原子物理课件 第6节 原子的激发和辐射的一个实例-氦氖激光器
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
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2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
激光器件第2章原子气体激光器
因此综合来看，p的增大使增益达到最大值，随后p增加，增
益反而减小，即存在最佳总气压p，如图2.6所示。
第2章
原子气体激光器
图2.6 增益与充气气压的关系
第2章
原子气体激光器
3.
当总气压p一定时(pd一定)，改变氦氖气体混合比 pHe∶pNe，增益变化如图2.7所示。
第2章
原子气体激光器
图2.7 增益与充气混合比的关系
5 R3 R2 , R3 2 R2 , R3 1 R2 , R3 1 R2 4 3 7 3
(2-2)
第2章
原子气体激光器
1. 激光上能级3s2、2s2
1) 以适当能量的电子与基态氖原子碰撞，使其激发到2s、 3s态，反应方程为
Ne(1 S0 ) e Ne * (2s,3s) e
第2章
原子气体激光器
图2.4
632.8 nm谱线增益与放电电流的关系曲线
第2章
原子气体激光器
图2.5
3.39 μm谱线增益与放电电流的关系曲线
第2章
原子气体激光器
2.
通常情况下对四能级系统有，n3>>n2，Δn0≈n3， 当放电电流取最佳工作电流时增益为
K 0 Kn0 n1s04 K 0 K1 G K 0 n3 1 K2 ( Kn0 ) s4
其中氦气是提高泵浦效率的辅助气体，氖气是产生激光的物
质。氦氖激光器的基本结构由放电管、电极和光学谐振腔构 成，如图2.1所示。
第2章
原子气体激光器
图2.1 氦氖激光器的结构
第2章
原子气体激光器
2.1.2
氦氖激光器之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结 构决定的。 1s22s22p6，按LS耦 合，氖原子基态谱项为11S0。氖原子第一电离能为21.61 eV。
第二章 氦氖激光器
He（23S1、21S0）与Ne（2S、3S）能量非常接近， 很容易发生碰撞能量转移，且都是亚稳态，原子辐 射寿命较长，电子碰撞截面大，有利于选择激发Ne 到（2S、3S）能级。 He对Ne的选择性激发比电子直接碰撞激发的概大， Ne（3S2）对He共振能量转移激发依赖最大。可以认
为Ne（3S2）上的粒子是由He（21S0）能量转移激发。
2013-7-5
激光器件原理与设计
14
第二章 氦氖激光器
在电流逐渐增大、电子密度增 强的过程中，激光上能级的粒 子最初呈线性增长。随着电子 碰撞消激发加剧，粒子增长速
度减缓，最后达到饱和状态。
而激光下能级的粒子在此过程 中始终保持着线性增长的关系，
故而使粒子数反转值在某一放
电电流条件下，出现最大值。 从图中可看到，随放电电流变 化，增益 存在一个最佳值
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激光器件原理与设计
17
第二章 氦氖激光器
2.增益分布：增益沿放电管轴向分布均匀，径向分布不均匀
影响因素：放电电流、总气压和气体混合 比。 随电流增大，管轴中心出现增益饱和并下 降；电流继续增大，管壁附近出现增益下 降。 在一定电流下，气压增大，管轴中心出现 增益饱和并下降。这是因中心处Ne(1s)粒 子在气压较大时不易扩散到管壁碰撞弛豫， 导致Δ N减小，增益下降。 Ne增多，增益下降且径向分布加宽。
2013-7-5 激光器件原理与设计 1
第二章 氦氖激光器
(3) 输出稳定：功率稳定性达到30秒内的误差为0.005%, 十分钟内的误差为0.015％。 (4) 可见光输出。 适用于：精密测量、检测、准直、导向、水中照明、信息 处理、医疗等 。 1.2.1 He-Ne激光器工作原理 一、He-Ne激光器工作物质能级特点 He-Ne激光器是混合气体器件，Ne为产生激光的物质， He是辅助气体，用来提高Ne泵浦效率 。
氦氖激光器工作原理
氦氖激光器工作原理
氦氖激光器是一种常见的气体激光器，它的工作原理基于氦氖混合气体在高电压的电场作用下产生激发态。
具体工作原理如下：
1. 激发氦气：氦氖激光器中的氦气通过电偶极矩的转变，由基态转变为激发态。
这是通过导电放电产生的电流传导能量的一种过程。
2. 能级跃迁：激发态的氦原子在经过短暂的存在后，会通过受激辐射的过程，跃迁到一个相对较低的能级。
在这个跃迁的过程中，会释放出光子。
3. 推进跃迁：激发态的氖原子在经过短暂的存在后，也会通过受激辐射的过程，跃迁到一个较低的能级。
在这个过程中，氖原子也会释放出光子。
4. 辐射耦合：氦氖激光器中的氮气分子起到了重要的作用，它们能够从氦原子和氖原子的跃迁中吸收光子，然后再通过碰撞的方式将能量传递给氦原子和氖原子，使它们能够持续地进行激发态和辐射的跃迁。
5. 碰撞放电：在氦氖激光器中，在辐射耦合的作用下，氦和氖形成的混合气体离子会通过电场的作用发生运动。
这个过程中，离子会与其他原子或离子进行碰撞，并将能量传递给它们。
这种碰撞放电的过程能够维持激发态的产生和能级的跃迁。
6. 光放大：在上述的过程中，产生的光在两个镜子之间的光学腔中来回反射。
其中一个镜子是完全反射镜，而另一个镜子是部分透射镜。
由于部分透射镜的存在，一部分的光能够逃逸出来，形成激光输出。
通过上述的工作原理，氦氖激光器能够产生出较为稳定和高功率的红光激光。
它在医疗、科研、显示技术等领域有广泛的应用。
He-Ne激光器的旁侧光谱
He-Ne 激光器的旁侧光谱一、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有关能级粒子数的分布情况。
了解用光强法进行光谱分析的原理和方法，并学会使用锁相放大器对微小信号进行测量。
二、实验原理1． 概述激光器由三部分组成：工作物质，谐振腔和激励能源。
根据使用要求的不同，有各种具体的结构形式。
图8-3-1是外腔式He —Ne 激光器的示意图。
R 1，R 2为镀有多层介质膜的反射镜，其中一块为部分透射，它们组成谐振腔。
A 为气体放电管，内部充有一定总气压和一定He 、Ne 混合比的气体为工作物质。
D 1为阳极，D 2为阴极，与直流高压电源相接。
电源电压通过阳极钨棒和阴极铝筒加到放电管两端，形成气体辉光放电，在毛细管中产生等离子体。
等离子体中处在激发态上的氖原子是激光工作物质，它们发生受激辐射时起光的增益放大作用。
由放电管两端的高反射膜板的反射提供光学反馈形成振荡，并从部分透射端输出，得到所需要的激光。
用受激辐射将光放大，必须使高能态的粒子数多于低能态的粒子数，即实现上、下能级间的粒子数反转。
He —Ne 激光器是通过原子碰撞实现粒子数反转的。
在放电管中充以一定比例的He 、Ne 混合气体，直流放电将He 激发至亚稳态。
由于跃迁选择定则的限制，被激发的He 只能通过碰撞将激发能转移给Ne ，使Ne 处于激光上能级，而Ne 的激光下能级衰变很快，由此造成高、低能态之间粒子数反转。
使两能级间产生受激辐射，即可将光放大。
与He —Ne 激光器有关的能级结构及跃迁情况如图8-3-2所示。
图中，用符号n L S J 21+表示He 原子的能级，采用一般激光理论中常用的帕邢(Paschen)符号标记Ne 原子能级，它是一种经验符号。
氦氖激光器
氦氖激光器1．氦氖激光器的结构氦氖（He-Ne）激光器的结构一般由放电管和光学谐振腔所组成。
激光管的中心是一根毛细玻璃管，称作放电管（直径为1mm左右）；外套为储气部分（直径约45mm）；A是钨棒，作为阳极；K是钼或铝制成的圆筒，作为阴极。
壳的两端贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜，构成平凹谐振腔。
两个镜版都镀以多层介质膜，一个是全反射镜，通常镀17层膜。
交替地真空蒸氟化镁（MgF2与硫化锌（ZnS）。
另一镜作为输出镜，通常镀7层或9层膜（由最佳透过率决定）。
毛细管内充入总气压约为2Torr（托）的He、Ne混合气体，其混合气压比为5：1－7：1左右。
内腔管结构紧凑，使用方便，所以应用比较广泛。
但有时为了特殊的需要也常选用全外腔式或半外腔式。
全外腔式的放电管和镜片是完全分离的，半外腔式是上两种形式的结合。
外腔式和半外腔式都需要粘贴布儒斯特片，窗片法线与激光光轴有一夹角，应等于布儒斯特角θ：θ=tg-1nK8玻璃对632.8nm激光n=1.5159；θ=56°35＇；熔融石英n=1.46；θ=55°36＇。
因此，全外腔式和半外腔式激光器输出的光束是电矢量平行于入射面的线偏振光。
2．氦氖激光器激发机理氦氖激光器中工作物质是氦气和氖气，其中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。
产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光，主要有632.8nm、1.15um 和3.39um三个波长。
氦原子有两个亚稳态能级21S0、23S1，它们的寿命分别为5×10-6s和10-4s，在气体放电管中，在电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发到21S0、23S1，此两能级寿命长容易积累粒子。
因而，在放电管中这两个能级上的氦原子数是比较多的。
这些氦原子的能量又分别与处于3S和2S态的氖原子的能量相近。
处于21S0、23S1能级的氦原子与基态氖原子碰撞后，很容易将能量传递给氖原子，使它们从基态跃迁到3S和2S态，这一过程称能量共振转移。
§2.2 氦氖激光器
He
10 s
−4 −2
Ne
振 移 共 转
3S(2p55s)
21 s0
> 10−6 s
3.39µm
3P（ p54p） −8 s 2 10
10 s
23 s1
> 10−6 s 2S(2p54s) 共 转 振 移
632.8nm
2P(2p5 3p) −8 s 10
1. 辐 (667.8 609.6 、 、 594.4n ) m
2
3.泵浦 泵浦 由于气体工作物质吸收谱线宽度小， 由于气体工作物质吸收谱线宽度小 ， 不宜采用发射连 续谱的非相干光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。 续谱的非相干光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。 在放电过程中， 在放电过程中 ， 受电场加速而获得了足够动能的电子 与粒子碰撞时， 将粒子激发到高能态， 与粒子碰撞时 ， 将粒子激发到高能态 ， 在某一对能级间形 成了集居数反转分部。 成了集居数反转分部。 还可以采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦。 还可以采用化学泵浦、热泵浦和核泵浦。 化学泵浦 4.应用 应用 与其它种类的激光器比较， 与其它种类的激光器比较 ， 气体激光器的突出优点是 输出激光的质量好。 因此， 输出激光的质量好 。 因此 ， 气体激光器在各个领域得到了 愈来愈多的应用。 愈来愈多的应用。
3
一、氦—氖(He-Ne)激光器的结构 氖 激光器的结构 1.He-Ne激光器特点 激光器特点 (1)He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器 激光器是最早研制成功的气体激光器(1960年末 。 年末)。 激光器是最早研制成功的气体激光器 年末 是最典型的惰性气体激光器。 是最典型的惰性气体激光器。 (2)He-Ne激光器输出的激光是连续光。 激光器输出的激光是连续光。 激光器输出的激光是连续光 (3)输出谱线多。从可见光到红外多条激光谱线。最强的是 输出谱线多。从可见光到红外多条激光谱线。 输出谱线多 632.8nm、1150nm和3390nm三条谱线。目前又获得橙光 、 三条谱线。 和 三条谱线 目前又获得橙光 (612nm)、黄光 、黄光(594nm)、绿光 的激光输出。 、绿光(543nm)的激光输出。 的激光输出
氦氖激光原理实验报告
一、实验目的1. 了解氦氖激光器的原理及结构；2. 掌握氦氖激光器的工作原理和产生过程；3. 熟悉氦氖激光器的应用领域；4. 通过实验验证氦氖激光器的工作原理。
二、实验原理氦氖激光器（He-Ne激光器）是一种气体激光器，主要由氦气和氖气混合气体作为工作物质。
在放电管中，当氦气和氖气被电离后，氖原子在外加电场的作用下，由基态跃迁到激发态，然后通过受激辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光子，从而产生激光。
氦氖激光器的工作原理如下：1. 氦气和氖气在放电管中混合，形成等离子体；2. 在外加电场的作用下，电子从阴极向阳极运动，与氦原子发生碰撞，将氦原子激发到激发态；3. 激发态的氦原子通过碰撞将能量传递给氖原子，使氖原子跃迁到激发态；4. 激发态的氖原子通过受激辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光子，形成激光。
三、实验仪器与材料1. 氦氖激光器；2. 光谱仪；3. 光电探测器；4. 放大器；5. 计时器；6. 计算器；7. 实验台；8. 实验指导书。
四、实验步骤1. 将氦氖激光器放置在实验台上，确保激光器稳定；2. 连接光谱仪、光电探测器和放大器，设置好相应的参数；3. 打开氦氖激光器，观察放电管中的光束输出情况；4. 通过光谱仪测量激光器的输出波长；5. 通过光电探测器测量激光器的输出功率；6. 记录实验数据，进行分析和讨论。
五、实验结果与分析1. 实验过程中，氦氖激光器的输出波长为632.8纳米，符合理论值；2. 通过光电探测器测量，激光器的输出功率约为5毫瓦，符合理论值；3. 在实验过程中，观察到放电管中的光束输出稳定，无明显的跳模现象。
实验结果表明，氦氖激光器能够产生特定波长的激光，输出功率稳定，符合理论预期。
六、实验结论1. 氦氖激光器是一种气体激光器，通过氦气和氖气混合气体在外加电场的作用下产生激光；2. 实验结果表明，氦氖激光器能够产生稳定、高单色性的激光，输出功率符合理论值；3. 本实验验证了氦氖激光器的工作原理，为进一步研究和应用提供了基础。
氦-氖激光器简介
氦-氖(He-Ne)激光器摘要：本文介绍了He-Ne激光器的工作原理，结构及谐振腔，He和Ne原子的能级图，He-Ne激光器的速率方程，激发过程和输出特性，影响其寿命的因素，并简单介绍了其应用和优点。
关键词：He-Ne激光器；激发原理；结构及谐振腔；速率方程；激发过程；输出特性；寿命一．氦-氖(He-Ne)激光器简介气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器。
由于气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。
气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好。
但由于气体的激活粒子密度远较固体为小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，因此气体激光器的体积一般比较庞大。
由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。
在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，因而在某一对能级间形成了集居数反转分布。
除了气体放电泵浦外，气体激光器还可采用化学泵浦，热泵浦及核泵浦等方式。
He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。
在可见及红外波段可产生多条激光谱线，其中最强的是632.8nm,1.15μm和3.39μm三条谱线。
放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长（1~2）m的激光器输出功率可达数十毫瓦。
由于它能输出优质的连续运转可见光，而且具有结构简单、体积较小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、精密计量等方面得到广泛应用。
二．氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。
氦氖激光原理
氦氖激光原理氦氖激光是一种常见的气体激光，其原理基础于氦氖原子的能级结构和跃迁特性。
在氦氖激光器中，氦氖气体被激发至激发态，然后通过受激辐射产生一种特定波长的激光。
下面将详细介绍氦氖激光的原理。
1. 氦氖原子的能级结构。
氦氖原子的能级结构是氦氖激光产生的基础。
氦氖原子的基态为1s2 2s2 2p6，最外层电子为2p6。
氦氖原子的第一激发态为2s2 2p5，能级较低，激发态电子数目较多，容易实现粒子数反转。
这为氦氖激光的产生提供了可能性。
2. 跃迁特性。
氦氖原子的能级结构决定了其跃迁特性。
在氦氖激光器中，氦原子的激发态电子受到外界能量激发后跃迁至基态，同时释放出光子。
这些光子具有特定的波长和相干性，形成了氦氖激光。
3. 受激辐射。
受激辐射是氦氖激光产生的关键过程。
在氦氖激光器中，氦氖原子的激发态电子受到外界光子的激发后跃迁至基态，同时释放出与外界光子同相位、同频率、同方向的光子。
这些光子与外界光子相互放大，最终形成了激光。
4. 激光放大。
在氦氖激光器中，激光通过光学共振腔的多次反射和通过氦氖气体的多次通过，得到放大和增强。
这样，原本微弱的激光信号被放大成为强光束，形成了可用于实际应用的氦氖激光。
5. 激光输出。
经过激光放大后，氦氖激光通过输出镜的反射，最终形成了输出激光束。
这束激光具有特定的波长、相干性和方向性，可以用于实际的实验和应用中。
综上所述，氦氖激光的原理基础于氦氖原子的能级结构和跃迁特性，通过受激辐射和激光放大，最终形成了输出激光。
氦氖激光具有单色性好、光束质量高、波长稳定等特点，在医疗、测量、通信等领域有着广泛的应用前景。
希望本文能够帮助读者更好地理解氦氖激光的原理和特性。
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N2 exp( E2 E1 ) exp( h )
N1
kT
kT
k 1.381023 J K 1 称为玻耳兹曼常数
正常情况下， N2 < N1 。 粒子数反转： N2 > N1 ，此时受激辐射占主导地位。 实现粒子数反转的条件：激励和亚稳态
三、氦氖激光器
① 通过电子与氦原子的碰撞，将氦原子激发到两个亚稳态： 1s2s( 0S1 )和1s2s( 3S1 )，处于亚稳态的氦原子不会自发辐 射。氖原子的两个激发态：2p55s和2p54s与氦原子的两个 亚稳态相当接近。
h n,m
En
Em
h n,m h n,m
h nm En Em
激光是通过受激辐射来实现光放大的。光与原子相互作 用时，总是同时存在吸收、自发辐射与受激辐射三种过 程，不可能只存在受激辐射过程。在什么样的条件下， 受激辐射占主导地位？
二、粒子数反转
设处于低能级的原子数为N1，处于高能级的原子数为N2，热 平衡状态下，粒子数密度按能量的分布遵从玻耳兹曼定律：
⑤ 光学共振腔：氖原子朝不同方向放出光子时只有沿轴向 的光子在腔体中经过多次反射，来回振荡，不断放大。
氦氖的能级图
§5.6 氦氖激光器
一．光与原子的相互作用 1．受激吸收：原子在光子的作用下发生的能量吸收过程。
En
h n,m
Em
吸收光子的能量： h nm En Em
2．自发辐射：原子自发地从高能级跃迁到低能级而放出 光子的Hale Waihona Puke 程。Enh n,m
Em
发射光子的能量： h nm En Em
3．受激辐射：原子在外来光子的刺激下，从高能级跃迁 到低能级，同时放出一个与外来光子同频率同方向同相位 同偏振态光子的过程。
② 处于亚稳态的氦原子与基态氖原子碰撞释放能量回到基态， 并将氖原子氖原子激发到激发态2p55s和2p54s上。
③ 氖原子的两个激发态与其较低能级的其它激发态形成粒子 数反转。
④ 最强的三组受激辐射：
2p55s2p54p： 3.39m 2p55s2p53p： 632.8nm 2p54s2p53p： 1.15m