He-Ne激光器的最佳放电条件

1、He-Ne激光器的最佳放电条件赵海燕实验时间：2015年3月13口上午8点到下午1点摘要本实验利用机械泵、扩散泵对实验装置进行抽真空处理，然后把氨气和氛气按照一定的比例混合，通电流产生激光，并通过改变氨氛配比、改变电流的人小、改变总电压的人小测量输出的激光的功率，找出激光的最佳放电条件，只有氛气，激光器没有激光输出；相同电流条件下，总压强为3.6cm硅油柱左右激光输出功率最人：总压强减小过程中，最人输出功率对应的电流在增人.关键词氨氛激光器、粒子数反转、配比、总气压、电流引WHe-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、气

2、体的配比、放电电流)等有密切关系研究他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.本实验通过配置还来激光器的工作气体，研究放电条件对激光输出功率的影响,从而进一步了解氨氛激光器的工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技术.实验原理一、硬件构成1激光器的构成激光器由工作物质、谐振腔、激励源三部分组成谐振腔由两个反射镜组成，放电管中央为毛细管，毛细管的增益系数正比于毛细管的长度，反比于它的直径，但因要保证实验操作的简单和毛细管准直不能将管做得太细：毛细管周I制是储气管，用于稳定毛细管内的气压和激光器的输出功率与延长其寿命，并且起到连接毛细管和反射镜的作用；储气管的两端是电极，为了避

3、免辉光放电引起的阴极溅射和蒸发的负面影响，一般采用铝做阴极、钩做阳极；采用直流电源激励产生激光.2抽真空器件(1)机械泵机械泵的工作原理如图1所示，机械泵主要由圆柱空腔定子、偏心转子、旋片、弹簧、顶盖和排气阀等零件组成偏心转子的顶端始终保持与泵体定子内腔接触，当偏心转子旋转时，始终沿定子的内壁滑动转子上开有两个滑槽，分别安装一个旋片，中间有一个弹簧，当旋片随转子旋转时，借助弹簧张力和离心力，使两旋片紧贴在定子内壁滑动，两个旋片把转子、定子内腔和定盖所I制成的月牙形空间分隔成三个部分，当转子按图示方向旋转时，与进气门相通的空河A的容积不断地增人，A空问的压强不断地降低，当A空河内的压强低于被抽容

4、器内的压强，被抽的气体不断地被抽进吸气腔A,随着定子的旋转，A部分的体积减小压强增人,从而推开排气II的阀门而单向排出气体.图1机械泵工作流程图（2）扩散泵泵油用规定电炉加热，产生高压蒸汽沿三个同心的导管上喷并在喷II处彼高速折返喷出，使周圉压强降低，附近气体即向喷II处扩散，从而被吸入并随油蒸汽一起向下运动，油蒸汽被冷却水套冷却，结成油滴回到泵底，空气分子集结到出气II被机械泵抽走.3真空测量器件（1）热偶规热偶规内部中心器件是热电偶，由于加热丝内通有恒定电流，内部气体热导率随压强变化，加热丝的温度也随压强变化，经过定标后找到热电偶电势与压强的关系，制成了真空计.（2）电离规阴极灯丝发射电子

5、在栅极电场作用卞得到加速与气体分子碰撞并使它电离，正离子飞向带负电的收集极，离子流的人小与气体压强成正比，栅极电压在100V-300V之间，收集极电位在-10V-50V之间.为了保护电离规，应当让系统的压强低于0.IPa以后才开动.二、激光产生及其影响因素1激光的产生光与原子体系相互作用会发生自发辐射、受激辐射、受激吸收由于自发辐射的随机性和服从玻尔兹曼分布，加上受激吸收的影响，要产生目标波长632.8nm的激光，需要使得氛的3s?和2卩4之间实现粒子数反转，因为氧元素的25。和2鮎之间的能量差跟目标波长的能量很接近，于是用氨的共振转移作用使得氛能级实现粒子数反转，受激辐射产生频率、偏振方向和

6、传播方向与入射光子相同.2放电条件因为氛元素是产生激光的元素，又需要氨元素的共振转移作用，于是气体配比影响着激光的输出功率，试验中根据毛细管的粗细选择配比为7:1：实验中混合气体的总气压为5nun汞柱，本实验中选用硅油作压强计，换算为6.8cm硅油柱；气体总压强也影响激光输出功率，压强太人会导致电子自由程变短达不到预期的共振转移效呆，太小会使得分子密度小和电子自由程变长，从而导致实现共振转移的几率变小，总气压有最佳值；电流会调节亚稳态的原子密度，从而对原子激发的概率影响较人，从而也存在着最佳放点电流.2配气关闭高真空阀门，关闭阀门2：依次打开、关闭阀门8、7和6,打开下一个阀门前应确保上一个阀

7、门处于关闭状态，并实时观察硅油柱的高度，使得达到压强P4,关闭阀门1;打开高真空阀门，抽掉V2中的氛气，再关闭高真空阀门，依次打开和关闭阀门5、4、3,打开下一个阀门前应确保上一个阀门处于关闭状态，这样重复多次，直到V2中的压强到达P3；打开阀门1,充分混合氨气和氛气，配气工作结束.3测量打开实验测量器材，改变加载电流测量激光的功率；抽掉一部分混合气体改变总压强，再次改变电流测量激光功率，画曲线，抽气时要关闭阀门1，并在高真空阀门露一小缝便立即关闭，以免实验中气体跑得太快导致实验的失败.实验结果分析与讨论总压强等于6.8cm的硅油柱，混合后氧气压强为5.95cm硅油柱，氛气压强为0.85cm硅

8、油柱；由原理三，实验测得V2：V2=3：1,即得混合前氛气在VI中压强为1.2cm硅油柱，氨气在V2中压强为23.8cm硅油柱.根据原理三进行实验，在只有氧气的情况下激光器没有激光输出.混合气体后，改变六次总压强，并测量在不同电流卞激光输出功率，可得如图3所示的曲线，观察曲线可得：不同总压强下激光输出功率随电流变化曲线T-6.5cm硅油柱-5.3cm硅油柱-4.7cm硅油柱-3.6cm硅油柱-3.4cm硅油柱-2.5cm硅油柱电流/mAM2、褂斉畫来藝图3不同压强卜激光输出功率随电流的变化（1）相同电流条件下，输出总压强先增大到最人值后减小，3.6cm硅油柱左右激光输出功率最大.这是因为在压强

9、太人，导致粒子数密度太人，导致粒子间碰撞增强，但是自由程较短，导致目标能级间的碰撞几率变小，不利于激光的产生：当压强太小的时候，粒子数密度变小，粒子碰撞几率变小，并且自由程变长，导致目标能级之间的碰撞几率更加变小，因此存在一个最佳总电压.（2）总压强减小过程中，最人输出功率对应的电流在增人.电流对于亚稳态的原子数都是线性关系，但是增长的关系不一样，先是有利的人于不利的，然后随着电流的增人，不利的影响更大，导致激光输出功率的减小，当压强减小的时候，粒子间碰撞减小，所需的达到的饱和电流就増犬.操作小结：配气过程还是最后减小压强的操作中，若不是想要气体完全抽真空，一定要关闭阀门2,且在高真空阀门露出小缝后便立即关闭，否则会导致气体全部跑掉：打开、关闭阀门操作应使用双手，一只手扶着，另一只手转动阀门；结论实验中采用机械泵和扩散泵组合实现仪器的抽真空，用热偶规和电离规组合测定真空条件，比较粗略进行氨氛配气产生激光，只冇氛气情况卞，激光器没有功率输出；并测得在不同总压强条件下激光输出功率随着电流变化的曲线图，观察曲线得出，相同电流条件卞，总压强为3.6cm硅油柱左右激光输出功率最人；总压强减小过程中，最