試驗五He-Ne激光器放電條件研究物理學院 物理系 00004037 賈宏博同組人:00004038 孫笑晨試驗目經過He-Ne激光器制作過程,深入了解He-Ne激光器工作原理和放電條件對激光輸出功率影響。深入熟悉真空取得、測量和充氣技術。試驗原理激光器由三部分組成:工作介質。He-Ne激光器工作介質是Ne原子。諧振腔。諧振腔端面反射鏡要求嚴格平行且反射率高,以確保激光在諧振腔內數次反射損失能量較少。本試驗采取多層鍍ZnS/MgF2膜光學玻璃作反射鏡,為平面鏡,反射率,為凹球面鏡,曲率半徑1m,反射率。激勵源。氣體激光器（He-Ne、CO2）必需經過合適放電條件才能取得激光輸出。激光器工作三個必需條件:粒子數翻轉條件。原子（或分子、離子、激子）某兩個能級之間存在受激躍遷和逆向受激吸收過程,上能級每個量子態(tài)粒子數大于下能級對應粒子數,稱粒子數翻轉條件。He原子亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)Ne原子碰撞共振激發(fā)能夠實現Ne原子—粒子數翻轉。諧振腔選模條件。諧振腔內只有波長滿足當光在腔內走一個往返相位改變是光才能干涉加強。若為介質折射率,為腔長,則選模條件為 （q為整數） （5-1）也可表示為 （5-1’）稱縱模頻率。相鄰兩個縱模頻率之差為,稱縱模間隔,與q無關。諧振腔諧振頻率中只有落在原子熒光輻射譜線寬度內并滿足閾值條件那些頻率才能形成激光。本試驗所使用He-Ne激光器6328A譜線可能存在2-3個縱模。正反饋放大條件?？紤]到光在諧振腔中往返反射會有損耗,只有在以下條件滿足才能得到穩(wěn)定輸出激光: （5-2）試驗器材內腔式He-Ne激光器,毛細管直徑。機械泵——擴散泵真空系統(tǒng)。He、Ne氣。激光功率計。試驗方法和內容用機械泵和擴散泵使整個系統(tǒng)取得真空度同時進行檢漏。漏氣率,即,考慮整個試驗時間約為2h,而工作壓強關鍵在torr量級,故漏氣率能夠忽略。關閉U型管頂部連通閥。配氣。利用Ne氣測量兩腔室體積比。先隔離和,將充一定量Ne氣,用U型管測出壓強,然后打開閥門連通和,測出壓強。設溫度近似不變,由?！R定律可得,。U型管使用密度為硅油,壓強換算關系為。33.707.5020.9923.2018.204.014.24表5-1 兩腔室體積比測定將兩腔室抽閑以后充入He氣,測壓強。然后抽閑,并合適充入Ne氣,測。連通和,得到混合氣。計算He/Ne原子百分比35.305.5023.8829.7011.4014.676.90表5-2 He/Ne氣體配比經過抽—連通方法逐步減小,并測量激光功率與放電電流關系。4.3.1 9.08.07.57.06.56.05.55.00.010.010.050.10.20.250.310.394.54.03.53.02.52.01.751.50.430.470.50.510.520.50.470.44表5-3-1 下激光功率與放電電流關系。4.3.2 10.09.59.08.07.57.06.56.05.50.010.10.20.250.320.40.50.530.555.04.54.03.53.02.52.01.750.580.560.540.510.490.430.330.3表5-3-2 下激光功率與放電電流關系。4.3.3 19.018.017.016.015.014.013.012.011.00.050.10.180.230.260.290.330.360.37109.08.07.06.05.04.03.53.00.390.40.410.410.40.370.330.310.27表5-3-3 下激光功率與放電電流關系。4.3.4 25.020.015.014.013.012.011.010.00.0060.0270.0650.0730.0810.0890.0950.1069.08.07.06.05.04.03.50.1050.1080.1150.1230.1180.0970.07表5-3-4 下激光功率與放電電流關系。圖5-1 不一樣壓強下激光功率和電流關系試驗結果和分析本試驗在He/Ne氣體比為6.9:1下進行。圖5-1給出不一樣壓強下激光功率和電流關系。氣體總壓強一定。放電電流從某個開啟值逐步升高,激光功率也隨之升高,達成一個最大值,即最好電流。然后激光功率伴隨放電電流繼續(xù)升高反而下降,最終會趨于某個飽和值。這是因為處于亞穩(wěn)態(tài)He原子密度在小放電電流下隨電流近似線性增大,當放電電流深入增大,亞穩(wěn)態(tài)上He原子有飽和趨勢。Ne原子能級上原子密度亦有相同規(guī)律。飽和趨勢造成原因是:當電流太大時,電子與亞穩(wěn)態(tài)He原子碰撞把He原子由亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)到更高能級上去,經過碰撞亞穩(wěn)態(tài)He原子也可能將能量交給電子而回到基態(tài)。這兩個過程都造成亞穩(wěn)態(tài)上He原子去激發(fā),使亞穩(wěn)態(tài)上He原子數目伴隨放電電流增加趨于飽和。另外伴隨放電電流增加,電子與Ne亞穩(wěn)態(tài)上原子相碰并使之激發(fā)到態(tài)概率也增加,使激光6328A下能級上原子密度正比增加,所以粒子數反轉密度伴隨放電電流改變有一個極大值,此值與最好電流對應。輸出功率伴隨總氣壓改變有一個極大值。本試驗條件下在時最大輸出功率為0.58mW（對應最好電流0.50mA）。首先,當氣壓減小時,電子溫度升高,電子平均動能增加,這對于He原子由基態(tài)激發(fā)到態(tài)是有利,有利于粒子數反轉;但在太低氣壓下He和Ne原子數極少,反轉數密度不高,增益系數也不大。其次,氣壓若太高則下降,只有少數電子含有足以激發(fā)He原子能量,對粒子數反轉也不利。所以存在一個最好氣壓。當總氣壓、配比和放電電流都保持不變時,激光器輸出功率存在漲落。圖5-2 激光器縱模漂移與輸出功率漲落。當總氣壓、配比和放電電流都保持不變下,Ne原子熒光輻射譜G(v)基礎固定。但因為制造時殘余應力和室溫改變等原因引發(fā)諧振腔長度漂移,按（5-1’）式,縱模間隔有所漂移。這個漂移即使極小,不過頻率本身很高,所以會有可觀絕對漂移。因為G(v)以內縱模卻只有2~3個,所以在一定情況下增益有較顯著漲落,如圖5-2（a）（b）所表示。設室溫改變率（按當日氣溫估算）即,玻璃線膨脹系數,則諧振腔長度相對時間改變率為由縱模間隔,對本試驗所用激光器,講義給出。與對應由（5-1’）式可得,則處于熒光譜線內那幾條縱模頻率絕對時間改變率為根據這個漂移速率,需要聚會使在熒光譜線內那幾條縱模有一整個平移,由圖5-2能夠看出在這過程中激光增益,也就是輸出功率,會有一個變大—變小—變大過程,在一段稍長時間里會觀察到輸出功率周期性振蕩。不過,因為室溫除了近似線性減小外,還有量級在無規(guī)漲落,與此對應也有輸出功率漲落（純粹漲落）,其幅度與前述周期性振蕩基礎相同（因為這種漲落幅度基礎由熒光譜線本身特點決定）。所以能夠了解試驗中觀察到輸出功率周期性振蕩現象。然而遺憾是試驗觀察到振蕩周期為幾秒到幾十秒,而非按上述模型估量幾分鐘,可能是因為對于溫度改