实验五he-ne激光器放电条件的研究

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1、实验五He-Ne激光器放电条件的研究物理学院物理系00004037贾宏博同组人：00004038孙笑晨1实验目的1.1通过He-Ne激光器的制作过程，进一步了解He-Ne激光器的工作原理和放电条件对激光输出功率的影响。1.2进一步熟悉真空的获得、测量和充气技术。2实验原理2.1激光器由三部分组成：2.1.1工作介质。He-Ne激光器的工作介质是Ne原子。2.1.2谐振腔。谐振腔的端面反射镜要求严格平行且反射率高，以保证激光在谐振腔内多次反射损失能量较少。本实验采用多层镀ZnS/MgF2膜的光学玻璃作反射镜，为平面镜，反射率，为凹球面镜，曲率半径

2、1m，反射率。2.1.3激励源。气体激光器（He-Ne、CO2）必须通过适当的放电条件才能获得激光输出。2.2激光器工作的三个必要条件：2.2.1粒子数翻转条件。原子（或分子、离子、激子）的某两个能级之间存在受激跃迁和逆向的受激吸收过程，上能级每个量子态的粒子数大于下能级对应粒子数，称粒子数翻转条件。He原子亚稳态与基态Ne原子碰撞的共振激发可以实现Ne原子的—粒子数翻转。2.2.2谐振腔选模条件。谐振腔内只有波长满足当光在腔内走一个来回的相位改变是的光才能干涉加强。若为介质折射率，为腔长，则选模条件为（q为整数）（5-1）也可表示为（5-1’

3、）称纵模频率。相邻两个纵模频率之差为，称纵模间隔，与q无关。谐振腔的谐振频率中只有落在原子的荧光辐射谱线宽度内并满足阈值条件的那些频率才能形成激光。本实验所使用的He-Ne激光器的6328A谱线可能存在2-3个纵模。2.2.3正反馈放大条件。考虑到光在谐振腔中来回反射会有损耗，只有在以下条件满足才能得到稳定输出的激光：（5-2）51实验器材内腔式He-Ne激光器，毛细管直径。机械泵——扩散泵真空系统。He、Ne气。激光功率计。2实验方法和内容2.1用机械泵和扩散泵使整个系统获得真空度同时进行检漏。漏气率，即，考虑整个实验的时间约为2h，而工作压

4、强主要在torr量级，故漏气率可以忽略。关闭U型管的顶部连通阀。2.2配气。2.2.1利用Ne气测量两腔室体积比。先隔离和，将充一定量的Ne气，用U型管测出压强，然后打开阀门连通和，测出压强。设温度近似不变，由玻——马定律可得，。U型管使用密度为的硅油，压强换算关系为。33.707.5020.9923.2018.204.014.24表5-1两腔室体积比的测定2.2.2将两腔室抽空之后充入He气，测压强。然后抽空，并适当充入Ne气，测。连通和，得到混合气。计算He/Ne原子比例35.305.5023.8829.7011.4014.676.90表5

5、-2He/Ne气体配比2.3通过抽—连通的方法逐渐减小，并测量激光功率与放电电流的关系。4.3.19.08.07.57.06.56.05.55.00.010.010.050.10.20.250.310.394.54.03.53.02.52.01.751.50.430.470.50.510.520.50.470.44表5-3-1下激光功率与放电电流的关系。54.3.210.09.59.08.07.57.06.56.05.50.010.10.20.250.320.40.50.530.555.04.54.03.53.02.52.01.750.580.

6、560.540.510.490.430.330.3表5-3-2下激光功率与放电电流的关系。4.3.319.018.017.016.015.014.013.012.011.00.050.10.180.230.260.290.330.360.37109.08.07.06.05.04.03.53.00.390.40.410.410.40.370.330.310.27表5-3-3下激光功率与放电电流的关系。4.3.425.020.015.014.013.012.011.010.00.0060.0270.0650.0730.0810.0890.0950.

7、1069.08.07.06.05.04.03.50.1050.1080.1150.1230.1180.0970.07表5-3-4下激光功率与放电电流的关系。图5-1不同压强下激光功率和电流的关系51实验结果和分析本实验在He/Ne气体比为6.9:1下进行。图5-1给出不同压强下激光功率和电流的关系。1.1气体总压强一定。放电电流从某个开启值逐渐升高，激光功率也随之升高，达到一个最大值，即最佳电流。然后激光功率随着放电电流的继续升高反而下降，最后会趋于某个饱和值。这是因为处于亚稳态的He原子密度在小的放电电流下随电流近似线性的增大，当放电电流进一

8、步增大，亚稳态上的He原子有饱和的趋势。Ne原子的能级上原子密度亦有相似的规律。饱和趋势造成的原因是：当电流太大时，电子与亚稳态He原子碰撞把He原子