He-Ne激光器的旁側(cè)光譜.doc

HeNe激光器的旁側(cè)光譜 黎臣0810130955【摘要】：本實(shí)驗(yàn)通過斬波器來控制激光輸出的有無,利用鎖相放大器對微小信號進(jìn)行測量，并用記錄儀記錄了無激光輸出以及有激光輸出時(shí)He-Ne激光的旁側(cè)光譜，并在有無激光輸出時(shí)記錄了各個光譜的變化情況。研究了在不同條件下Ne的有關(guān)能級粒子數(shù)變化情況。【關(guān)鍵詞】：He-Ne激光器 旁側(cè)光譜 粒子數(shù)分布 能級躍遷【引言】 He-Ne 激光器是一種應(yīng)用廣泛的原子氣體激光器，對于放電激勵的激光器，其輸出功率及效率都與發(fā)生受激輻射時(shí)的各有關(guān)能級的粒子數(shù)分布密切相關(guān)。通過測量放電等離子體輻射的光譜強(qiáng)度，研究分析He-Ne 激光器在不同條件下粒子數(shù)的分布情況.同時(shí)使用光強(qiáng)法進(jìn)行光譜分析，使用鎖相放大器對微小信號進(jìn)行測量。【實(shí)驗(yàn)原理】1、He-Ne 激光器兩極接直流高壓使放電管輝光放電在毛細(xì)管中產(chǎn)生等離子體。其中He 原子被激發(fā)至亞穩(wěn)態(tài)，在躍遷定則限制下把能量傳給Ne原子，使Ne 處于激光上能級， Ne 的下能級衰變很快造成高低能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于激發(fā)態(tài)的工作物質(zhì)Ne 原子受激輻射，使光增益放大。2、He原子的能級以及Ne原子的能級 He原子的基態(tài)為1S2，其兩個電子按照L-S耦合. （1）因此He 原子的基態(tài)為。He 原子激發(fā)態(tài)由一個電子被激發(fā)至高能級而另一個留在基態(tài)構(gòu)成。設(shè)處于激發(fā)態(tài)的電子主量子數(shù)為n2 ，當(dāng)n2 = 2 時(shí)， l2 = 0; 1; ，此時(shí)有： （2）根據(jù)L-S 耦合， J = L + S; ，可形成原子態(tài)有 。本實(shí)驗(yàn)只考慮與產(chǎn)生激光有關(guān)的 和兩個能級。 Ne 原子的電子組態(tài)為，基態(tài)為，Ne 原子激發(fā)態(tài)是一個2p 電子躍遷至高能級形成的，余下的9個電子集合相當(dāng)于一個孔穴，角動量與一個2p 電子一樣。Ne 的這種激發(fā)態(tài)的耦合為（jl）耦合，耦合方式見參考文獻(xiàn)1。對2p 電子空穴， l1=1,s1=1/2,j1=3/2,1/2 (3)而跳到ns(n 2) 層的電子，l2=0,s2=1/2 (4)得中間角動量 K=3/2,1/2 （5）于是原子的總角動量J = 2; 1; 1; 0 四個能級狀態(tài)，用符號nlKJ 表示（jl）耦合：其中 表示這一能級.這四個能級與Ne 原子的帕邢符號對應(yīng)：如果2p 電子跳到np(n 2) 層，則電子，對于2p 電子空穴，仍有,同理計(jì)算出10個原子能級的狀態(tài)，見參考文獻(xiàn)1中表8-3-1。3、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制及激光躍遷 放電管兩極加幾千伏直流高壓，將氣體高度電離電子動能通過第一類非彈性碰撞轉(zhuǎn)移至He 原子使其躍遷至激發(fā)態(tài)。其中一些激發(fā)態(tài)由于不滿足躍遷定則處于亞穩(wěn)態(tài)（如He 的和）. 同理和之間的輻射躍遷也不能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)更高能態(tài)的He 原子也有相當(dāng)一部分會回落至這兩個亞穩(wěn)態(tài)，這種亞穩(wěn)態(tài)只能通過與其能量差很小的其它粒子發(fā)生第二類非彈性碰撞產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移回到基態(tài)。實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為He的兩個亞穩(wěn)態(tài)將能量轉(zhuǎn)移至Ne 使其激發(fā)到激光的上能級實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光躍遷發(fā)生在Ne原子能級之間，在（j，l）耦合中，比較嚴(yán)格的選擇定則如下： J=0，1； l2=1， （6）在滿足這兩條的可能躍遷中，J=K=l2 的躍遷較強(qiáng)，其他躍遷較弱。又由于躍遷nsnp是j1=1/2j1=1/2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nsnp是j1=1/2j1=3/2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)，也和其他電子狀態(tài)的變化有關(guān),發(fā)生的幾率較小。故在可能的躍遷中，3S23P4，3S23P6 滿足J=K=l2 的要求，譜線較強(qiáng)，且躍遷3S23P4 屬于j1=1/2j1=1/2之間的躍遷，所以，這條光譜線最強(qiáng)，其余的都比較弱。同樣，3S22P4 、2S22P4 也是可能躍遷中最強(qiáng)的。這三條譜線是He-Ne激光器中最強(qiáng)的激光譜線。4、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(shí)，粒子數(shù)在Ne 的激光上能級上高度聚集，這時(shí)激光的旁側(cè)光譜就是通常在相同條件下放電光譜，反映了3S 能級向低能級自發(fā)輻射的躍遷情況。設(shè)滿足選擇定則的兩個能級i和j間的自發(fā)輻射光譜強(qiáng)度為 （7）實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)最終記錄的光強(qiáng)為： （8）當(dāng)有激光輸出時(shí)，旁側(cè)光譜的強(qiáng)度發(fā)生變化。由于3S2 上粒子通過受激輻射產(chǎn)生激光輸出，并以極大優(yōu)勢向躍遷，造成,的三條旁側(cè)光減弱。減弱使能級的粒子數(shù)減少，于是的自發(fā)輻射強(qiáng)度減弱. 受激輻射使得，減少了的躍遷，也使得減弱。另一方面，造成粒子數(shù)大大增加，使以為上能級的躍遷加強(qiáng)。 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(shí)，使激光器交替的出現(xiàn)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，作為參考信號。而旁側(cè)光譜被調(diào)制成的方波信號，疊加在光電倍增管的噪聲上一起作為待測信號輸入鎖相放大器，即可測量旁側(cè)光譜的變化。【實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、使激光器處于無激光輸出狀態(tài)（關(guān)斷斬波器，斬波器葉片遮住光）。倍增管輸出的信號直接輸入記錄儀，由于此時(shí)640.2nm譜線最強(qiáng)，掃描前應(yīng)首先在該譜線的峰位處適當(dāng)調(diào)節(jié)單色儀狹縫和記錄儀量程以獲得足夠強(qiáng)的信號和盡可能高的分辨本領(lǐng)。2、使激光處于有激光輸出狀態(tài)，相同條件下再掃一次光譜。3、接通斬波器電源（頻率為400Hz），光電池接受的周期變化的激光信號輸出給鎖相放大器參考信號輸入端作為參考信號，倍增管接受含周期變化的光譜信號輸給鎖相放大器信號輸入端。記錄儀零點(diǎn)在記錄紙重點(diǎn)附近，此時(shí)632.8nm和609.6nm分別為兩個方向最強(qiáng)的譜線，掃描前配合靈敏度等參數(shù)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)單色儀狹縫和記錄儀量程使得這兩個譜線的強(qiáng)度和接近滿刻度。再掃描一次掃面光譜線。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析】1、 根據(jù)掃譜時(shí)起止點(diǎn)的波長（參照640.2nm譜線位置做修正），確定譜線中各個峰的波長。經(jīng)修正后測量。測量結(jié)果如附圖一。2、 參照講義附錄表，在無激光輸出的旁側(cè)光譜圖上找出與632.8nm激光相關(guān)（3S2P，2P1S）的幾條譜線，標(biāo)明波長和躍遷能級。畫出相關(guān)能級圖，并在其上標(biāo)明相關(guān)躍遷，在上述數(shù)據(jù)中選出了四條與632.8nm激光有關(guān)的譜線，見表2 表2.測得的相關(guān)躍遷譜線波長（nm）594.66609.73611.82632.85躍遷能級2P41S52P41S43S22P63S22P4相關(guān)的躍遷能級圖如圖2 圖2 Ne原子632.8nm相關(guān)能級躍遷圖2、 在譜圖上測出相關(guān)各譜線的相對強(qiáng)度（以640.2nm譜線強(qiáng)度為100%），計(jì)算各能級的相對粒子數(shù)，并進(jìn)行比較，證明3S2和2P4 能級上實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（相對粒子數(shù)的計(jì)算中，波長以nm為單位，自發(fā)輻射系數(shù)單位為107，相對強(qiáng)度單位為，所計(jì)算出的粒子數(shù)可以比較，但并不為真實(shí)值，與真實(shí)值差一個常數(shù)。）3分析旁側(cè)光譜的微小變化這步我們要做的是根據(jù)有無激光輸出時(shí)粒子分布的變化規(guī)律，分清強(qiáng)度變化譜圖上向哪個方向的普顯示變強(qiáng)，那個方向是變?nèi)酰治鰩讞l譜線強(qiáng)度變化的原因。實(shí)驗(yàn)得到的有、無激光輸出時(shí)旁側(cè)光譜圖經(jīng)，經(jīng)分析可知圖中光強(qiáng)較大的三條譜線應(yīng)該分別是594.48nm、609.61nm、632.84nm。那么找到這三條譜線，利用三點(diǎn)的內(nèi)差法可以修正坐標(biāo)值，從而可以確定譜線中各個峰的波長值。結(jié)果如附圖二所示。4、根據(jù)有無激光輸出時(shí)粒子數(shù)分布的變化規(guī)律，分清強(qiáng)度變化譜圖上向哪個方向的譜線是變強(qiáng)，哪個方向是變?nèi)酢y出幾條與激光能級有關(guān)的譜線的相對變化量（以632.8nm為100%），計(jì)算有無激光輸出時(shí)與激光有關(guān)能級的粒子數(shù)變化方向和相對量，分析幾條譜線強(qiáng)度變化的原因。【實(shí)驗(yàn)總結(jié)及建議】總結(jié)：本次實(shí)驗(yàn)利用鎖相放大器和光電倍增管對He-Ne激光器的旁側(cè)光譜在有激光輸出與無激光輸出進(jìn)行了觀察，并對有無激光輸出變化時(shí)的變化進(jìn)行了測量，證明了He-Ne激光器中3S2和2P4 能級上實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并且通過測量旁側(cè)光譜的變化量，可以得到相關(guān)能級的粒子數(shù)的變化規(guī)律。建議： 在有無激光輸出時(shí)，記錄儀會畫出譜線強(qiáng)度變化，注意鎖相放大