氦氖激光器的配气及特性研究-中山大学物理学院2016

N 1 n1
本实验中：K=12.26+0.06， N V2 / V1 =1.19+0.003。
二、实验仪器
He-Ne 气体激光管充排气真空系统、光功率计（最小量程 10mV、最小刻度 0.2mV） 、阴 极电离真空计、硅油 U 型压强计 He-Ne 气体激光器真空系统简介
图 2、He－Ne 气体激光器真空系统示意图
'
P ，其分压强应为 PHe 和 PNe 。根据波义耳—马略特定律，当气体纯度不变时，混合前气体
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近代物理实验 I
的压强和体积的乘积应等于混合后气体的压强和体积的乘积，即有如下关系式：
' N 1 PHe V2 PHe (V1 V2 ) ' 解以上方程组得： PHe nP ' N (n 1) PNe V1 PNe (V1 V2 )
三、实验步骤
l．关闭 l 阀，开机械泵，转动 2 阀通扩散泵，五分钟后开扩散泵加热电炉及冷却水龙 头，20 分钟后开 3 阀．开真空计，测量系统真空度 103 Pa 时，开 10 阀。 2．计算 PHe 和 PNe ，注意它们的单位换算关系，由于实验时间限制，只做气压比 n=7； 总压力 P=4Torr；3.5 Torr；3 Torr；2.5 Torr；2 Torr。 3． 充氦气前， 5 应关闭， 开 4 将 4， 5 之间的空气抽调， 然后关 4， 待系统真空度 103 Pa 时，关真空计，按以下步骤充气。 4．充氦，关 3 阀，开 5 关 5；开 4 关 4；开 5 关 5；开 4 关 4，反复进行，同时观测 油柱高度，在 (V1 V2 ) 体积内充入氦气的压强为计算值 PHe 。 5．关 10 开 3，将 V1 中的氦气慢慢抽调，反复充氖气前，7 应关闭，开 6 将 6，7 之 间的空气抽调，开真空计，待系统真空度 103 Pa 时，关真空计，关 6。开激光电源。 6．充氖：关阀门 3，在 V1 体积中充入氖气，开 7 关 7；开 6 关 6，同时观测油柱高 度，在 V1 体积内充入氖气的压强为计算值 PNe 。 7．开 10 阀使 V1 中的氖气与 V2 里的氦气充分混合，待 10 分钟后，调节激光管的放 电电流，观察激光功率的变化规律。 8．利用减压阀 9 减少 P (每次约减 0.5 Torr 至 1.5 Torr)，列表记下实际的 P、Pw、I。 测出当 n=7, P=1.5 托,2 托,2.5 托, 3 托,4 托，5 托时的激光输出功率及最佳放电电流值。 9．待老师检查数据后，做关机的准备，按一定的程序关机。 A）先关活塞 13 和活塞 10，然后关闭活塞 3，导通活塞 8。 B）切断扩散泵加热电炉的电源，待油冷却后，关闭活塞 2 和冷却永， C）切断机械泵电源，打开活塞 1，使大气进入机械泵内。
Pw(Max)/mW I/mA
53 4.32 0.2 8
45 3.67 0.4 8
38 3.10 1.0 10
32 2.61 1.6 12.5
26 2.12 1.8 14
20 1.63 1.0 14
PW mW 2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
P实 Torr 4.5
'
'
53毫米硅油柱高=4.323Torr ，与理论值误差为 0.323Torr。 实际测得的 P 实
此后逐渐降低激光管内的气压， 测量不同气压下的激光输出功率及最佳放电电流值， 得 到的数据如下表 1：
表 1、不同气压下的激光输出功率及最佳放电电流值
P实 /毫米硅油柱高
P实 /Torr （换算）
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然后测定体积比 N V2 / V1 （ V1 的体积为活塞 3，4，6，8，9 以及 10 之间的体积，V2 是活塞 10 和 11 之间的体积） 。 a. 在体积 V1 中先充入任一气体（例如 Ne 气） ，设此时在 U 型计上得出的压强为 PA 。 b. 打开活塞 10，气体将充满体积（ V1 V2 ） ，设此时在 U 型计上读出的压强为 PB ， 则N
V2 PA 1 ，设激光管中 He 气和 Ne 气的气压比为 n，He 气和 Ne 气混合后的总压 V1 PB
强为 P，则应由下面的关系式：
PHe n PNe P P P Ne He
解方程组得： PHe
nP n 1
PNe
P n 1
'
c. 先在体积（ V1 V2 ）中充入 He 气或 Ne 气，设此时的压强为 PHe 。 d. 关闭活塞 10 抽走 V1 中的 He 气，当真空度小于 103 Pa 时，在 V1 中充入 Ne 气，设 此时的压强为 PNe 。 e. 打开活塞 10，使 V2 中的 He 气和 1 V 中的 Ne 气充分混合，则混合后的总压强应为
He－Ne 气体激光器抽气、充气的真空系统如图 4 所示，其中：4，5，6，7 是双通阀， 4，5 用于充氦气，绝对不要同时开， 6，7 用于充氖气，也不能同时开。8 是双通阀，用 来隔离或导通 U 形管油压计两端，测量所充气体的压强时，阀门 8 应关闭。为扩散泵提供 预备真空度时，可用机械泵；三通阀 2；双通阀 11 来实现。阀门 10 是双通阀，用来隔离或 导通激光管（包括冷阱分子筛）与高真空系统，冷阱分子筛的作用是捕捉可能返串到激光管 中的油蒸气分子。阀门 9 是单通阀，用来逐步降低激光管中的压强，使用前，应先将其通向
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四、实验结果与数据分析
只做 PHe / PNe n 7 ； 当 P=4 Torr ，由 PHe KnP
'
N 1 N 1 ' 和 PNe KP （其中 K=12.26+0.06 ， N (n 1) n1
N V2 / V1 =1.19+0.003）计算得到的理论值 PHe ' 和 PNe ' 分别为：
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氦氖激光器的配气及特性研究
合作人： 一、实验原理
1、He－Ne 激光器介绍 He－Ne 激光器是最先制成的气体激光器， 它在可见和红外区可产生六种波长的激光谱 线，它们是：(1)，543.5nm(绿色)；(2)，594.2nm(黄色)；(3)，610.0nm(橙色)；(4)，632.8nm(红 色)；(5)，1.15μm(红外)；(6)，3.39μm(远红外)。 He－Ne 气体激光器主要由 He、Ne 气体放电毛细管和光学谐振腔两部分组成。 激光管两端的反射镜通常采用一个平面反射镜， 一个是凹面反射镜组成光学谐振腔。 反 射镜一般是用光学玻璃(一般用 K9 光学玻璃)磨出光学平面，然后在其表面用真空镀膜技术 镀上高反射率的多层介质膜，其中一个称为全反射镜，其反射率为 99.5％以上(当然最好为 100％但工艺上做不到)，另一个称为输出镜(激光束从此镜输出)，其反射率视激光管长短， 增益损耗情况而定，一般也在 97％～99％之间。作为完整的激光器还应包括供气体放电的 电源。 气体激光器制造过程渗透着多种真空技术。器件里面充有低气压的激活介质(工作气体)， 所充气体的成份应该是稳定的最佳值。 如果气体的各成份的比例改变了， 或渗漏和放出有非 工作气体，那激光器件会造成光谱分散能量不集中，而造成其性能下降甚至不产生激光。严 重影响器件的寿命，激光器件中真空情况的改变，是多种多样的原因造成的。譬如抽气不彻 底，工作时由于温度升高导致材料放气，电子或离子轰击电极或其他材料造成的放气，管子 慢性漏气等等， 都是常见的原因。 要制造长寿命、 高可靠、 各种电参量都很稳定的激光器件， 就必须从原材料的选择， 零部件的加工及处理， 电极的裝配、 直到最后的排气及充气、 封口， 都必须从真空技术的角度来严格要求。 气体激光器件的排与充气是最重要的一道真空加工工序。 这时要在不断抽气下进行玻壳 烘烤除气、电极高频加热除气或电子轰击除气。排气过程一般来说，以真空系统的真空度愈 高，抽气速率愈大愈好，以无油系统比有油系统好。气体激光器有一定的充气及特性测试等 步骤。 从以上讨论， 充分说明气体激光器的制造渗透着真空技术问题。 在真空技术问题未能顺 利解决时，往往影响气体激光器件的正常生产。He－Ne 激光器生产工艺是保证制造出来的 激光器合乎激光器的设计要求(如模式、输出功率、功率稳定性、光斑尺寸、发散角、偏振度 等)及激光器的寿命。 因此， 在制造激光器的过程中必须严格按照每一项工艺程序要求进行。 2、He－Ne 激光器配气原理 微观的物质系统具有一系列分立能级。 当辐射场与其相互作用时， 引起能级之间的跃迁。 分为自发辐射、受激发射、受激吸收三种类型，且由于处在低能态的粒子数密度总是大于高 能态的粒子数密度，所以总的作用效果是受激吸收大于受激发射。借助外界能源的激励，就 有可能使处于高能态的粒子数大于低能态的粒子数， 即为粒子数反转。 实现这一功能的工作 物质称为激活介质。 当入射光通过激活介质时，光的受激发射就有可能大于光的受激吸收，光愈走愈强，发 生增益现象。利用光学谐振腔（由一块全反射、一块部分反射的反射镜组成）发生反馈，则 可使这种光量子放大得以维持，形成振荡而得到充分放大。输出大量在频率、相位、偏振、 传播方向上都和外来光子完全一致的激光。 氦氖激光器利用氖原子作为工作物质， 氦原子作
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13 级材料物理 指导老师： 实验时间：2016.9.20
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为辅助气体可以提高激励效率。 氦氖激光具有丰富的振荡谱线，是由于氖原子具有众多的精细结构能级。
图 1. He-Ne 激光管充排气真空系统示意图
首先通过玻管加热、高频除气、分子筛吸附等工艺将激光管内气体排出，使管内真空度 达 10 Pa 或以下。
' PHe 78.97毫米硅油柱高=6.441Torr ' PNe 13.42毫米硅油柱高=1.095Torr