氦氖激光器的最佳放電條件

1、HeNe激光器的最佳放電條件摘要：本實(shí)驗(yàn)配制了HeNe激光器的工作氣體，用真空系統(tǒng)探究了HeNe激光器的輸出功率隨混合氣體壓強(qiáng)和工作電流之間的關(guān)系，從而探究了HeNe激光器的最佳放電條件。關(guān)鍵詞：HeNe激光器、抽真空、配氣、放電條件。一引言HeNe激光器是以He、Ne混合氣體為工作物質(zhì)，采用放電激勵方式工作的激光器。其激光輸出功率與放電條件(氣體總壓強(qiáng)戶總壓強(qiáng)、氣體的配比、放電電流等)有密切關(guān)系。研究它的放電條件對于制作和使用HeNe激光器來說都是非常重要的。本實(shí)驗(yàn)通過配制HeNe激光器的工作氣體，研究放電條件對激光輸出功率的影響，從而進(jìn)一步了解HeNe激光器的工作原理和最佳放電條件，掌握真

2、空與充氣技術(shù)。二實(shí)驗(yàn)原理1 內(nèi)腔式HeNe激光器的結(jié)構(gòu)KR1R2A圖1 內(nèi)腔式HeNe激光器的結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)中采用內(nèi)腔式HeNe激光管，它是由諧振腔和放電管組成的，圖1是其結(jié)構(gòu)示意圖。諧振腔由反射鏡民R1和R2組成。R1的反射率為97一98，R2的反射率在99以上。激光束通過反射率較低的腔鏡沼合到腔外，該鏡通常稱為輸出鏡。放電管中央的細(xì)管為毛細(xì)管，套在毛細(xì)管外面較粗的管子為儲氣管，A為陽極，K為陰極。（1）毛細(xì)管毛細(xì)管中充有He、Ne混合氣體，經(jīng)氣體放電變成激光增益介質(zhì)，它是對激光產(chǎn)生放大的區(qū)域，毛細(xì)管的幾何尺寸決定了激光的最大增益，光在其中傳播一個單程的增益正比于毛細(xì)管的長度l。增益系數(shù)G(

3、)還反比于毛細(xì)管直徑。但是毛細(xì)管的直徑不能做得太細(xì)，太細(xì)會增大光的衍射損耗，限制激光器的輸出總功率(它正比于毛細(xì)管直徑的平方)，還會增加調(diào)節(jié)激光諧振腔的困難，制作毛細(xì)管時必須盡力做到準(zhǔn)直，避免遮擋光路。（2）儲氣管儲氣管的粗細(xì)要根據(jù)毛細(xì)管的尺寸而定，其直徑通常為25cm，儲氣管與毛細(xì)管的氣路是相通的。儲氣管的作用主要是穩(wěn)定毛細(xì)管內(nèi)的工作氣壓、穩(wěn)定激光器的輸出功率和延長其壽命。內(nèi)腔式HeNe激光器的儲氣管把反射鏡和毛紉管固定連接在一起，防止放電時帶電粒子對管壁的轟擊導(dǎo)致毛細(xì)管變形，保證激光器能正常工作。（3）電極電極的質(zhì)量直接關(guān)系到激光器的壽命。HeNe激光器工作時，毛細(xì)管要進(jìn)行輝光放電，雖然放

4、電電流不大，但電壓很高，受電場加速的正離子撞擊陰極會引起陰極材料的濺射與蒸發(fā)。這些氣化的陰極材料的金屬原子，可能沉積在附近玻璃表面上及腔鏡上，它會吸收與吸附一些工作氣體，結(jié)果導(dǎo)致放電管內(nèi)工作氣體壓強(qiáng)不斷減小，以及污染諧振腔的反射鏡，使腔鏡的反射率降低很多。因此，通常選濺射較弱的AI作陰極，A1表面的氧化層能較好地防止離子轟擊造成的侵蝕。陰極通常制成圓筒形以降低濺射效應(yīng)。小功率HeNe激光器通常用鎢桿制作陽極，和正離子相比，電子質(zhì)量要小很多，所以電子轟擊陽極造成的損害比陰極要小得多。（4）激光電源 HeNe激光器一般采用直流高壓放電激勵方式。激發(fā)電壓、電流的范圍視激光管的長短而定。小功率激光器(

5、短管)的電壓約為4000一8000 V。工作電流在7mA左右。2HeNe激光器的工作原理 （1）增益介質(zhì) 要獲得6328nm的激光就要求在Ne的3S2和2P4能級之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時介質(zhì)對6328nm的光有放大作用，稱之為增益介質(zhì)或激活介質(zhì)。HeNe激光器是通過He與Ne之間能量的共振轉(zhuǎn)移碰撞過程實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。 激光下2P4能級的壽命很短，處在該能級的原子通過自發(fā)輻射到1S能級上1S2,3,4,5中1S3,5是亞穩(wěn)態(tài)，而1S2,4可以躍遷到基態(tài)產(chǎn)生共振輻射，它很容易被別的基態(tài)Ne原子吸收激發(fā)到1S2,4能級上，這相當(dāng)于延長了這兩個能級的壽命，使之與亞穩(wěn)態(tài)的壽命一樣長。因此，處于1S

6、能級上的Ne原子主要是通過與毛細(xì)管壁碰撞將能量交給管壁而回到基態(tài)。這就是所謂的“管壁效應(yīng)”。選用毛細(xì)管作放電通道有利于增強(qiáng)這種效應(yīng)。如果1S能級上積累了較多的Ne原子，會增加Ne的2P態(tài)與1S態(tài)之間的共振俘獲效應(yīng)（Ne原子由2P態(tài)退激發(fā)至1S態(tài)時發(fā)射的光子，為另一個處于12態(tài)的Ne原子吸收又回到2P態(tài)），同時電子碰撞使Ne原子由lS態(tài)激發(fā)到2P態(tài)的幾率也會增加，這些都使2P態(tài)的粒子數(shù)密度增加，這對實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是極其不利的。實(shí)驗(yàn)測得：對6328nm小信號，增益系數(shù)G（）與毛細(xì)管直徑d成反比。（2）增益系數(shù)激活介質(zhì)對光有放大作用是由于原子的受激輻射過程。受激輻射發(fā)出的光子和入射光子的頻率、偏

7、振方向和傳播方向都相同，顯然受激輻射加強(qiáng)了入射光。按照愛因斯坦的原子輻射理論，頻率為、輻射能量密度為（）(即輻射場中在單位體積內(nèi)在頻率附近單位頻率間隔內(nèi)的輻射能量)的準(zhǔn)單色光投射介質(zhì)時，單位體積、單位時間內(nèi)受激輻射發(fā)出的光子數(shù)為N2B21g()，B21是愛因斯坦受激輻射系數(shù)；單位體積、單位時間內(nèi)受激吸收的光子數(shù)為N2B12g()，B12是愛因斯坦受激吸收系數(shù)。如果忽略自發(fā)輻射，要想獲得對光的放大，也就是說希望得到受激發(fā)射的光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù)，注意到B21g2=B12g1，則要求 (1)考慮到式中為折射率，則有上式表明：1） 要求增益系數(shù)，必須，即粒子數(shù)必須反轉(zhuǎn)分布。2）增益系數(shù)與粒子數(shù)

8、差值成正比。（3）放電條件對激光器輸出功率的影響 激光器必須選擇最佳放電條件才能獲得最大的激光輸出功率。對于HeNe激光器來說，應(yīng)當(dāng)根據(jù)以下幾條實(shí)驗(yàn)規(guī)律選擇其最佳放電條件1） 當(dāng)氣體配比保持一定時，改變亢氣總氣壓，一個激光器輸出的激光功率存在一個極大值。圖2 輸出功率隨放電電流的變化充氣總氣壓她與毛細(xì)管直徑眾的乘積(d在115mm范圍內(nèi))為400一670 Pa·mm時輸出的激光功率最大。該實(shí)驗(yàn)中使用的HeNe激光器的毛細(xì)管直徑d為13mm，最佳無氣總壓強(qiáng)應(yīng)該在400Pa左右。2） 激光器的毛細(xì)管直徑眾130 mm時，He與Ne的充氣配比選擇7：1比較理想，因?yàn)樵谶@個配比下，當(dāng)配比發(fā)生

9、偏離時激光器的輸出功率變化得比較緩慢。3）改變HeNe激光器的放電電流，同時測量與放電電流對應(yīng)的輸出激光功率，得到圖2所示的規(guī)律。該圖表明有一個使激光器輸出的激光功率達(dá)到最大值的放電電流，即最佳放電電流。當(dāng)總氣壓降低時最佳放電電流值增大。三實(shí)驗(yàn)1. 實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示：圖3 真空系統(tǒng)示意圖實(shí)驗(yàn)儀器中還包含復(fù)合真空計(jì)、激光電源和數(shù)字激光功率計(jì)這些裝置。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）抽空除氣利用機(jī)械泵、擴(kuò)散泵對系統(tǒng)抽氣，使得氣體壓強(qiáng)低于10-3Pa的量級。（2）配氣 使得氣體配比為：。（3）研究放電條件對激光輸出功率的影響。3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案（1）抽真空至真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)到達(dá)10-3Pa后，關(guān)閉真

10、空計(jì)。（2）關(guān)閉閥門2、3、4，在體積V2部分充入氦氣，此時系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)為P1，硅油的液面差為 h1（約為1215cm）。（3）打開閥門3，此時系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)為P2，硅油的液面差為h2。根據(jù)普通氣體在壓強(qiáng)為一個小量時，物態(tài)方程近似為理想氣體方程，則： 則 通過這樣，我們就可以得到的值。（4）由于實(shí)驗(yàn)要求真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)要達(dá)到5Torr，根據(jù)計(jì)算，我們要求中的壓強(qiáng)為（硅油），這時對應(yīng)的液面差為h3。 （1Torr=1mmHg Hg的密度為13.6g/cm3 硅油的密度為1 g/cm3）（5）關(guān)閉閥門3，打開閥門2，抽真空，等到U形管內(nèi)硅油的液面相等時，關(guān)閉閥門2。（6）向系統(tǒng)內(nèi)充Ne氣，使得U形管

11、內(nèi)硅油的液面差為：（硅油）。（7）打開閥門3，使氣體混合，這樣就可以使得氦氖氣體的比例達(dá)到7:1。然后進(jìn)行以后的實(shí)驗(yàn)。四實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析1計(jì)算V1和V2的比值實(shí)驗(yàn)中我們測得：通過計(jì)算得到：這樣我們就確定了V1和V2的比值。2實(shí)驗(yàn)時間實(shí)驗(yàn)中，我們先打開氦氖激光器的開關(guān)，然后使得氣體混合，實(shí)驗(yàn)測得：開始發(fā)光時間：到最亮的時間：這說明，兩種氣體在65s時就達(dá)到了可以發(fā)光的氣體比值，在125s時，兩種氣體已經(jīng)基本混合均勻。3研究放電條件對激光輸出功率的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)P總=73mm硅油P總=62mm硅油P總=55mm硅油P總=46mm硅油P總=36mm硅油P總=25mm硅油P總=

12、18mm硅油I（mA）P（mW）I（mA）P（mW）I（mA）P（mW）I（mA）P（mW）I（mA）P（mW）I（mA）P（mW）I（mA）P（mW）6.22.345.53.024.72.294.01.664.11.404.50.385.00.026.72.056.03.065.22.454.51.764.61.565.00.475.50.027.21.826.53.105.72.505.01.965.11.665.50.576.00.037.71.527.03.026.22.545.52.155.61.766.00.646.50.048.21.387.52.886.72.636.02.30

13、6.11.886.50.757.00.068.71.008.02.727.22.696.52.396.62.027.00.837.50.089.20.758.52.567.72.757.02.457.12.127.50.948.00.119.70.589.02.348.22.707.52.527.62.228.01.058.50.129.52.058.72.658.02.618.12.298.51.149.00.159.22.608.52.628.62.339.01.239.50.179.72.399.02.709.12.389.51.3210.00.199.52.689.62.4010.01.3910.02.6310.12.38我們用所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出輸出功率同放電條件的曲線如圖4所示。圖4 輸出功率同放電條件的曲線圖從圖中我們可以看出。（1） 在P總確定的時候，當(dāng)激光發(fā)光穩(wěn)定的時候，我們發(fā)現(xiàn)，激光的輸出功率與激光器的工作電流有關(guān)。（2） 在不同的P總的時候，激光器的輸出功率與激光器的工作電流的變化是不一樣的。當(dāng)P總比較大的時候，激光器的輸出功率隨這工作電流的增大而減小；當(dāng)P總