He-Ne激光器的最佳放電條件

1、He-Ne激光器的最佳放電條件趙海燕實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2015年3月13口上午8點(diǎn)到下午1點(diǎn)摘要本實(shí)驗(yàn)利用機(jī)械泵、擴(kuò)散泵對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行抽真空處理，然后把氨氣和氛氣按照一定的比例混合，通電流產(chǎn)生激光，并通過(guò)改變氨氛配比、改變電流的人小、改變總電壓的人小測(cè)量輸出的激光的功率，找出激光的最佳放電條件，只有氛氣，激光器沒(méi)有激光輸出；相同電流條件下，總壓強(qiáng)為3.6cm硅油柱左右激光輸出功率最人：總壓強(qiáng)減小過(guò)程中，最人輸出功率對(duì)應(yīng)的電流在增人.關(guān)鍵詞氨氛激光器、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、配比、總氣壓、電流引WHe-Ne激光器是以He-Ne混合氣體為工作物質(zhì)，采用放電激勵(lì)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)、氣

2、體的配比、放電電流)等有密切關(guān)系研究他的放電條件對(duì)于制作和使用He-Ne激光器來(lái)說(shuō)都是非常重要的.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)配置還來(lái)激光器的工作氣體，研究放電條件對(duì)激光輸出功率的影響,從而進(jìn)一步了解氨氛激光器的工作原理和最佳放電條件，掌握真空與充氣技術(shù).實(shí)驗(yàn)原理一、硬件構(gòu)成1激光器的構(gòu)成激光器由工作物質(zhì)、諧振腔、激勵(lì)源三部分組成諧振腔由兩個(gè)反射鏡組成，放電管中央為毛細(xì)管，毛細(xì)管的增益系數(shù)正比于毛細(xì)管的長(zhǎng)度，反比于它的直徑，但因要保證實(shí)驗(yàn)操作的簡(jiǎn)單和毛細(xì)管準(zhǔn)直不能將管做得太細(xì)：毛細(xì)管周I制是儲(chǔ)氣管，用于穩(wěn)定毛細(xì)管內(nèi)的氣壓和激光器的輸出功率與延長(zhǎng)其壽命，并且起到連接毛細(xì)管和反射鏡的作用；儲(chǔ)氣管的兩端是電極，為了避

3、免輝光放電引起的陰極濺射和蒸發(fā)的負(fù)面影響，一般采用鋁做陰極、鉤做陽(yáng)極；采用直流電源激勵(lì)產(chǎn)生激光.2抽真空器件(1)機(jī)械泵機(jī)械泵的工作原理如圖1所示，機(jī)械泵主要由圓柱空腔定子、偏心轉(zhuǎn)子、旋片、彈簧、頂蓋和排氣閥等零件組成偏心轉(zhuǎn)子的頂端始終保持與泵體定子內(nèi)腔接觸，當(dāng)偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，始終沿定子的內(nèi)壁滑動(dòng)轉(zhuǎn)子上開(kāi)有兩個(gè)滑槽，分別安裝一個(gè)旋片，中間有一個(gè)彈簧，當(dāng)旋片隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，借助彈簧張力和離心力，使兩旋片緊貼在定子內(nèi)壁滑動(dòng)，兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所I制成的月牙形空間分隔成三個(gè)部分，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與進(jìn)氣門(mén)相通的空河A的容積不斷地增人，A空問(wèn)的壓強(qiáng)不斷地降低，當(dāng)A空河內(nèi)的壓強(qiáng)低于被抽容

4、器內(nèi)的壓強(qiáng)，被抽的氣體不斷地被抽進(jìn)吸氣腔A,隨著定子的旋轉(zhuǎn)，A部分的體積減小壓強(qiáng)增人,從而推開(kāi)排氣II的閥門(mén)而單向排出氣體.圖1機(jī)械泵工作流程圖（2）擴(kuò)散泵泵油用規(guī)定電爐加熱，產(chǎn)生高壓蒸汽沿三個(gè)同心的導(dǎo)管上噴并在噴II處彼高速折返噴出，使周圉壓強(qiáng)降低，附近氣體即向噴II處擴(kuò)散，從而被吸入并隨油蒸汽一起向下運(yùn)動(dòng)，油蒸汽被冷卻水套冷卻，結(jié)成油滴回到泵底，空氣分子集結(jié)到出氣II被機(jī)械泵抽走.3真空測(cè)量器件（1）熱偶規(guī)熱偶規(guī)內(nèi)部中心器件是熱電偶，由于加熱絲內(nèi)通有恒定電流，內(nèi)部氣體熱導(dǎo)率隨壓強(qiáng)變化，加熱絲的溫度也隨壓強(qiáng)變化，經(jīng)過(guò)定標(biāo)后找到熱電偶電勢(shì)與壓強(qiáng)的關(guān)系，制成了真空計(jì).（2）電離規(guī)陰極燈絲發(fā)射電子

5、在柵極電場(chǎng)作用卞得到加速與氣體分子碰撞并使它電離，正離子飛向帶負(fù)電的收集極，離子流的人小與氣體壓強(qiáng)成正比，柵極電壓在100V-300V之間，收集極電位在-10V-50V之間.為了保護(hù)電離規(guī)，應(yīng)當(dāng)讓系統(tǒng)的壓強(qiáng)低于0.IPa以后才開(kāi)動(dòng).二、激光產(chǎn)生及其影響因素1激光的產(chǎn)生光與原子體系相互作用會(huì)發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收由于自發(fā)輻射的隨機(jī)性和服從玻爾茲曼分布，加上受激吸收的影響，要產(chǎn)生目標(biāo)波長(zhǎng)632.8nm的激光，需要使得氛的3s?和2卩4之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因?yàn)檠踉氐?5。和2鮎之間的能量差跟目標(biāo)波長(zhǎng)的能量很接近，于是用氨的共振轉(zhuǎn)移作用使得氛能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射產(chǎn)生頻率、偏振方向和

6、傳播方向與入射光子相同.2放電條件因?yàn)榉赵厥钱a(chǎn)生激光的元素，又需要氨元素的共振轉(zhuǎn)移作用，于是氣體配比影響著激光的輸出功率，試驗(yàn)中根據(jù)毛細(xì)管的粗細(xì)選擇配比為7:1：實(shí)驗(yàn)中混合氣體的總氣壓為5nun汞柱，本實(shí)驗(yàn)中選用硅油作壓強(qiáng)計(jì)，換算為6.8cm硅油柱；氣體總壓強(qiáng)也影響激光輸出功率，壓強(qiáng)太人會(huì)導(dǎo)致電子自由程變短達(dá)不到預(yù)期的共振轉(zhuǎn)移效呆，太小會(huì)使得分子密度小和電子自由程變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)共振轉(zhuǎn)移的幾率變小，總氣壓有最佳值；電流會(huì)調(diào)節(jié)亞穩(wěn)態(tài)的原子密度，從而對(duì)原子激發(fā)的概率影響較人，從而也存在著最佳放點(diǎn)電流.2配氣關(guān)閉高真空閥門(mén)，關(guān)閉閥門(mén)2：依次打開(kāi)、關(guān)閉閥門(mén)8、7和6,打開(kāi)下一個(gè)閥門(mén)前應(yīng)確保上一個(gè)閥

7、門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，并實(shí)時(shí)觀察硅油柱的高度，使得達(dá)到壓強(qiáng)P4,關(guān)閉閥門(mén)1;打開(kāi)高真空閥門(mén)，抽掉V2中的氛氣，再關(guān)閉高真空閥門(mén)，依次打開(kāi)和關(guān)閉閥門(mén)5、4、3,打開(kāi)下一個(gè)閥門(mén)前應(yīng)確保上一個(gè)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣重復(fù)多次，直到V2中的壓強(qiáng)到達(dá)P3；打開(kāi)閥門(mén)1,充分混合氨氣和氛氣，配氣工作結(jié)束.3測(cè)量打開(kāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量器材，改變加載電流測(cè)量激光的功率；抽掉一部分混合氣體改變總壓強(qiáng)，再次改變電流測(cè)量激光功率，畫(huà)曲線，抽氣時(shí)要關(guān)閉閥門(mén)1，并在高真空閥門(mén)露一小縫便立即關(guān)閉，以免實(shí)驗(yàn)中氣體跑得太快導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論總壓強(qiáng)等于6.8cm的硅油柱，混合后氧氣壓強(qiáng)為5.95cm硅油柱，氛氣壓強(qiáng)為0.85cm硅

8、油柱；由原理三，實(shí)驗(yàn)測(cè)得V2：V2=3：1,即得混合前氛氣在VI中壓強(qiáng)為1.2cm硅油柱，氨氣在V2中壓強(qiáng)為23.8cm硅油柱.根據(jù)原理三進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在只有氧氣的情況下激光器沒(méi)有激光輸出.混合氣體后，改變六次總壓強(qiáng)，并測(cè)量在不同電流卞激光輸出功率，可得如圖3所示的曲線，觀察曲線可得：不同總壓強(qiáng)下激光輸出功率隨電流變化曲線T-6.5cm硅油柱-5.3cm硅油柱-4.7cm硅油柱-3.6cm硅油柱-3.4cm硅油柱-2.5cm硅油柱電流/mAM2、褂斉畫(huà)來(lái)藝圖3不同壓強(qiáng)卜激光輸出功率隨電流的變化（1）相同電流條件下，輸出總壓強(qiáng)先增大到最人值后減小，3.6cm硅油柱左右激光輸出功率最大.這是因?yàn)樵趬簭?qiáng)

9、太人，導(dǎo)致粒子數(shù)密度太人，導(dǎo)致粒子間碰撞增強(qiáng)，但是自由程較短，導(dǎo)致目標(biāo)能級(jí)間的碰撞幾率變小，不利于激光的產(chǎn)生：當(dāng)壓強(qiáng)太小的時(shí)候，粒子數(shù)密度變小，粒子碰撞幾率變小，并且自由程變長(zhǎng)，導(dǎo)致目標(biāo)能級(jí)之間的碰撞幾率更加變小，因此存在一個(gè)最佳總電壓.（2）總壓強(qiáng)減小過(guò)程中，最人輸出功率對(duì)應(yīng)的電流在增人.電流對(duì)于亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)都是線性關(guān)系，但是增長(zhǎng)的關(guān)系不一樣，先是有利的人于不利的，然后隨著電流的增人，不利的影響更大，導(dǎo)致激光輸出功率的減小，當(dāng)壓強(qiáng)減小的時(shí)候，粒子間碰撞減小，所需的達(dá)到的飽和電流就増犬.操作小結(jié)：配氣過(guò)程還是最后減小壓強(qiáng)的操作中，若不是想要?dú)怏w完全抽真空，一定要關(guān)閉閥門(mén)2,且在高真空閥門(mén)露出小縫后便立即關(guān)閉，否則會(huì)導(dǎo)致氣體全部跑掉：打開(kāi)、關(guān)閉閥門(mén)操作應(yīng)使用雙手，一只手扶著，另一只手轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)；結(jié)論實(shí)驗(yàn)中采用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組合實(shí)現(xiàn)儀器的抽真空，用熱偶規(guī)和電離規(guī)組合測(cè)定真空條件，比較粗略進(jìn)行氨氛配氣產(chǎn)生激光，只冇氛氣情況卞，激光器沒(méi)有功率輸出；并測(cè)得在不同總壓強(qiáng)條件下激光輸出功率隨著電流變化的曲線圖，觀察曲線得出，相同電流條件卞，總壓強(qiáng)為3.6cm硅油柱左右激光輸出功率最人；總壓強(qiáng)減小過(guò)程中，最