He-Ne激光器的旁側(cè)光譜

1、He-Ne激光器的旁側(cè)光譜一、 引言HeNe激光器是應(yīng)用廣泛的一種原子氣體激光器。對于放電激勵的氣體激光器，其輸出功率及效率都與發(fā)生受激輻射時各有關(guān)能級的粒子數(shù)分布密切相關(guān)。因此，研究氣體放電過程中某些能級的粒子數(shù)分布具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)通過測量放電等離子體輻射的光譜強(qiáng)度，研究分析HeNe激光器在不同條件下有關(guān)能級粒子數(shù)的分布情況。了解用光強(qiáng)法進(jìn)行光譜分析的原理和方法，并學(xué)會使用鎖相放大器對微小信號進(jìn)行測量。二、實(shí)驗(yàn)原理1 概述激光器由三部分組成：工作物質(zhì)，諧振腔和激勵能源。根據(jù)使用要求的不同，有各種具體的結(jié)構(gòu)形式。圖8-3-1是外腔式HeNe激光器的示意圖。R1，R2為鍍有多層介質(zhì)膜的反射鏡

2、，其中一塊為部分透射，它們組成諧振腔。A為氣體放電管，內(nèi)部充有一定總氣壓和一定He、Ne混合比的氣體為工作物質(zhì)。D1為陽極，D2為陰極，與直流高壓電源相接。電源電壓通過陽極鎢棒和陰極鋁筒加到放電管兩端，形成氣體輝光放電，在毛細(xì)管中產(chǎn)生等離子體。等離子體中處在激發(fā)態(tài)上的氖原子是激光工作物質(zhì)，它們發(fā)生受激輻射時起光的增益放大作用。由放電管兩端的高反射膜板的反射提供光學(xué)反饋形成振蕩，并從部分透射端輸出，得到所需要的激光。 圖8-3-1 外腔式He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)示意圖用受激輻射將光放大，必須使高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，即實(shí)現(xiàn)上、下能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。HeNe激光器是通過原子碰撞實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反

3、轉(zhuǎn)的。在放電管中充以一定比例的He、Ne混合氣體，直流放電將He激發(fā)至亞穩(wěn)態(tài)。由于躍遷選擇定則的限制，被激發(fā)的He只能通過碰撞將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給Ne，使Ne處于激光上能級，而Ne的激光下能級衰變很快，由此造成高、低能態(tài)之間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使兩能級間產(chǎn)生受激輻射，即可將光放大。與HeNe激光器有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)及躍遷情況如圖8-3-2所示。圖中，用符號表示He原子的能級，采用一般激光理論中常用的帕邢(Paschen)符號標(biāo)記Ne原子能級，它是一種經(jīng)驗(yàn)符號。其中基態(tài)能量取為零，縱坐標(biāo)以電子伏特為單位。2 He原子的能級He原子由帶+2e電荷的原子核和兩個核外電子組成。處于基態(tài)時，電子組態(tài)為。這時,.He原子的

4、兩個電子是按LS耦合的，可以算出,.圖8-3-2 與He-Ne激光器有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)及躍遷示意圖因此，He的基態(tài)為。He原子的激發(fā)態(tài)是一個電子被激發(fā)至高能態(tài)而另一個電子留在基態(tài)構(gòu)成的。設(shè)第一個電子始終處于1s態(tài)，第二個電子被激發(fā)，其主量子數(shù)n2可以任意。當(dāng)n2=2時，由原子物理可知，；，此時有 根據(jù)LS偶合，可形成的原子態(tài)有，。同理可以計(jì)算n2=3,4,的情況。在這里只考慮與產(chǎn)生激光有關(guān)的和兩個能級。3 Ne原子的能級Ne原子是惰性氣體原子，由帶+10電荷的原子核和10個核外電子組成，處于基態(tài)時的電子組態(tài)為。由于10個核外電子把K殼層和L殼全部填滿，形成封閉殼層，所以原子總自旋角動量S，總軌道角

5、動量L及總角動量J均為零，其基態(tài)為。Ne原子的激發(fā)態(tài)是一個2p電子躍遷至高能級而形成的。當(dāng)一個2p電子被激發(fā)跳到較高的能級上時，留下的九個電子的集體行為就相當(dāng)于一個空穴，它們的角動量與一個2p電子的角動量一樣。因此，我們將Ne的激發(fā)態(tài)考慮為一個2p電子的空穴與一個較高能級上電子的耦合，理論和實(shí)驗(yàn)證明了這種耦合是耦合。耦合方式是先把一個電子的軌道角動量與其自旋角動量耦合成這個電子的總角動量，.然后，把與另一個電子的軌道角動量合成中間角動量，.最后，將與另一個電子的自旋角動量耦合成總角動量，.按上述耦合方法，對于2p電子的空穴，有, , .而跳到ns(n>2)殼層的電子，=0，=，可得原子的

6、中間角動量，于是原子的總角動量J=2、1、1、0，原子的能級狀態(tài)共有四個。我們用符號表示耦合能級，則這四個能級可表示為， ， ， 其中，帶¢的ns表示相應(yīng)于這一能級的。這四個能級與圖8-3-2中Ne原子能級上所標(biāo)的帕邢符號S項(xiàng)的一組四個能級對應(yīng)，它們之間的對應(yīng)關(guān)系為：， ， ， 如果2p電子跳到np(n>2)殼層，則該電子軌道角動量=1，自旋角動量=，對于2p電子的空穴，仍有，同理可計(jì)算出各角動量值，如表8-3-1所示。表8-3-1 角動量值 j1 K 3/2 1/2 5/2 3/2 1/2 J 2,1 1,0 3,2 2,1 1,0這樣得出原子的能級狀態(tài)共有10個，它們與圖8

7、-3-2中氖原子能級圖中p項(xiàng)一組10個能級相對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系是 4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制HeNe激光器是通過氣體放電的方式獲得激勵能量的。充有He、Ne氣體的放電管的兩個電極之間加有幾千伏的直流電壓，在管內(nèi)的發(fā)光區(qū)有均勻的電位降梯度。氣體被高度電離后，電子被電場加速獲得動能，并通過第一類非彈性碰撞將能量轉(zhuǎn)移給He原子，使它們躍遷至激發(fā)態(tài)。一般情況下，激發(fā)態(tài)的原子可以通過光輻射過渡到低能態(tài)或基態(tài)，因此，原子處于高能態(tài)的平均壽命非常短。但是，有一些激發(fā)態(tài)與所有低于它們的能級之間都不滿足躍遷的選擇定則，不能通過光輻射躍遷至低能態(tài)，這種激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。處于亞穩(wěn)態(tài)的原子壽命比較長。He的和就是這種亞穩(wěn)態(tài)。態(tài)的

8、S=L=J=0，比它能量低的態(tài)只有基態(tài)，S=L=J=0，它們之間的輻射躍遷不滿足躍遷選擇定則同理，與之間的輻射躍遷也不能實(shí)現(xiàn)。這樣，被激發(fā)到和態(tài)的He原子就不能經(jīng)過輻射躍遷回到基態(tài)。另一方面，被激發(fā)到更高能態(tài)上去的He原子有相當(dāng)一部分經(jīng)躍遷后會落到這兩個亞穩(wěn)態(tài)上。所以放電一旦建立，就會有大量He原子處在和兩個能級上。這兩個亞穩(wěn)態(tài)不能靠輻射光子回到基態(tài)，只能通過與其它粒子發(fā)生第二類非彈性碰撞把能量轉(zhuǎn)移給其它粒子，再回到基態(tài)。尤其當(dāng)兩種粒子相應(yīng)能級間的能量差DE很小時，這種過程特別容易發(fā)生，稱為能量的共振轉(zhuǎn)移過程。從圖8-3-2中可以看到Ne的能級(19.78eV)和能級(20.66eV)正好分別

9、與He的（19.82eV）和（20.61eV）能量相差很少，所以處于和態(tài)的He原子很容易通過同Ne原子碰撞把Ne原子激發(fā)到和能級上去。這就是HeNe激光器充He的原因，通過He將Ne激發(fā)到激光上能級，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。Ne原子的激光上能級壽命短，所以通過直接和電子發(fā)生第一類非彈性碰撞使Ne原子向激光上能級集居的貢獻(xiàn)很小。而激光下能級和的壽命很短，到達(dá)這兩個能級上的粒子通過自發(fā)輻射很快降落到1S能級上。1S是個亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，它不能靠輻射躍遷回到基態(tài)，只能靠跟管壁的碰撞放出能量，回到基態(tài)。這就是所謂的“管壁效應(yīng)”，選毛細(xì)管作放電管有利于增強(qiáng)這種效應(yīng)。5 激光躍遷激光躍遷發(fā)生在Ne原子能級之

10、間。在耦合中，比較嚴(yán)格的選擇定則如下,.在滿足這兩條的可能躍遷中，的躍遷較強(qiáng)，其它躍遷較弱。又由于躍遷是之間的躍遷，原子狀態(tài)的變化只涉及一個激發(fā)電子狀態(tài)的變化，發(fā)生幾率較大，而躍遷是之間的躍遷，原子狀態(tài)的變化不僅和激發(fā)電子狀態(tài)的變化有關(guān)，也和其它電子狀態(tài)的變化有關(guān)，發(fā)生的幾率較小。下面，由圖8-3-2分析與形成激光有關(guān)的能級躍遷。能級在向10個3P能級的躍遷中除去向的躍遷不許可外，（因?yàn)椋环线x擇定則），向其余9個能級的躍遷都是允許的。在這9個躍遷中，躍遷，滿足的要求，譜線較強(qiáng)，且躍遷屬于之間的躍遷，所以，這條光譜線最強(qiáng)，其余的都比較弱。同樣，的可能躍遷中，躍遷最強(qiáng)。同樣，的可能躍遷中，躍遷

11、最強(qiáng)。所以這三條譜線是HeNe激光器中最強(qiáng)的激光譜線。附錄8-3-列出了部分能級之間可能發(fā)生的躍遷及躍遷所對應(yīng)的波長值。6 光譜強(qiáng)度與能級粒子數(shù)的關(guān)系當(dāng)激光管放電但無激光輸出時，粒子數(shù)在Ne的激光上能級高度聚集，這時激光管的旁側(cè)光譜就是通常在相同條件下的放電管光譜，它反映了3S向低能級自發(fā)輻射躍遷的情況。設(shè)滿足輻射躍遷選擇定則的兩個能級i和j之間的自發(fā)輻射光譜強(qiáng)度Iij為. （8-3-1）實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)最終記錄的光譜線強(qiáng)度（譜線高度或面積）Hij與Iij成正比，比例系數(shù)是測量系統(tǒng)的總效率，即，（8-3-2）， （8-3-）其中Ni為上能級的粒子數(shù)。如果知道能級間的自發(fā)輻射系數(shù)Aij和測量系統(tǒng)的總

12、效率，就可通過測量激光旁側(cè)光譜線的強(qiáng)度得到對應(yīng)于各個輻射躍遷的上能級的粒子數(shù)及各能級之間的粒子數(shù)差。當(dāng)有激光輸出時，旁側(cè)光譜的強(qiáng)度會發(fā)生變化，這是由于有關(guān)能級的粒子布居數(shù)發(fā)生了變化。由于能級上的粒子通過受激輻射產(chǎn)生激光輸出，并以極大的優(yōu)勢向躍遷，造成能級上的粒子數(shù)減少很多，造成向， 躍遷產(chǎn)生的三條譜線旁側(cè)光減弱。有激光輸出時，躍遷減弱，使得能級上粒子數(shù)減少，于是躍遷的自發(fā)輻射強(qiáng)度減弱。受激發(fā)射的結(jié)果還使得能級粒子轉(zhuǎn)移至能級，減少了向的躍遷，也使得躍遷減弱。而另一方面，大量粒子的躍遷發(fā)生于，造成能級上粒子數(shù)大大增加，這時以為上能級的躍遷必然會得到加強(qiáng)。從上面分析可知，HeNe激光器旁側(cè)光譜的強(qiáng)度

13、及其變化直接反映了Ne原子與激光躍遷相關(guān)的能級上的粒子數(shù)分布及其變化。7 鎖相放大技術(shù)HeNe激光器工作在有激光輸出和無激光輸出的交替狀態(tài)時，其旁側(cè)光譜強(qiáng)度的變化是很微小的，幾乎被系統(tǒng)的直流漂移和噪聲所淹沒。直接從光電倍增管的輸出信號觀察這個變化很困難，在實(shí)驗(yàn)中是通過鎖相放大技術(shù)來測量這個微小變化的。鎖相放大器利用信號與外加參考信號的相關(guān)特性，從噪聲中提取有用的微弱信號，如圖8-3-3所示。實(shí)驗(yàn)中待測信號和參考信號是這樣得到的：將一個斬波器放在諧振腔中，當(dāng)斬波器以恒定的速度轉(zhuǎn)動時，使激光器交替地處于有激光輸出和無激光輸出的狀態(tài)。將一個檢測器放在激光器輸出端，即可得到一個頻率一定的方波信號，作為

14、參考信號。在有、無激光輸出的周期性變化的情況下，旁側(cè)光譜強(qiáng)度也周期性發(fā)生變化，即也被調(diào)制成一定頻率的方波。這個調(diào)制后的方波信號疊加在光電倍增管的噪聲上一起作為待測信號輸入前置放大器進(jìn)行放大。由于方波信號的頻率是確定的，利用帶通放大器就可以將信號及與其頻率相同的噪聲放大，并抑制其它頻率的噪聲。在信號進(jìn)入前置放大器的同時，取出與待測信號同步的參考信號，經(jīng)相移、整形后與帶通放大器出來的信號進(jìn)行混頻，即用一個被調(diào)制的信號和一個同步參考信號相乘，再通過積分器，用平均的方法將噪聲除掉，即可得到低噪聲的直流信號，其大小正比于旁側(cè)光譜的微小變化。圖8-3-3 鎖相放大器原理示意圖鎖相放大器的詳細(xì)工作原理參見本

15、教材第十一單元實(shí)驗(yàn)11-1。三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖8-3-4所示。全外腔式HeNe激光器的HeNe氣體比例為51101，總氣壓為1Torr。在激光器諧振腔內(nèi)放置一個斬波器，它使激光器交替地處于有輸出和無輸出狀態(tài)，信號調(diào)制頻率約為360Hz。放電管的旁側(cè)光經(jīng)轉(zhuǎn)向棱鏡和透鏡會聚后射入平面光柵單色儀（分辨本領(lǐng)1），再經(jīng)光電倍增管放大后輸入鎖相放大器。在激光器的輸出端置一硅光電池取出方波信號作為鎖相放大器的參考信號。鎖相放大器的輸出信號由函數(shù)記錄儀記錄。信號的強(qiáng)度正比于HeNe激光器旁側(cè)光譜強(qiáng)度的微小變化。圖8-3-4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 記錄HeNe放電管的自發(fā)發(fā)射光譜 用處于關(guān)閉狀態(tài)的

16、斬波器扇葉擋住諧振腔光路，使HeNe激光器處于無輸出狀態(tài)，HeNe放電管的旁側(cè)光經(jīng)轉(zhuǎn)向棱鏡和透鏡會聚到單色儀的入射狹縫上。單色儀掃描速度用67分，波長范圍從5800到7300。將光電倍增管輸出的信號輸入鎖相放大器的前置放大器和帶通放大器，然后直接由帶通放大器輸出端取出信號送入記錄儀，由此可測得各自發(fā)發(fā)射譜線的相對強(qiáng)度。2 記錄有、無激光輸出時旁側(cè)光譜的微小變化 開動斬波器，使輸出的激光得到頻率約為360Hz的調(diào)制。適當(dāng)選擇單色儀入射和出射狹縫寬度，并按鎖相放大器的使用說明調(diào)好儀器，使信號經(jīng)過光電倍增管和鎖相放大器放大，將鎖相放大器的輸出信號輸入記錄儀，即可記錄旁側(cè)光譜的變化。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(

17、) 在所記錄的兩張圖上找出與激光躍遷上、下能級相關(guān)的幾條譜線，標(biāo)明它們對應(yīng)的波長值和躍遷能級。() 在自發(fā)光譜圖上測出相對強(qiáng)度，由公式(8-3-2)計(jì)算各能級相對粒子數(shù)，并進(jìn)行比較。() 由旁側(cè)光譜強(qiáng)度變化圖，對與激光上、下能級有關(guān)的幾條譜線的強(qiáng)度變化進(jìn)行歸一整理，以波長為橫軸，光強(qiáng)的相對變化量為縱軸作光強(qiáng)圖，試分析幾條譜線強(qiáng)度發(fā)生變化的原因。五、思考題氦氖激光器產(chǎn)生的軸向光和旁側(cè)光有何不同？氦氖激光器中充的氦氣和氖氣各起什么作用？參考文獻(xiàn)1 Armand L. Waksberg and Allan I. Carswell，“Optical resonator effects on the p

18、opulation distribution in He-Ne gas lasers determined from side light measurement，”Appl. Phys. Lett. Vol.6, No.7,137-138 ,19652 周炳昆，高以智，陳家驊等.激光原理.北京：國防工業(yè)出版社，20003 陳英禮激光導(dǎo)論電子工業(yè)出版社，19866附錄8-3-1 激光躍遷能級對應(yīng)的波長和自發(fā)輻射系數(shù) 能級躍遷 波長（） Aij（）能級躍遷 波長（） Aij（）2P11S42P11S22P21S52P21S42P21S32P21S22P31S42P31S22P41S52P41S4

19、2P41S22P51S52P51S42P51S32P51S22S51S52P61S42P61S32P71S55400.565852.495881.906030.006163.596598.956074.346652.095944.856096.166678.285975.536128.456266.506717.046143.066304.796929.476217.28 0.08996.8281.1470.5611.4662.3236.0360.02941.1351.8132.3360.3510.06652.4932.1732.8230.4171.7430.678 2P71S42P71S32P71S22P81S52P81S42P81S22P91S52P101S52P101S42P101S32P101S23S22P13S22P23S22P33S22P43S22P53S22P63S22P73S22P83S22P106382.996532.887024.056334.436506.537173.946402.257032.417245.177438.908082.467304.836401.076351.856328.176293.746118.016046.135939.315433.653.2141.0830.1891.6163.0000.2875.062.5