氦氖激光器实验数据处理(近代物理)
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数据处理
1.实验前计算
根据公式： 、
其中，K=12.26 0.06，N= ，n=7：1
计算不同的总压下，充入的氦气、氖气的分压如下表
总压力/Torr
4.5
4
3.5
3
2.5
2
/mm硅油柱
88.84
78.97
69.09
59.22
49.36
39.48
/mm硅油柱
15.1
13.42
11.75
10.07
8.39
、
图5最佳放电电流与最大光功率关系曲线图
分析：随着电流I的增大，最大光功率有线性上升的趋势。
误差分析：
1.由于仪器抽气过慢，也可能是仪器装置存在漏气问题，实验只能在真空度为9.8*10-3Pa的条件下进行，可能对实验气体、气压产生一定影响。
2.读数数据存在误差。一是因为没有精度更高的尺子，二是因为人眼观察油柱会有偏差，比如液面最低处与人的视角问题。
6.71
表1不同总压力下He、Ne的分压
2.本实验在真空度降为9.8*10-3Pa的条件下进行。
1Torr=12.26mm油柱=133.33Pa
按实验要求，每下降0.5Torr测一次最佳Pw以及最佳工作电流。也即，每次下降0.5*12.26=6.13mm硅油柱进行测量。
在总压力为4.5Torr时，充入7.9cm硅油柱的He气，1.3cm硅油柱的Ne气。得到最初的压强为5.7cm硅油柱。
答:高频除气、原材料的选择（放电毛细管、管壳等）、零部件的加工处理（包括凹、平面反射镜、布儒斯特窗片）、电极装配、排气充气封口等等。
4.为什么存在最佳气压值使激光器达到最大功率？
答：因为Ne的2P4能级的粒子数密度n2通常比Ne的3S2能级的粒子数密度n3小得多，故反转粒子数密度△n主要取决于n3.当He、Ne气压比和放电电流一定时，如果总气压较低，n0和n1将减少。n3也随之减少。总气压很高时，虽n0和n1增加，但电子与原子碰撞次数也增加，使电子的动能减少，电子温度Te降低，电子就不能有效地把He和Ne激发到上能级去，使n3下降。因此，有最佳总气压，使粒子数最高。
答：激光管中原子受外场电能激发产生电离，电子跃迁，而产生光。某一级受激辐射和粒子能级差之间是一一对应的。对应于632.8nm的激光谱线是Ne能级3S2和2P4之间的差值。激光器中氦气为辅助气体，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。
3.气体激光器的制造过程中渗透着哪些真空技术的应用？
***********
由于实验者将实际硅油柱高度下降数与总压力下降数混淆，以下分析以实际实验数据来进行，即每次下降5mm油柱高度差进行测量，相当于每次下降总气压大约0.41Torr，所得实验结果影响不大。
***********
油柱高度差/cm
5.7
5.0
Байду номын сангаас4.5
4.0
3.5
3.0
气体总气压/Torr
4.5
2.实验所测的PW偏小，可能原因是光功率计没有对准激光束，但在保证光功率计位置不变的情况下，对PW与P的趋势关系没有很大影响。
图3 I~P关系曲线图图4理论I~P关系曲线图
分析：
1.与理论图相比，最佳放电电流与之呈现相同趋势，但在高压部分没有出现平缓趋势。
2.出现这种趋势的原因是，气压越高，粒子密度越大，系统越易发生偏转，因此最佳放电电流随气压增大而降低。
3.实验整体偏差不算太大，与理论趋势基本相符。
【思考题】
1.激光管两端的反射镜能否做成全反射镜呢？为什么？
答：不能。这两个反射镜分别被称为全反射镜和输出镜。
对于全反射镜来说，理论上反射率是越高越好。但由于工艺的现实而无法做成真正意义上的全反射镜片。对于输出镜而言，也要求一定的透射率供其输出激光。
2.He-Ne激光器中0.6328μm激光是怎样产生的？
4.08
3.67
3.26
2.85
2.45
最大光功率Pw/mW
0.6
1.0
1.2
1.7
2.0
2.2
最佳放电电流I/mA
6
8
9
10
13
15
表2总压力与最大光功率、最佳放电电流的关系
依此表分别作图如下：
图1PW~P关系图图2理论PW~P关系图
分析：
1.与理论图相比，在高压部分呈现差不多一致的趋势。但实验结果在低气压情况不符合，可能实验没能测到更低的总压；在更高压的部分，也没有显示出缓和的趋势，可能是也没有测到更高的总压。
1.实验前计算
根据公式： 、
其中，K=12.26 0.06，N= ，n=7：1
计算不同的总压下，充入的氦气、氖气的分压如下表
总压力/Torr
4.5
4
3.5
3
2.5
2
/mm硅油柱
88.84
78.97
69.09
59.22
49.36
39.48
/mm硅油柱
15.1
13.42
11.75
10.07
8.39
、
图5最佳放电电流与最大光功率关系曲线图
分析：随着电流I的增大，最大光功率有线性上升的趋势。
误差分析：
1.由于仪器抽气过慢，也可能是仪器装置存在漏气问题，实验只能在真空度为9.8*10-3Pa的条件下进行，可能对实验气体、气压产生一定影响。
2.读数数据存在误差。一是因为没有精度更高的尺子，二是因为人眼观察油柱会有偏差，比如液面最低处与人的视角问题。
6.71
表1不同总压力下He、Ne的分压
2.本实验在真空度降为9.8*10-3Pa的条件下进行。
1Torr=12.26mm油柱=133.33Pa
按实验要求，每下降0.5Torr测一次最佳Pw以及最佳工作电流。也即，每次下降0.5*12.26=6.13mm硅油柱进行测量。
在总压力为4.5Torr时，充入7.9cm硅油柱的He气，1.3cm硅油柱的Ne气。得到最初的压强为5.7cm硅油柱。
答:高频除气、原材料的选择（放电毛细管、管壳等）、零部件的加工处理（包括凹、平面反射镜、布儒斯特窗片）、电极装配、排气充气封口等等。
4.为什么存在最佳气压值使激光器达到最大功率？
答：因为Ne的2P4能级的粒子数密度n2通常比Ne的3S2能级的粒子数密度n3小得多，故反转粒子数密度△n主要取决于n3.当He、Ne气压比和放电电流一定时，如果总气压较低，n0和n1将减少。n3也随之减少。总气压很高时，虽n0和n1增加，但电子与原子碰撞次数也增加，使电子的动能减少，电子温度Te降低，电子就不能有效地把He和Ne激发到上能级去，使n3下降。因此，有最佳总气压，使粒子数最高。
答：激光管中原子受外场电能激发产生电离，电子跃迁，而产生光。某一级受激辐射和粒子能级差之间是一一对应的。对应于632.8nm的激光谱线是Ne能级3S2和2P4之间的差值。激光器中氦气为辅助气体，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。
3.气体激光器的制造过程中渗透着哪些真空技术的应用？
***********
由于实验者将实际硅油柱高度下降数与总压力下降数混淆，以下分析以实际实验数据来进行，即每次下降5mm油柱高度差进行测量，相当于每次下降总气压大约0.41Torr，所得实验结果影响不大。
***********
油柱高度差/cm
5.7
5.0
Байду номын сангаас4.5
4.0
3.5
3.0
气体总气压/Torr
4.5
2.实验所测的PW偏小，可能原因是光功率计没有对准激光束，但在保证光功率计位置不变的情况下，对PW与P的趋势关系没有很大影响。
图3 I~P关系曲线图图4理论I~P关系曲线图
分析：
1.与理论图相比，最佳放电电流与之呈现相同趋势，但在高压部分没有出现平缓趋势。
2.出现这种趋势的原因是，气压越高，粒子密度越大，系统越易发生偏转，因此最佳放电电流随气压增大而降低。
3.实验整体偏差不算太大，与理论趋势基本相符。
【思考题】
1.激光管两端的反射镜能否做成全反射镜呢？为什么？
答：不能。这两个反射镜分别被称为全反射镜和输出镜。
对于全反射镜来说，理论上反射率是越高越好。但由于工艺的现实而无法做成真正意义上的全反射镜片。对于输出镜而言，也要求一定的透射率供其输出激光。
2.He-Ne激光器中0.6328μm激光是怎样产生的？
4.08
3.67
3.26
2.85
2.45
最大光功率Pw/mW
0.6
1.0
1.2
1.7
2.0
2.2
最佳放电电流I/mA
6
8
9
10
13
15
表2总压力与最大光功率、最佳放电电流的关系
依此表分别作图如下：
图1PW~P关系图图2理论PW~P关系图
分析：
1.与理论图相比，在高压部分呈现差不多一致的趋势。但实验结果在低气压情况不符合，可能实验没能测到更低的总压；在更高压的部分，也没有显示出缓和的趋势，可能是也没有测到更高的总压。