最佳放电条件

He-Ne激光器最佳放电条件摘要本次实验中通过研究He-Ne激光器的总气压，He、Ne的配气比和激光的放电电流对激光器的输出功率的影响，寻找出激光器的最佳放电条件。实验中发现激光的输出功率对于总气压，He、Ne的配气比和激光的放电电流都有一个极大值。通过对实验数据的分析得到激光器在配气比为6.9:1,总气压为329Pa,放电电流为7.62mA的情况下，输出光功率最大,为6.13mW。关键词He-Ne激光器，总压强，放电电流，配气比一、引言He-Ne激光器是应用广泛的一种原子气体激光器，它以He、Ne混和气体为工作物质，采用放电激励的工作方式产生一定工作频率的激光器。其输出功率与放电条件（如气体的配气比、气体总压强、放电电流等）有密切的关系。而研究He-Ne激光器的最佳放电条件对于制作和使用激光器来说是十分重要的。本实验主要通过配置He-Ne激光器的工作气体，研究气体总压强和工作电流对He-Ne激光器的输出功率的影响，从而寻找最佳的放电条件。二、原理1、内腔式He-Ne激光器的结构图一内腔式He-Ne激光器的结构激光器由工作物质、谐振腔、激励电流三部分组成，内腔式激光器其结构如图一所示。谐振腔由两个反射镜构成，放电管中央是毛细管，是对激光产生放大的区域。光在其中传播一个单程的增益为G(v)•1。虽然G(v)反比于毛细管的直径d但是毛细管不能做的太细，否则会增大光衍射的损耗并且限制输出总功率，并且增加调节激光谐振腔的困难。毛细管外较粗的管子为储气管，其直径通常为2〜5cm。储气管与毛细管的气路是相通的，主要用于稳定毛细管内部的工作气压，稳定激光的输出功率和延长其寿命。由于工作电压很高(一般在4000〜8000V),会引起离子撞击电极材料，尤其是正离子引起的阴极材料的溅射和蒸发会使工作气体压强不断减小，污染谐振腔的反射镜，降低其反射率，所以一般选溅射较弱的Al作阴极。和正离子相比，电子的质量要小很多，所以电子轰击阳极造成的损害比以及要小得多。2、放电条件对激光输出功率的影响(1)总气压由于自由程与总气压成反比，所以总气压降低时电子的自由程久增大，电子动能增加，利于粒子数反转，但是如果总气压太小，会使原子数密度降低，总的反转的粒子数减少，这样激光器输出的总功率就降低了。相反，如果总气压太高，则电子的动能太低，只有少数电子才能把He原子激发到2iS态上，不利于粒子数反转。所以有一个最佳的总气压值对应最0大的激光器输出功率。(2)配气比He原子电离能高，带电数目少。所以He的比例增大时，电子温度升高，这样有利于激发Ne原子，但是太大的话，就不能产生足够的反转粒子数密度，得不到足够的增益。所以He，Ne有一个最佳的配气比，一般为：p:p=7:1〜5:1 (1)HeNe(3)放电电流激光器为获得632.8nm的激光，需要Ne在3S和2P之间实现粒子数反转。增加放电24电流时，亚稳态21S上的原子与电子碰撞将会被激发到更高的能级上去，从而导致亚稳态021S上的He原子密度减少。另外电流增加，亚稳态1S上的Ne原子和电子碰撞被激发到02P态的概率会增加，使得反转粒子数密度随放电电流的变化有一个最大值，即最佳放电电流。

3、实验装置——真空系统本实验中所需的真空度分两个阶段达到：低真空（从大气压到0.5Pa）和高真空（0.5Pa到2X10-%）。每阶段的开启顺序都是真空泵一真空阀一真空计，关闭顺序则完全相反。真空系统如图二所示。真空系统示意图图二3r电丿离口偶空系统如图二所示。真空系统示意图图二3r电丿离口偶X规1fiL管E实验中，先利用机械泵获得低真空，再通过油扩散泵获得高真空。注意在用油扩散泵的同时，仍要开启机械泵，因为油扩散泵需要机械泵提供得低真空环境才能工作，而且需要机械泵为其排气。三、实验一、 抽真空首先，获得低真空：关闭阀门5、6、7和8，调节阀门1，2使得三向气管相通，打开其余阀门。接通电源，打开机械泵，使其对整个系统进行抽气，以获得低真空。在此过程中，用热偶真空计测系统的真空度。其次，获得高真空：打开冷却水，调节阀门2内管呈T态，预热油扩散泵。调节阀门2内管呈〒态，使油扩散泵开始抽气，以获得高真空。在此过程中，用电离规真空计测系统的真空度。二、 配气过程

首先，计算充气时硅油压强计所应达到的高度差。已知：其中，V1为连接激光管部分的体积，V1为连接He、Ne气瓶部分的体积。欲使He、Ne总气压为4Torr（1Torr=1mm汞柱）。3）由公式（1）可知充入He3）PV=nRT111混合后He气的压强，TOC\o"1-5"\h\zV1 7 /八P= P=P (4)HeV1+V21 8故硅油高度差h1为：(V+V) /、h=Pi2=6.25cm (5)HeV・g・p1 硅油同理，充入Ne气时硅油高度差h为：26)(V+6)h=P1 2 =2.86cm2NeV-g-p2 硅油其次，向V中充入He,关闭阀门2,停止抽气，关闭阀门4,打开阀门3；打开阀门61使He气充入阀门5、6之间，关闭阀门6；打开阀门5缓缓充入He气直至硅油高度差为h1；关闭阀门5,调节阀门2开始抽气直至液面差为h1，关闭阀门3,充入He气完毕；其后依照类似的步骤充入Ne气在V中；打开阀门3,使两种气体充分混合十分钟，打开激光器，2通过光功率计观察激光的功率。三、测激光功率首先在一定的总压强下，改变电流测量光功率；其次改变总气压，重复以上步骤。通过多次测量，寻找激光器的最佳放电条件。四、实验结果与分析1、 实验中，由于真空度很高，所以气流流动的很快，在尽可能小心的情况下，实际的h=64.7mm,h=30.0mm12由此可以算出： P占=580Pa,P:P=6.9:1总HeNe实验数据如表一所示：表一一定压强下，光功率P与电流I的关系P=329.3Pa总I(mA)P(mW)7.824.327.694.43P=329.3Pa总I(mA)P(mW)7.824.327.694.437.514.477.334.507.124.306.804.136.514.006.023.235.623.075.462.955.28临界P=580Pa总I(mA)P(mW)7.925.797.705.837.555.867.435.937.325.106.464.935.864.595.424.445.034.224.503.924.50临界P=441PaI(mA)P(mW)7.916.107.626.137.456.047.035.896.615.726.365.705.685.405.175.084.724.714.60临界一一P=259.7Pa

总I(mA)|P丽7.985.907.725.727.525.627.185.416.985.226.524.945.884.405.513.825.183.565.18临界临界”是指该电流下激光器刚好不发光，也就是激光开启电流，“—”是指没有测量。2、由表一是数据利用Matlab软件可得到不同的气压下，光功率P与电流I的关系，如图三所示。从图中可以看到：1、 当P总=580Pa时，最大光功率出现在I=7.33mA；当P总=441Pa时，最大光功率出现在I=7.43mA；当P总=329Pa时，最大光功率出现在I=7.62mA；当P总=260Pa时，最大光功率应该出现在放电电流大于8mA的位置。这些表明随着总压强的减少，达到最大光功率所需要的放电电流会增大。2、 从图三可以很清晰地看到当总压强固定时，存在一个最佳的放电电流，且最佳放电电流随着总压强的减少而增加。另外可以发现，当气体的总气压较低时，P与电流I呈明显的线性关系，这说明在气体总量较低时，反转粒子数密度与电流成正比。3、 纵向比较，当放电电流一定时，光功率和总压强也会有关系，当总压强较大时，光功率随着总压强的减小而增大，而当总压强减少到一定程度之后，光功率又随着总压强的减少而减少，与理论符合得很好。

5-544Wm/W率功光激3.52.54.5激光功率P5-544Wm/W率功光激3.52.54.5激光功率P与电流之间的关系El5.56电流6.5I/mAP总=568Pa P总=441Pa -P总=329Pa P总=260PaI I7 7.5 8图三激光功率P与电流之间的关系图五、 总结从表一中可以看到，总压强由高到低，激光的开启电流分别为5.28mA，4.50mA，4.60mA，5.18mA。说明激光开启电压是受总压强