氦氖激光器的最佳放电条件

1、He一Ne激光器的最佳放电条件摘要：本实验配制了 He-Ne激光器的工作气体，用真空系统探充了 HeNe激光 器的输出功率随混合气体压强和工作电流之间的关系，从而探充了 HeNe激光 器的最佳放电条件。关键词：HeNe激光器、抽真空、配气、放电条件。- 引言He-Ne激光器是以He、Ne混合气体为工作物质，采用放电激励方式工作的激光器。其 激光输出功率与放电条件（气体总压强户总压强、气体的配比、放电电流等）有密切关系。研 究它的放电条件对于制作和使用He-Ne激光器来说都是非常重要的。本实验通过配制He-Ne激光器的工作气体，研究放电条件对激光输出功率的影响，从 而进一步了解He-Ne激光器的

2、工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技木。实验原理内腔式HeNe激光器的结构KR1A R2图1内腔式HeNe激光器的 结构示意图实验中采用内腔式HeNe激光管，它 是由谐振腔和放电管组成的，图1是其结 构示意图。谐振腔由反射镜民R1和R2组 成。R1的反射率为97% 98%, R2的反 射率在99%以上。激光束通过反射率较低 的腔镜沼合到腔外，该镜通常称为输出镜。放电管中央的细管为毛细管，套在毛细管外面较粗的管子为储气管，A为阳极，K为阴 极。（1）毛细管毛细管中充有He、Ne混合气体，经气体放电变成激光增益介质，它是对激光产生放大 的区域，毛细管的几何尺寸决定了激光的最大增益，光在其中传播

3、一个单程的增益正比于毛 细管的长度I。增益系数G（v）还反比于毛细管直径。但是毛细管的直径不能做得太细，太细1/7会增大光的衍射损耗，限制激光器的输出总功率（它正比于毛细管直径的平方），还会增加调 节激光谐振腔的困难，制作毛细管时必须尽力做到准直，避免遮挡光路。（2）储气管储气管的粗细要根据毛细管的尺寸而定，其直径通常为25cm，储气管与毛细管的气 路是相通的。储气管的作用主要是稳定毛细管内的工作气压、稳定激光器的输出功率和延长 其寿命。内腔式He-Ne激光器的储气管把反射镜和毛纫管固定连接在一起，防止放电时带 电粒子对管壁的轰击导致毛细管变形，保证激光器能正常工作。（3）电极电极的质量直接关

4、系到激光器的寿命oHe-Ne激光器工作时，毛细管要进行辉光放电， 虽然放电电流不大，但电压很高，受电场加速的正离子撞击阴极会引起阴极材料的溅射与蒸 发。这些气化的阴极材料的金属原子，可能沉积在附近玻璃表面上及腔镜上，它会吸收与吸 附一些工作气体，结果导致放电管内工作气体压强不断减小，以及污染谐振腔的反射镜，使 腔镜的反射率降低很多。因此，通常选溅射较弱的AI作阴极，A1表面的氧化层能较好地防 止离子轰击造成的侵蚀。阴极通常制成圆筒形以降低溅射效应。小功率He-Ne激光器通常 用钙杆制作阳极，和正离子相比，电子质量要小很多，所以电子轰击阳极造成的损害比阴极 要小得多。（4）激光电源He-Ne激光

5、器一般采用直流高压放电激励方式。激发电压、电流的范I韦I视激光管的长 短而定。小功率激光器（短管）的电压约为4000 8000 V。工作电流在7mA左右。HeNe激光器的工作原理（1）增益介质.要获得632. 8nm的激光就要求在Ne的3S2和2乌能级之间实现粒子数反转分布，这时 介质对632. 8nm的光有放大作用，称之为增益介质或激活介质。HeNe激光器是通过He 与Ne之间能量的共振转移碰撞过程实现粒子数反转的。激光下2乌能级的寿命很短，处在该能级的原子通过自发辐射到1S能级上1S2,3,4,5中 弟3,5是亚稳态，而1S24可以跃迁到基态产生共振辐射，它很容易被别的基态Ne原子吸收激

6、发到技2,4能级上，这相当于延长了这两个能级的寿命，使之与亚稳态的寿命一样长。因此， 处于1S能级上的Ne原子主要是通过与毛细管壁碰撞将能量交给管壁而回到基态。这就是 所谓的“管壁效应”。选用毛细管作放电通道有利于增强这种效应。如果1S能级上枳累了较多的Ne原子，会增加Ne的2P态与1S态之间的共振俘获效应 （Ne原子由2P态退激发至1S态时发射的光子，为另一个处于12态的Ne原子吸收又回到 2P态），同时电子碰撞使Ne原子由IS态激发到2P态的几率也会增加，这些都使2P态的粒 子数密度增加，这对实现粒子数反转分布是极其不利的。实验测得：对632. 8nm小信号, 增益系数G（V）与毛细管直径

7、d成反比。（2）增益系数激活介质对光有放大作用是由于原子的受激辐射过程。受激辐射发出的光子和入射光子 的频率、偏振方向和传播方向都相同，显然受激辐射加强了入射光。按照爱因斯坦的原子辐 射理论，频率为V、辐射能量密度为p （v）（即辐射场中在单位体积内在频率v附近单位频率 间隔内的辐射能量）的准单色光投射介质时，单位体积、单位时间内受激辐射发出的光子数 为N2B2iP（v）g（v）, B21是爱因斯坦受激辐射系数；单位体积、单位时间内受激吸收的光子数 为N2Bi2P（v）g（v）, Bu是爱因斯坦受激吸收系数。如果忽略自发辐射，要想获得对光的放大， 也就是说希望得到受激发射的光子数大于受激吸收的

8、光子数，注意到B21g2 = B12gi,则要 求（N2-N1_）B21p（v）g（i/）0Si考虑到W）=式中为折射率，则有6（凶（巨-以鱼）吼由0/）上式表明：1）要求增益系数G（u） 0,必须（N, - N翌）0,即粒子数必须反转分布。一 Si2）增益系数G（l/）与粒子数差值AN = N2 - Nlg2 / &成正比。（3）放电条件对激光器输出功率的影响.激光器必须选择最佳放电条件才能获得最大的激光输出功率。对于He-Ne激光器来说, 应当根据以下几条实验规律选择其最佳放电条件.1）当气体配比保持一定时，改变亢气总气压, 一个激光器输出的激光功率存在一个极 大值。充气总气压她与毛细管直

9、径众的乘积（d在11.5mm范围内）为400 一 670Pa mm时输出的激光功率最大。该实验 中使用的He-Ne激光器的毛细管直径d 为1. 3mm,最佳无*总压强应该在400PaME、盼您p400Pa4 5 6 7 8 9 10 H电流/mA图2输出功率随放电电流的变化左右。2）激光器的毛细管直径众=1. 30 mm时，He与Ne的充气配比选择7： 1比较理想，因为 在这个配比下，当配比发生偏离时激光器的输出功率变化得比较缓慢。3）改变He-Ne激光器的放电电流，同时测量与放电电流对应的输出激光功率，得到图2 所示的规律。该图表明有一个使激光器输出的激光功率达到最大值的放电电流，即最佳 放

10、电电流。当总气压降低时最佳放电电流值增大。实验实验装置机械泉本实验装置示意图如图3所示:图3真空系统示意图实验仪器中还包含复合真空计、激光电源和数字激光功率计这些装置。实验内容：（1）抽空除气利用机械泵、扩散泵对系统抽气，使得气体压强低于lOYpa的量级。配气使得气体配比为：PHe：PNe=7：l。（3）研究放电条件对激光输出功率的影响。实验设计方案（1）抽真空至真空系统内的压强到达103Pa后，关闭真空计。（2 ）关闭阀门2、3、4,在体积V2部分充入氮气，此时系统内的压强为P1,硅油的液面差 为 hi （约为 1215cm）o（3）打开阀门3,此时系统内的压强为P2,硅油的液面差为112。

11、根据普通气体在压强为一 个小量时，物态方程近似为理想气体方程，贝U：则一 1V, h2通过这样，我们就可以得到*的值。（4）由于实验要求真空系统内的压强要达到5Torr,根据计算，我们要求 + V,中的压强为59.5xMJ mm （硅油），这时对应的液面差为I13。（Uorr=lmmHg Hg的密度为13.6g/an3硅油的密度为1 g/an3）（5）关闭阀门3,打开阀门2,抽真空，等到U形管内硅油的液面相等时，关闭阀门2。（6）向系统内充Ne气，使得U形管内硅油的液面差为：8.5xY mm （硅油）。V,（7）打开阀门3,使气体混合，这样就可以使得嬴筑气体的比例达到7:1。然后进行以后的 实

12、验。实验数据处理与结果分析1 .计算和V2的比值实验中我们测得:=103. OmmU = 24.0nmi通过计算得到：*=1 =竺一1 = 3.29V, h2 24这样我们就确定了 V】和V2的比值。实验时间实验中，我们先打开氮筑激光器的开关，然后使得气体混合，实验测得：开始发光时间：I； = 65s到最亮的时间：I=125s这说明，两种气体在65s时就达到了可以发光的气体比值，在125s时，两种气体己经基本 混合均匀。研究放电条件对激光输出功率的影响实验数据如表1表1实验数据P 总=73mm硅油P 总=62mm硅油P 总=55mm 硅油P 总=46mm硅油P 总=36mm 硅油P 总=25m

13、m硅油P 总=18mm 硅油1 |P : mW 1 Z)P mW)1 1 P mAP - mW )1 mA：P mW6.22.345.53.024.72.294.01.664.11.404.50385.00.026.72.056.03.065.22.454.51.764.61.565.00.475.50.027.21.826.53.105.72.505.01.965.11.665.50.576.00.037.71.527.03.026.22.545.52.155.61.766.00.646.50.048.21387.52.886.72.636.02306.11.886.50.757.00.06

14、8.71.008.02.727.22.696.52396.62.027.00.837.50.089.20.758.52.567.72.757.02.457.12.127.50.948.00.119.70.589.02348.22.707.52.527.62.228.01.058.50.129.52.058.72.658.02.618.12.298.51.149.00.159.22.608.52.628.62.339.01.239.50.179.72399.02.709.12389.513210.00.199.52.689.62.4010.013910.02.6310.12.38我们用所测得的实验数据画出输出功率同放电条件的曲线如图4所示。图4输出功率同放电条件的曲线图从图中我们可以看出。（1）在!.确定的时候，当激光发光稳定的时候，我们发现，激光的输出功率与激光器的 工作电流有关。（2）在不同的P总的时候，激光器的输出功率与激光器的工作电流的变化是不一样的。当 P”.比较大的时候，激光器的输出功率随这工作电流的增大而减小：当P3适中时， 激光器的输出功率会随着工作电流的变化出现一个极大值，并且随着P怠的减小，最 大值对应的工作电流值变大；当P,；,.继续减小，我们发现激光器的输出功率会随着工 作电流的变化变