旁 侧 光 谱 (修复的)

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1、旁侧光谱——研究He-Ne激光器的能级粒子分布指导教师：原如领实验日期：2011/4/18【摘要】本实验主要通过观测He-Ne激光器的等离子体的自发辐射光谱线、测量有激光输出时受激辐射谱线和有无激光输出时自发受激辐射是光谱线，得到各波峰的波长和与其对应的跃迁能级。通过计算得出3S2和2P4能级上实现了粒子数反转。借助锁相放大器分析有无激光输出时的光谱的微小变化。【关键词】He-Ne激光器旁侧光谱粒子数反转【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

2、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粒子数的分布情况.并学会利用光强法进行光谱分析，巩固利用锁相放大器对微小信号的测量方法。【实验原理】1、激光器激光器由三部分构成：工作物质、谐振腔、激励物质。激光器放电管内充有一定的He、Ne混合气体，谐振腔由两片反射镜组成，直流高压使放电管辉光放电在毛细管中产生等离子体。其中He原子被激发至亚稳态，在跃迁定则限制下He只能把能量通过碰撞传给Ne原子，使Ne处于激光上能级

3、，Ne的下能级衰变很快，由此造成高低能级粒子数反转，使两能级间产生受激辐射，可将光放大。2、与He-Ne激光器有关的能级跃迁激光跃迁发生在Ne原子能级之间，在形成激光有关的能级跃迁中，3能级在向10个3P能级跃迁中除去3P的跃迁不许可外，向其余九个能级的跃迁都是允许的。在这九个跃迁中，跃迁33P，33P的谱线较强。同样，32P的可能跃迁中，跃迁32P最强，在22P的可能跃迁中，22P最强。所以这三条谱线是He-Ne激光器中最强的激光谱线。图1、与He-Ne激光器有关的能级结构及跃迁示意图3、粒子数反转机制及激光跃迁放电管两极加几

4、千伏直流高压，将气体高度电离电子动能通过第一类非弹性碰撞转移至He原子使其跃迁至激发态。其中一些激发态由于不满足跃迁定则处于亚稳态（如He的和）.同理和之间的辐射跃迁也不能实现，同时更高能态的He原子也有相当一部分会回落至这两个亚稳态，这种亚稳态只能通过与其能量差很小的其它粒子发生第二类非弹性碰撞产生能量转移回到基态。实验中表现为He的两个亚稳态将能量转移至Ne使其激发到激光的上能级实现粒子数反转。4、光谱强度与能级粒子数的关系当激光管放电但无激光输出时，粒子数在Ne的激光上能级上高度聚集，这时激光的旁侧光谱就是通常在相同条件下

5、放电光谱，反映了3S能级向低能级自发辐射的跃迁情况。设满足选择定则的两个能级i和j间的自发辐射光谱强度为（1）实验测量系统最终记录的光强与成正比，比例系数：（2）当有激光输出时，旁侧光谱的强度发生变化，这是由于有关能级的粒子布居数发生变化。由于上粒子通过受激辐射产生激光输出，并以极大优势向跃迁，造成,,的三条旁侧光减弱。减弱使能级的粒子数减少，于是的自发辐射强度减弱.受激辐射使得，减少了的跃迁，也使得减弱。另一方面，造成粒子数大大增加，使以为上能级的跃迁加强。He-Ne激光器旁侧光谱的强度及其变化直接反映了Ne原子与激光跃迁相关

6、的能级上的粒子数分布及其变化。5、锁相放大技术He-Ne激光器工作在有激光输出和无激光输出的交替状态时，其旁侧光谱的强度的变化时很微小的，因此实验中通过锁相放大技术来测量这个微小的变化。锁相放大器利用信号和外加信号的相关特性，从噪声中提取有用的微弱信号。实验中的微弱信号和参考信号可以这样得到：将一斩波器放在谐振腔中，当斩波器一恒定的速度转动时，使激光交替的处于有激光输出和无激光输出的状态。将一个检测器放在激光器的输出端，即可得到一个频率一定的方波信号，作为参考信号。在有、无激光输出的周期性变化的情况下，旁侧光谱强度也周期性发生变

7、化，即也被调制成一定频率的方波。这个调制后的方波信号叠加在光电倍增管的噪声上一起作为待测信号输入前置放大器进行放大。由于方波信号的频率确定，利用带通放大器就可以经信号及其频率相同的噪声放大，并抑制其他频率的噪声。在信号进入前置放大器的同时，取出与待测信号同步的参考信号，经相移、整形后与带通放大器出来的信号进行混频，即用一个被调制的信号和一个同步的参考信号相乘，再通过积分器，用平均的方法将噪声除去，即可达到低噪声的直流信号，其大小正比于旁侧光谱的微小变化。【实验内容】1、使激光器处于无激光输出状态。倍增管输出的信号直接输入记录仪，

8、由于此时640.2nm谱线最强，扫描前应首先在该谱线的峰位处适当调节单色仪狭缝和记录仪量程以获得足够强的信号和尽可能高的分辨本领。2、使激光处于有激光输出状态，相同条件下再扫一次光谱。3、接通斩波器电源，光电池接受的周期变化的激光信号输出给锁相放大器参考信号输入