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文檔簡介
1、He-Ne激光器的最佳放電條件趙海燕實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2015年3月13口上午8點(diǎn)到下午1點(diǎn)摘要本實(shí)驗(yàn)利用機(jī)械泵、擴(kuò)散泵對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行抽真空處理,然后把氨氣和氛氣按照一定的比例混合,通電流產(chǎn)生激光,并通過改變氨氛配比、改變電流的人小、改變總電壓的人小測量輸出的激光的功率,找出激光的最佳放電條件,只有氛氣,激光器沒有激光輸出;相同電流條件下,總壓強(qiáng)為3.6cm硅油柱左右激光輸出功率最人:總壓強(qiáng)減小過程中,最人輸出功率對應(yīng)的電流在增人.關(guān)鍵詞氨氛激光器、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、配比、總氣壓、電流引WHe-Ne激光器是以He-Ne混合氣體為工作物質(zhì),采用放電激勵(lì)方式工作的激光器,其激光輸出功率與放電條件(氣體總壓強(qiáng)、氣
2、體的配比、放電電流)等有密切關(guān)系研究他的放電條件對于制作和使用He-Ne激光器來說都是非常重要的.本實(shí)驗(yàn)通過配置還來激光器的工作氣體,研究放電條件對激光輸出功率的影響,從而進(jìn)一步了解氨氛激光器的工作原理和最佳放電條件,掌握真空與充氣技術(shù).實(shí)驗(yàn)原理一、硬件構(gòu)成1激光器的構(gòu)成激光器由工作物質(zhì)、諧振腔、激勵(lì)源三部分組成諧振腔由兩個(gè)反射鏡組成,放電管中央為毛細(xì)管,毛細(xì)管的增益系數(shù)正比于毛細(xì)管的長度,反比于它的直徑,但因要保證實(shí)驗(yàn)操作的簡單和毛細(xì)管準(zhǔn)直不能將管做得太細(xì):毛細(xì)管周I制是儲氣管,用于穩(wěn)定毛細(xì)管內(nèi)的氣壓和激光器的輸出功率與延長其壽命,并且起到連接毛細(xì)管和反射鏡的作用;儲氣管的兩端是電極,為了避
3、免輝光放電引起的陰極濺射和蒸發(fā)的負(fù)面影響,一般采用鋁做陰極、鉤做陽極;采用直流電源激勵(lì)產(chǎn)生激光.2抽真空器件(1)機(jī)械泵機(jī)械泵的工作原理如圖1所示,機(jī)械泵主要由圓柱空腔定子、偏心轉(zhuǎn)子、旋片、彈簧、頂蓋和排氣閥等零件組成偏心轉(zhuǎn)子的頂端始終保持與泵體定子內(nèi)腔接觸,當(dāng)偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),始終沿定子的內(nèi)壁滑動轉(zhuǎn)子上開有兩個(gè)滑槽,分別安裝一個(gè)旋片,中間有一個(gè)彈簧,當(dāng)旋片隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),借助彈簧張力和離心力,使兩旋片緊貼在定子內(nèi)壁滑動,兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所I制成的月牙形空間分隔成三個(gè)部分,當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí),與進(jìn)氣門相通的空河A的容積不斷地增人,A空問的壓強(qiáng)不斷地降低,當(dāng)A空河內(nèi)的壓強(qiáng)低于被抽容
4、器內(nèi)的壓強(qiáng),被抽的氣體不斷地被抽進(jìn)吸氣腔A,隨著定子的旋轉(zhuǎn),A部分的體積減小壓強(qiáng)增人,從而推開排氣II的閥門而單向排出氣體.圖1機(jī)械泵工作流程圖(2)擴(kuò)散泵泵油用規(guī)定電爐加熱,產(chǎn)生高壓蒸汽沿三個(gè)同心的導(dǎo)管上噴并在噴II處彼高速折返噴出,使周圉壓強(qiáng)降低,附近氣體即向噴II處擴(kuò)散,從而被吸入并隨油蒸汽一起向下運(yùn)動,油蒸汽被冷卻水套冷卻,結(jié)成油滴回到泵底,空氣分子集結(jié)到出氣II被機(jī)械泵抽走.3真空測量器件(1)熱偶規(guī)熱偶規(guī)內(nèi)部中心器件是熱電偶,由于加熱絲內(nèi)通有恒定電流,內(nèi)部氣體熱導(dǎo)率隨壓強(qiáng)變化,加熱絲的溫度也隨壓強(qiáng)變化,經(jīng)過定標(biāo)后找到熱電偶電勢與壓強(qiáng)的關(guān)系,制成了真空計(jì).(2)電離規(guī)陰極燈絲發(fā)射電子
5、在柵極電場作用卞得到加速與氣體分子碰撞并使它電離,正離子飛向帶負(fù)電的收集極,離子流的人小與氣體壓強(qiáng)成正比,柵極電壓在100V-300V之間,收集極電位在-10V-50V之間.為了保護(hù)電離規(guī),應(yīng)當(dāng)讓系統(tǒng)的壓強(qiáng)低于0.IPa以后才開動.二、激光產(chǎn)生及其影響因素1激光的產(chǎn)生光與原子體系相互作用會發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收由于自發(fā)輻射的隨機(jī)性和服從玻爾茲曼分布,加上受激吸收的影響,要產(chǎn)生目標(biāo)波長632.8nm的激光,需要使得氛的3s?和2卩4之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),因?yàn)檠踉氐?5。和2鮎之間的能量差跟目標(biāo)波長的能量很接近,于是用氨的共振轉(zhuǎn)移作用使得氛能級實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),受激輻射產(chǎn)生頻率、偏振方向和
6、傳播方向與入射光子相同.2放電條件因?yàn)榉赵厥钱a(chǎn)生激光的元素,又需要氨元素的共振轉(zhuǎn)移作用,于是氣體配比影響著激光的輸出功率,試驗(yàn)中根據(jù)毛細(xì)管的粗細(xì)選擇配比為7:1:實(shí)驗(yàn)中混合氣體的總氣壓為5nun汞柱,本實(shí)驗(yàn)中選用硅油作壓強(qiáng)計(jì),換算為6.8cm硅油柱;氣體總壓強(qiáng)也影響激光輸出功率,壓強(qiáng)太人會導(dǎo)致電子自由程變短達(dá)不到預(yù)期的共振轉(zhuǎn)移效呆,太小會使得分子密度小和電子自由程變長,從而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)共振轉(zhuǎn)移的幾率變小,總氣壓有最佳值;電流會調(diào)節(jié)亞穩(wěn)態(tài)的原子密度,從而對原子激發(fā)的概率影響較人,從而也存在著最佳放點(diǎn)電流.2配氣關(guān)閉高真空閥門,關(guān)閉閥門2:依次打開、關(guān)閉閥門8、7和6,打開下一個(gè)閥門前應(yīng)確保上一個(gè)閥
7、門處于關(guān)閉狀態(tài),并實(shí)時(shí)觀察硅油柱的高度,使得達(dá)到壓強(qiáng)P4,關(guān)閉閥門1;打開高真空閥門,抽掉V2中的氛氣,再關(guān)閉高真空閥門,依次打開和關(guān)閉閥門5、4、3,打開下一個(gè)閥門前應(yīng)確保上一個(gè)閥門處于關(guān)閉狀態(tài),這樣重復(fù)多次,直到V2中的壓強(qiáng)到達(dá)P3;打開閥門1,充分混合氨氣和氛氣,配氣工作結(jié)束.3測量打開實(shí)驗(yàn)測量器材,改變加載電流測量激光的功率;抽掉一部分混合氣體改變總壓強(qiáng),再次改變電流測量激光功率,畫曲線,抽氣時(shí)要關(guān)閉閥門1,并在高真空閥門露一小縫便立即關(guān)閉,以免實(shí)驗(yàn)中氣體跑得太快導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論總壓強(qiáng)等于6.8cm的硅油柱,混合后氧氣壓強(qiáng)為5.95cm硅油柱,氛氣壓強(qiáng)為0.85cm硅
8、油柱;由原理三,實(shí)驗(yàn)測得V2:V2=3:1,即得混合前氛氣在VI中壓強(qiáng)為1.2cm硅油柱,氨氣在V2中壓強(qiáng)為23.8cm硅油柱.根據(jù)原理三進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在只有氧氣的情況下激光器沒有激光輸出.混合氣體后,改變六次總壓強(qiáng),并測量在不同電流卞激光輸出功率,可得如圖3所示的曲線,觀察曲線可得:不同總壓強(qiáng)下激光輸出功率隨電流變化曲線T-6.5cm硅油柱-5.3cm硅油柱-4.7cm硅油柱-3.6cm硅油柱-3.4cm硅油柱-2.5cm硅油柱電流/mAM2、褂斉畫來藝圖3不同壓強(qiáng)卜激光輸出功率隨電流的變化(1)相同電流條件下,輸出總壓強(qiáng)先增大到最人值后減小,3.6cm硅油柱左右激光輸出功率最大.這是因?yàn)樵趬簭?qiáng)
9、太人,導(dǎo)致粒子數(shù)密度太人,導(dǎo)致粒子間碰撞增強(qiáng),但是自由程較短,導(dǎo)致目標(biāo)能級間的碰撞幾率變小,不利于激光的產(chǎn)生:當(dāng)壓強(qiáng)太小的時(shí)候,粒子數(shù)密度變小,粒子碰撞幾率變小,并且自由程變長,導(dǎo)致目標(biāo)能級之間的碰撞幾率更加變小,因此存在一個(gè)最佳總電壓.(2)總壓強(qiáng)減小過程中,最人輸出功率對應(yīng)的電流在增人.電流對于亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)都是線性關(guān)系,但是增長的關(guān)系不一樣,先是有利的人于不利的,然后隨著電流的增人,不利的影響更大,導(dǎo)致激光輸出功率的減小,當(dāng)壓強(qiáng)減小的時(shí)候,粒子間碰撞減小,所需的達(dá)到的飽和電流就増犬.操作小結(jié):配氣過程還是最后減小壓強(qiáng)的操作中,若不是想要?dú)怏w完全抽真空,一定要關(guān)閉閥門2,且在高真空閥門露出小縫后便立即關(guān)閉,否則會導(dǎo)致氣體全部跑掉:打開、關(guān)閉閥門操作應(yīng)使用雙手,一只手扶著,另一只手轉(zhuǎn)動閥門;結(jié)論實(shí)驗(yàn)中采用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組合實(shí)現(xiàn)儀器的抽真空,用熱偶規(guī)和電離規(guī)組合測定真空條件,比較粗略進(jìn)行氨氛配氣產(chǎn)生激光,只冇氛氣情況卞,激光器沒有功率輸出;并測得在不同總壓強(qiáng)條件下激光輸出功率隨著電流變化的曲線圖,觀察曲線得出,相同電流條件卞,總壓強(qiáng)為3.6cm硅油柱左右激光輸出功率最人;總壓強(qiáng)減小過程中,最
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