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He-Ne激光器的旁侧光谱 姓名：谢红 学号：201411142014 指导老师：何琛娟 实验日期：2017.3.17 【摘要】 本实验通过测量放电等离子体辐射的光谱强度，研究分析He—Ne激光器在不同条件下有关能级粒子数的分布情况。了解用光强法进行光谱分析的原理和方法，并学会使用锁相放大器对微小信号进行测量。 【关键词】 He-Ne激光器 锁相放大器 光谱 引言 He—Ne激光器是应用广泛的一种原子气体激光器。对于放电激励的气体激光器，其输出功率及效率都与发生受激辐射时各有关能级的粒子数分布密切相关。因此，研究气体放电过程中某些能级的粒子数分布具有重要意义。 本实验将研究分析He—Ne激光器在不同条件下有关能级粒子数的分布情况。 二、实验原理 1． 概述 激光器由三部分组成：工作物质，谐振腔和激励能源。根据使用要求的不同，有各种具体的结构形式。图8-3-1是外腔式He—Ne激光器的示意图。R1，R2为镀有多层介质膜的反射镜，其中一块为部分透射，它们组成谐振腔。A为气体放电管，内部充有一定总气压和一定He、Ne混合比的气体为工作物质。D1为阳极，D2为阴极，与直流高压电源相接。电源电压通过阳极钨棒和阴极铝筒加到放电管两端，形成气体辉光放电，在毛细管中产生等离子体。等离子体中处在激发态上的氖原子是激光工作物质，它们发生受激辐射时起光的增益放大作用。由放电管两端的高反射膜板的反射提供光学反馈形成振荡，并从部分透射端输出，得到所需要的激光。 用受激辐射将光放大，必须使高能态的粒子数多于低能态的粒子数，即实现上、下能级间的粒子数反转。He—Ne激光器是通过原子碰撞实现粒子数反转的。在放电管中充以一定比例的He、Ne混合气体，直流放电将He激发至亚稳态。由于跃迁选择定则的限制，被激发的He只能通过碰撞将激发能转移给Ne，使Ne处于激光上能级，而Ne的激光下能级衰变很快，由此造成高、低能态之间粒子数反转。使两能级间产生受激辐射，即可将光放大。与He—Ne激光器有关的能级结构及跃迁情况如图8-3-2所示。图中，用符号表示He原子的能级，采用一般激光理论中常用的帕邢(Paschen)符号标记Ne原子能级，它是一种经验符号。其中基态能量取为零，纵坐标以电子伏特为单位。 2． He原子的能级 He原子由带+2e电荷的原子核和两个核外电子组成。处于基态时，电子组态为。这时 , , , . He原子的两个电子是按L—S耦合的，可以算出 , , . 因此，He的基态为。He原子的激发态是一个电子被激发至高能态而另一个电子留在基态构成的。设第一个电子始终处于1s态，第二个电子被激发，其主量子数n2可以任意。当n2=2时，由原子物理可知，；，此时有 根据L—S偶合，，…，，可形成的原子态有，，，。同理可以计算n2=3,4,…的情况。在这里只考虑与产生激光有关的和两个能级。 3． Ne原子的能级 Ne原子是惰性气体原子，由带+10ｅ电荷的原子核和10个核外电子组成，处于基态时的电子组态为。由于10个核外电子把K壳层和L壳全部填满，形成封闭壳层，所以原子总自旋角动量S，总轨道角动量L及总角动量J均为零，其基态为。Ne原子的激发态是一个2p电子跃迁至高能级而形成的。当一个2p电子被激发跳到较高的能级上时，留下的九个电子的集体行为就相当于一个空穴，它们的角动量与一个2p电子的角动量一样。因此，我们将Ne的激发态考虑为一个2p电子的空穴与一个较高能级上电子的耦合，理论和实验证明了这种耦合是耦合。耦合方式是先把一个电子的轨道角动量与其自旋角动量耦合成这个电子的总角动量， ，…，. 然后，把与另一个电子的轨道角动量合成中间角动量， ，…，. 最后，将与另一个电子的自旋角动量耦合成总角动量 ，…，. 按上述耦合方法，对于2p电子的空穴，有 , , . 而跳到ns(n2)壳层的电子，=0，=，可得原子的中间角动量，于是原子的总角动量J=2、1、1、0，原子的能级状态共有四个。我们用符号表示耦合能级，则这四个能级可表示为 ， ， ， 其中，带(的ns表示相应于这一能级的。这四个能级与图8-3-2中Ne原子能级上所标的帕邢符号S项的一组四个能级对应，它们之间的对应关系为： ， ， ， 如果2p电子跳到np(n2)壳层，则该电子轨道角动量=1，自旋角动量=，对于2p电子的空穴，仍有，同理可计算出各角动量值，如表8-3-1所示。 表8-3-1 角动量值 j1 K 3/2 1/2 5/2 3/2 1/2 J 2,1 1,0 3,2 2,1 1,0 这样得出原子的能级状态共有10个，它们与图8-3-2中氖原子能级图中p项一组1