能量转移，并且转移的几率 很高，其能量转移过程如下：He(11 s0 )+et He*(21S0)+eHe(ns0)+et He*(23s 1)+ eH e*(21S 0 )+Ne(iS ) T Ne*(3S 2 )+He(i】s 0 )+0.048eVHe*(23S 1)+Ne(iS0)T Ne*(2

8、S2)+He(nS0 )+0.039eV式中，He(ii s 0)表示He的ii s 0能级0; H e *和N e *表示激发态的He和Ne； e表示碰撞前 的电子，e表示碰撞后速率变小的电子。第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行 非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，其反应过程如下：e+ Ne(iS ) t e+Ne* (3S，2S)与共振转移相比，这种过程激发的速率要小的多。第三是串级激发，Ne原子与电子碰撞激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两 过程相比，此过程最小。另外，氦氖激光下能级Ne(3P、2P)的激发主要是电子碰撞激发。综

9、上所述，He-Ne气体激光器反转粒子数的建立主要取决于共振能量转移激发。3反转粒子数密度口 n的表达式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。要形成激光，首先必须利 用激励能源使工作物质激活，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。第 二必须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所获得的增益足以补 偿由各种因素所导致的光的损失，而增益正比于反转粒子数密度口n。对同型He-Ne气体激光器来 说，器件增益越大，激光器的输出功率越大。故要研究放电条件对He-Ne气体激光器输出功率的影 响，可转化为放电条件对反转粒子数密度口n的影响。为了分

10、析粒子反转数密度口n与放电条件的关系，必须给出反转粒子数密度 n的表达式。以0.6328pm谱线为例，在不考虑受激辐射和受激吸收的条件下，运用速率方程进行讨论。设Ne*(3S2)能级上的粒子数密度为n3，则其变化速率为: TOC o 1-5 h z 冬=knn - kn n -写dt i 40 3 t3式中n为Ne基态(iS )上的粒子数密度；n为He*(2iS0)的粒子数密度；k为共振转移 速率常数；n为He禁态(iiS )上的粒子数密度knn为He向Ne共振转移的激发速率，-00i 4kn n为Ne向He共振转移的激发速率。因为H e *(2i S 0)和N e*(3S 2)靠的很近，故可

11、以 近似3认为以上两个相反方向的共振过程具有相同的速率K。n / t表示N e *(3 S 2)的粒子 数弛豫到其它能级的速率；t 3为弛豫时间。3 3稳态时，蚂=0，由(I)式可得：dt(2)(3)kn n n 3ikn +3S + n A )，n为电子密度，S为电子碰撞基态同理He *(2i S 0)能级上的粒子数密度n4的速率方程为: dn _/=n n S - ( n ndt 0 e 0 44上式右端n0 n S04表示电子碰撞激发的速率He（w）激发到He*（21S0）的激发速率常数。n n S表示电子碰撞消激发的速率，电 子与激发态He*（21 S。）碰撞后，后者把能量交给电子，是

12、电子加速而自己回到基态；He* （21S ）也可能吸收电子的能量，使自身电离或跃迁到其它能态，这些都起到消减激发态 粒子数的作用。为消激发速率常数。n A表示因共振转移或逃逸出激活区而使n减 少的速率，A是衰减几率。式可得:稳态后，知=0，由（3）dt(4)将上式代入（2）式可得:(5)_ kn n n Sn =i0e043 (kn + )(n S + A )0 v e 4 TOC o 1-5 h z 由前面的分析可知，Ne的激光下能级2P的粒子数密度n也同He*（2iS0）一样都是 由电子碰撞激发的。故与n4有类似的表达式：42炽=n n S -（ n n S + n A）（6）dt i e

13、 022 e 22式中，nnS为电子碰撞激发速率，S为电子激发速率常数；nnS为电子碰撞消激发速率，七为消激发速率常数；n2A为自发辐射的衰减速率，A为自发辐射几率。稳态后，=0，由（6）式可得：因自发辐射几率A很大dt故分母中n S可以忽略，则上式变为:(8)n = n2 A故反转粒子数密度：0 n =nnSA_ kn n n Sn - n =r-0e04(kn +)(n S + A )0 v e 42充气配比：2.1最佳放电条件的实验确定和理论分析通过上面的分析我们知道，反转粒子数密度0 n影响激光管的激光功率输出。要获 得最大功率的激光输出，即为得到最高的粒子数反转，应采用最佳放电条件，

14、即最佳放 电电流，最佳总气压和最佳分压比。为了对He-Ne气体激光器的最佳放电条件进行验证，我们采用XDJ-1型He-Ne激光 综合实验仪，其原理图如图2。规规扩散泵激光电源热电偶离机械泵匚二电炉图2 XDJ-1型He-Ne激光综合实验仪原理图2.2配比及充气量的计算激光管充气的关键是正确配置混合气体。我们知道，各种不起化学反应的混合气体 总压强等于各种气体分压强之和（道尔顿定律）。设p、p分别为He和Ne的分压强， P为混合气体总压强，则He Ne令 p : p =m:n，则PL PHe + PNe若V中有压强为P1的He气，HePHe 二 PHeP = p x mHe总 m + np =

15、p x nNe总 m + nV中有压强为P的Ne气，则2PHe VLPNeV2 二 PNe(1+匕)=P总1Ne(V + V)(J + V2)x (1+ 匕)m + n Vi(10)(11)(12)(13)(14)P = p (1+ ； ) = p xn (1+、)(15)Ne NeV总 m + nV因为系统形状不规则，所以需要计算充入气体的体积比，即充气量的计算。当V和V 都抽成真空后，先在V2内充入一定量的He，测出其压强P，然后打开活塞F6，测出此 时压强p，由玻意尔定律有：(16)(17)=心V P 2b压强P、P可由U型压力计测出，U型计的测量原理物理课中已讨论过，两液面高度差 即为

16、压强值。(18)m ,I 1、 m (1 + 门)(1+ )= p Mm + n 门P=Nep n (1 + 门)总 m + n(19)2.3过程和方法先将系统抽至高真空，按照上面的分析，测出压强p和p，由（18）式得门值。 将门值带入（18）、（19）式求的p p。再将系统抽至高真空2 x 10 -3 Pa，接着充入 He气，达到p时关闭，抽出v中的He：,保持p ，再向V中充入Ne气，其压强为p 。He21He2Ne最后打开活塞F，将V、V中的气体混合越10分钟，接上电源令其放电产生激光。 3结果与分析6123.1输出功率W与放电电流I的关系为了确定He-Ne激光管输出功率和放电电流的关系

17、，我们在充气比和充气压一定的 情况下进行。图3输出功率随放电电流变化的曲线图在实验中门二4:7.3，He、Ne气体配比为7:1,气体总压强p =550Pa，得到输出功率 随放电电流的变化，结果见表1。总表1放电电流对输出功率的影响I(mA)3456789W(mW)1.831.851.851.841.811.761.69把表1的结果表示成曲线图为由图3可知，输出功率随放电电流的变化有一个最大值，即放电电流有一个最佳值 （4 5mA），激光输出功率的最大值与放电电流的最佳值相对应。这是因为在充气比和充气压一定的情况下，电子密度与放电电流I成正比，即 n = k I（ k 为比例系数）。而n，n，t

18、，A等均与放电电流无关。于是（5）式和（8） 式可表示为：0 1 3n =kTI(20)(21)3 k I + A n = k -1A kn n S 1 01 04 kn + 由（22）式 可以看出，激光下能级粒子数密度n随I直线变化，不断出现饱和， 这是因为2p上的粒子是由电子直接激励基态Ne原子得到的，且2p到1S自发辐射极 快；还可以看出，当I较小是，n m ki / A与I成线性变化关系。当I很大时，n / k一一 .-3-1 一 .一 3_12与I关系不大，呈现饱和现象。从物理意义上讲：当放电电流增大时，电子数目增多， 碰撞机会增加，易产生消激发，影响上能级粒子数的积累。这个结论由下

19、图的曲线所表 示。粒子数密度n3 激光上能级粒子数密度n一激光下能级粒子数密度图4氦氖激光上、下能级粒子数密度与放电电流的关系两条曲线的距离为粒子数密度的反转值。在图的中间段n与n粒子数密度差值最大， 进一步增加电流，由于下能级增加粒子数比上能级多，反转粒子数下降。因此对于反转 粒子数存在最佳放电电流。即反转粒子数密度0n随电流的变化会出现一个极大值，此 时激光输出功率最大。3.2输出功率W与总气压尸总的关系取He-Ne气体激光器的工作电流为9 mA，He、Ne气压比为7:1，改变He、Ne气体 的总压强，得到总气压变化对激光输出功率的影响。见表2表2总气压对输出功率的影响P(Pa)24231

20、9407484550W(mW)0.151.581.701.741.69用曲线图表示为200300400500600 P(Pa)图5输出功率随总气压变化的曲线图由于Ne的2p能级的粒子数密度n通常比Ne的3s能级的粒子数密度n小得多，、4, 一-223故反转粒子数密度0 n王要取决于n。当He、Ne气压比和放电电流3一定时，如果总气压较低，n和n将减少。由（5） 式可见，n也随着减少。总气压很高时，虽然n和n可增加，但电子与原子碰撞次数3 一一、01.-也增加，使电子的动能减少，电子温度t降低，电子就不能有效地把He、Ne激发到上 能级去，亦即使公式（5）中的s降低，导致n下降。可见，其中有一最

21、佳总气压，使 粒子数最高，如图5所示，最佳值为450o 500Pa。另外，放电管直径d和总气压p有 如下关系：总P - d =3 0 5 Torr - mm此时输出功率最大，其中1Torr=133.3Pao3.3输出功率W与He、Ne气压比的关系由（5）式可以看出，在总气压一定的条件下，He和Ne的气压比也存在最佳值。因为在总气压p 一定的条件下，Ne的分压上升，可提高基态Ne原子的粒子数密 度n，同时使He原子基态的粒子数密度n下降。由（5）式可知，n比n对n的影响 大。1因此，Ne的分压上升可以提高n。但若其分压过高，由于Ne原子电离电位低， 易电离导致电子能量下降，使s下降，导致n下降。

22、同时，由于Ne原子激光上能级 粒子数主要由He亚稳态原子共振转移而得到的，所以He原子的气压应高于Ne原子的 气压，才能有效地将原子从基态激发到高能态。在充气总压强p尚为550Pa，放电电流为6 mA的情况下，改变充入的He、Ne气体的 气压比，输出功率的变化见图6。图6输出功率与He、Ne气压比的关系由图6可以看出He、Ne气压比存在一个最佳值，通常最佳配比是p : p =7： 1 5:1。HeNe3.4放电管尺寸对输出功率W的影响He-Ne气体激光器的输出功率与放电毛细管的长度l有关。放电管长度愈长，输出 功率愈大。长度为10cm左右的管子，0.6328 m单横模输出约为0.5mW； 20

23、口 30cm的 管子，输出约为2 6 mW； 50cm左右，约8 10 mW； 150 200cm时，约50 mW。但 l过长，谐振易变形，影响功率输出。而放电管直径d对输出功率的影响较为复杂。管径d愈细，增益愈高，输出功率愈 大。这是因为Ne原子激光下能级2P和3P向基态的跃迁为选择定则所不允许，粒子只 有通过自发辐射跃迁到1S能级。由于1S能级向基态的跃迁也属禁止，因此1S能级的 Ne原子只有扩散到放电管管壁，通过管壁释放能量后回到基态，称之为“管壁效应”。 激光下能级如不能被较快抽空，将会遭成粒子数的堆积。但d小腔内模体积缩小，衍射 损耗增大，最佳放电电流也要减小；否则，因电子密度过大，

24、增益出现饱和下降，使功 率减小。所以，对放电管直径d要有一个适当的选取。4结束语经过对He-Ne气体激光器的工作原理和粒子反转数密度眼的分析，实验上确定了 He-Ne气体激光器获得最大输出功率的最佳放电条件，并做了理论分析，对氦氖激光器 的设计奠定了有一定的参考作用。实验内容与步骤：1、使学生清楚实验系统结构，正确使用实验当中的仪器设备，按实验步骤，正确掌握配气过程， 正确使用光点检流计。2、选择典型的He-Ne激光管配气比m： n=4： 1，和激光管内550Pa的He-Ne气体总压强。选做的内容：研究最佳He： Ne配气比，找出最佳总压强P总、工作电流与功率W的关系。a、配气后，让氦、氖气在激光管内充分混合，经810min，接通He-Ne激光管的电源，取工作 电流5mA，测出激光功率，降低P总至激光管无输出为止，并用坐