He-Ne激光最佳放电条件.docxVIP

He-Ne激光器的最佳放电条件实验姓名：李首卿 学号：201311141049【摘要】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，其激光输出功率和放电条件（气体总压强、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。本实验通过配置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激光器的工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技术。关键词：He-Ne激光器 最佳放电条件 总压强 放电电流引言激光是20世纪60年代的发明。它具有极好的方向性、单色性、相干性和极高的亮度。激光的诞生不仅开创了光学技术的崭新局面，而且还影响到自然科学的各个领域，从物理、化学到天文、地理，从生物、医学到无线电、计算机，从农业到工业，从机械加工到国防科技。总之，激光对人类的影响之大、之深、之广，只有计算机能与之相比。激光具备这些特性是由于它是受激辐射光，而普通光是自发辐射光。激光有增益介质、谐振腔和激励源组成。实验原理内腔式He-Ne激光器的结构毛细管：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，一个单程的增益正比于毛细管的长度，反比欲毛细管的直径。但是直径也不能太细，太细会增大光的衍射损耗，限制激光器的输出总功率。储气管：储气罐的粗细要根据毛细管的尺寸决定，与毛细管的气路是相通的。储气罐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。电极：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会吸收与吸附一些工作气体，导致放电管内工作气体压强不断减少，并且污染谐振腔的反射镜。激光电源：He-Ne激光器一般采用直流高压放电激励方式。He-Ne激光器的工作原理增益介质：要获得632.8nm的激光就要求在Ne的和能级之间实现粒子数反转分部，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。He-Ne激光器是通过He与Ne之间的能量的共振转移碰撞过程实现粒子反转的。激光下能级的寿命很短，处在该能级的原子通过自发辐射到1S能级上，（在偶极辐射近似下，与基态之间是禁戒跃迁）。中的是亚稳态，而可以跃迁到基态产生共振辐射，它很容易被别的基态Ne原子吸收激发到能级上，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。图1能级结构及跃迁示意图如果1S能级上积累了较多的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态退回至1S态时发射的光子，为另一个处于1S态的Ne原子吸收又回到2P态），同时电子碰撞使Ne原子由1S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。放电条件对激光器输出功率的影响当气体配比保持一定时，改变充气总气压，一个激光器输出的激光功率存在一个极大值。充气总气压与毛细管直径的乘积为是输出的激光功率最大。可以对此有一个解释：放电等离子体中电子运动的能量可以通过用电子温度来表示。电子在一个自由程内被电场加速后所获得的能量决定了电子温度的高低。又自由程与总压强成反比。当总压强降低时，电子温度增加，即电子的平均动能增加。这有利于把He原子由基态激发到态，因此有利于加强粒子数的反转。如果总气压太小，He和Ne的原子数密度太小，这时形成的反转粒子数密度太小，增益系数也太小。相反，如果，总气压太高，电子温度太低，则只有少数电子具有较大的能量能够把He原子激发到态上去，这显然不利于粒子数反转。所以总气压有一个最佳值；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。电子温度除了取决于充气总气压之外，还取决于气体的种类。He原子的电离能比Ne的电离能高。在He气中加入Ne，电子密度会增加，场强会下降，电子温度会减少。如果He、Ne混合气体中Ne的比例减少，那么电子温度就会升高，这有利于激发He原子。然而，如果Ne的比例太小，就产生不了足够的反转粒子数密度，得不到足够的增益。相反，如果Ne的比例太大，那么电子温度就会较少，这不利于激发He原子。配气的最佳比例一般为7:1；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，我们可以得到有一个使激光器输出的激光功率达到最大值的放电电流，即最佳放电电流。当总气压降低时最佳放电电流增大。输出激光功率与放电电流的关系是：当放电电流较小时，处在亚稳态的He原子密度N随放电电流的