实验二1放电管的增益特性研究讲义.docx

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实验二1放电管的增益特性研究讲义

气体激光器放电管增益特性研究实验

实验讲义

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气体激光器放电管的增益特性研究实验

本实验根据光谱线的自发发射强度依赖上能级粒子数的关系，用单色仪-光电记录系统测量He-Ne放电管中（无谐振腔）Ne原子的3S2和2P1，2P2，2P3···，2P10等各能级的相对粒子数。

利用已知的自发发射系数Aij的数据，求出各条激光线的相对增益比，从而可分析有关谱线出现激光振荡的可能性。

或者是在放电管两端加上谐振腔，或者是用带有色散棱镜的谐振腔系统，选择使某条激光谱线振荡，观察激光谱线能级粒子数差随腔内激光强度增加而饱和的现象。

一、实验原理

1.与He-Ne激光有关的能级结构和跃迁过程

与产生氦氖激光有关的能级结构和跃迁过程有图3-1所示，在图的左边给出氦的三个与本实验有关的能级。

氦原子内部有两个电子，在基态时电子组态为1s1s，基态能级为11S0，当氦原子从外界获得能量使其中一个1s电子激发到2s态时，电子组态改变为1s2s，相应的原子激发态有两个，分别由能级23S1和23S0表示。

以上三个能级是氦原子态能量最低的。

同时又是偶态，它们之间不能产生辐射跃迁，只能通过与电子或其他原子碰撞才能改变原子状态。

所以氦原子的23S1和21S0都是亚稳态，它们的能级寿命都比较长，处于23S1能级的原子寿命约为10-4s，处于21S0能级的原子寿命约为5×10-6s，基态氦原子主要靠电子碰撞到达这两个激发态。

图3-1中右方给出氖原子的有关能级。

氖原子内部有十个电子，在基态时电子组态为，1s22s22p6，正好填满第一和第二壳层，基态能极为1s0是偶态。

当氖原子从外界获得能量使其中一个2p电子激发到3s或3p或更高的电子态时，相应的电子组态改变为1s22s22p53s或1s22s22p53p或……。

图中给出与激光有关的较低的五个激发电子组态。

在每组能级下方给出相应的简写电子组态符号，如（2p53s），（2p53p）等。

电子组态为（2p5ns）（n=3,4,5）是奇态，均由四个能级组成。

电子组态为（2p5np）（n=3,4）是偶态，均由十个能级组成。

氖原子的激发态能级通常用帕邢（Paschen）符号表示。

如（2p53s）四个能级的帕邢符号为2p1,2p2,2p3,2p4,2p5,2p6,2p7,2p8,2p9,2p10。

其他类推。

帕邢符号右下方脚标只是能级代号。

与实验有关的能级跃迁在本文后的表3-1中给出。

由图3-1可见，氦的激发态23s1和21s0分别与氦的激发态2s2，3，4，5和3s2，3，4，5能量非常接近。

处在上述激发态的氦原子与激发态氖原子发生非弹性碰撞，把能量转移给氖原子。

由于这种能量共振转移有很大的碰撞截面（约10-16~10-17cm2量级，比电子直接激发碰撞截面大2~3个量级），使氖的2s2，3，4，5态和3s2，3，4，5态的激发速率大大加强，并且成为氖原子获得粒子数反转的主要激发机制。

再看处于2p1,2,3……10态和3p1,2,3……10态的氖原子消激发过程，主要通过自发辐射跃迁到1s2,3,4,5态.其中1s3和1s5是亚稳态，只有另两个能级1s2和1s4允许跃迁到基态，但它们的自吸收很强，相当于延长了这两个能级的寿命。

若1s2,3,4,5态积累过多的原子就会通过与电子碰撞或吸收光子使处于1s2,3,4,5态的原子激发到2p1,2,3……10态和3p1,2,3……10态上去，不利于2p1,2,3……10态和3p1,2,3……10态的粒子数减少。

人们发现，1s2,3,4,5态的消激发过程可以通过与管壁碰撞把能量放出后回到基态，这就是所谓的管壁效应。

He-Ne激光器都是采用较细的毛细管放电。

管壁效应有利于2p1,2,3……10态和3p1,2,3……10态粒子数抽空。

在放电管中适当选择氦氖气体的比例、总气压、放电电流和放电管内径等条件，就能在3s2态与3p1,2,3……10态之间、3s2态与2p1,2,3……10态之间、2s2,3,4,5态与2p1,2,3……10态之间形成粒子数反转。

在放电管两端加上适当的谐振腔就可以实现激光震荡。

在He-Ne激光器中最常见的功率最强的激光波长有3.39μm,1.15μm,6328埃三条谱线。

它们对应的跃迁能级分别为3s2—3p4,2s2—2p4,3s2—2p4.由于3.39μm，1.15μm的辐射在红外波段，实验条件与可见光波段有所不同，但实验原理和方法与可见光波段是相同的。

本试验选择了具有典型性又便于观察的波长在可见光范围的谱线进行研究，测量由3s2到2p1，2p2，2p3……2p8，2p10九对允许跃迁能级间的翻转粒子数差及相对增益系数比（3s2到2p9的跃迁是违禁的）。

注意3.39μm与6328埃的辐射来自同一个上能级3s2，而且3.39μm激光的增益系数比后者高出两个数量级，所以在可见光波段3s2—2p1,2,3……8，10九对能级中实现激光震荡时，需要采取多种措施消除或抑制3.39μm受激辐射的影响。

通常采用的办法有：

在腔内插入色散棱镜使3.39μm激光失谐；沿毛细管轴线加上不均匀磁场，由于3.39μm的增益线宽只有6328埃增益线宽的五分之一，不均匀磁场使增益线宽加宽、增益下降，对3.39μm的影响显著；在谐振腔中加入对3.39μm有吸收作用的物质，如甲烷吸收；使谐振腔的反射膜在3.39μm处消反射；等等，均能增加3.39μm的损耗。

2增益系数

根据激光原理，我们知道在介质中某一对能级的增益系数为

（3-1）

其中N2,N1各表示上、下能级单位体积中的粒子数（以下简称粒子数），g1,g2各表示上、下能级的统计权重，c/n是介质中的光速，hv是发射光子能量，g（v）是发射谱线的线型函数因子，B21是能级2到能级1的受激发射系数，B21与自发发射系数A21有以下关系

（3-2）

由于气体原子的谱线线宽很窄，6328埃的增益线宽只有0.02埃，而实验中所用测量仪器（单色仪）的极限光谱宽度略小于1埃，比被测线宽大几十倍。

实际上无法分辨被测线型，只能测量线型分布的总和。

线型函数因子有归一化性质

（3-3）

把（3-2）式和（3-3）式代入（3-1）式，用波长λ代替原式的V得

（3-4）

由此可见，不考虑线型函数的影响，增益系数G（λ）与上、下能级粒子数差成正比，与能级间的自发发射系数A21成正比，与波长的二次方成正比。

3、光谱线强度与能级粒子数的关系

满足辐射跃迁选择定则的两能级E1与E2之间，其自发辐射光谱线的强度I21有下列关系

（3-5）

N2为上能级粒子数。

由（3-5）式可见，光谱线的自发辐射强度只与上能级粒子数成正比，而与下能级粒子数无关。

如果已知光谱线的自发发射系数A21，通过测量该谱线的自发发射强度，用下式即可求得该谱线上能级的粒子数N2，即

（3-6）

（3-6）式成立的条件需考虑光源是光学薄的，即由原子发射的每个光子都能从光源溢出而不被处在下能级的原子重新吸收。

自吸收通常在下能级是基态或亚稳态时才是重要的。

前面已经提到氖的1S3和1S5是亚稳态，其自吸收对某些谱线造成的影响在实验中能被观察到。

二、试验装置

（1）He-Ne多谱线激光器

一台He-Ne多谱线激光器。

可调节腔内三棱镜的方位，用于选择不同波长的激光震荡。

放电毛细管长100cm，内径0.22cm,氦氖气体配比为5：

1，总气压为250Pa，激励用直流稳流电源，放电电流从12~20Ma可调，电流稳定度优于百分之一。

（2）WSD-6多通道光栅单色仪

光栅光谱仪的主要功能是将入射的复合光变成单色光射出，再通过光电采集送入计算机进行数据分析。

也可以选加样品池进行精度要求不高的样品透过、反射率测量。

光栅单色仪入射狭缝宽度和出射狭缝宽度调节（0.01～2.0mm连续可调）。

可根据接收单元特性设定相关高压、增益、积分时间等测量参数。

此光栅单色仪波长范围300-900nm，光栅条数1200（L/mm）f=500，波长精度0.4nm,波长重复性0.2nm,杂散光≤0.3%。

光学系统原理图如图2。

M1准光镜、M2物镜、M3转镜、G平面衍射光栅、S1入射狭缝、通过旋转M3选择出射狭缝S2或S3从而选择同的接收器件类型。

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0～2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M1的焦面上，通过S1射入的光束经M1反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M2成像在S2上，或经物镜M2和平面镜M3成像在S3上。

电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系统、A/D转换系统和光源系统等部分组成。

电源系统为仪器提供所需的工作电压；接收系统将光信号转换成电信号；信号放大器系统包括前置放大器和放大器两部分；A/D转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理；光源系统为仪器提供工作光源，可选氘灯、钨灯、钠灯、汞灯等各种光源。

WDS系列组合式多功能光栅光谱仪的控制和光谱数据处理操作均由计算机来完成。

软件系统主要功能有：

仪器系统复位、光谱扫描、各种动作控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理、光谱数据的各种计算等。

三、实验内容及要求

1、单色仪波长示值的校准

用氘灯谱线校准

光栅光谱仪由于运输过程中震动等各种原因，可能会使波长准确度产生偏差，因此在第一次使用前可用已知的光谱线来校准仪器的波长准确度。

在平常使用中，也应定期检查仪器的波长准确度。

具体方法如下：

利用氘灯的两根谱线的波长值（标准值为486.0nm和656.1nm）来进行校准仪器。

根据能量信号大小手工调节入射狭缝和出射狭缝，扫描氘灯光谱。

然后可通过零点波长校正项对系统波长进行校正，点击确定即可完成校正。

2、记录He-Ne放电管的自发发射光谱

先选取分段测量，记录波长范围从550~780nm，得到谱线分布。

再将中心波长设定在有光谱分布的波长值，分别记录波长和光强值，较弱的谱线除外。

序号

波长

自发发射系数AIJ

相对强度

1

2

3

4

5

6

3、观察激光光强与放电电流的关系

稳流激光电源电流的变化范围从10mA到30mA。

在不同放电电流条件下，可以观察到激光器输出的光相对强度随放电电流的变化而变化，记录其数值可得出激光谱线最佳输出功率的电流值。