氦氖实验讲义
12页1、氦氛(He-Ne)激光器实验实验讲义黑龙江大学物理科学与技术学院【实验目的】1、了解激光器的结构、特性、工作条件和工作原理;2、掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法;3、理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义;4、了解扫描干涉仪原理,掌握其使用方法;5、学习观测激光束横模、纵模的实验方法。【实验原理】一、激光原理概述1、普通光源的发光一一受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等的发光)是由于物质在收到外来能量(如 光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级, 即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级e2的电子寿命很短(一 般为10-810-9s),在没有外界作用时会自发地向低能级(鸟)跃迁,跃迁时将产生光(电磁 波)辐射。辐射光子能量为h = Eg(1)这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程,各发光原子的发光过程 各自独立,互不关联,即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外位相、偏 振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度,所以发射光的频率也不是单一的,而有一个 范
2、围。在通常热平衡条件下,处于高能级E2上的原子数密度N2,远比处于低能级的原子数 密度低,这是因为处于能级E的原子数密度N的大小随能级E的增加而指数减小,即N m exp (- E / kT )(2)这是著名的玻尔兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N 2 / N1 m exp - (E 2 - E)/ kT (3)式中k为波尔兹曼常数,T为绝对温度。因为E2E,所以N2N1。例如,已知氢原子基态 能量为E1 = -13.6 eV,第一激发态能量为E2= -3.4eV,在20C时,kT 0.025eV,则N 2 / N1 m exp - 400 K 0(4)可见,在20oC时,全部氢原子几乎都处于基态,要使原子发光,必须外界提供能量使原子 达到激发态,所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。一般说来,这种 光源所辐射光的能量是不强的,加上向四面八方发射,更使能量分散了。2、受激辐射和光的放大由量子理论知识了解,一个能级对应电子的一个能量状态。电子能量由主量子数 n (n=1,2, .)决定。但是实际描写原子中电子运动状态,除能量外,还有轨道角动量L和自 旋
3、角动量S,它们都是量子化的,由相应的量子数来描述。对轨道角动量,玻尔曾给出了量 子化共识Ln = nh,但这不严格,因这个式子还是在把电子运动看作轨道运动基础上得到的。 严格的能量量子化以及角动量量子化都应该由量子力学理论来推导。量子理论告诉我们,电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在l (角动量量子数)相差1 的两个状态之间,这就是一种选择规则。如果选择规则不满足,则跃迁几率很小,甚至接近 零。在原子中可能存在这样一些能级,一旦电子被激发到这种能级上时,由于不满足跃迁的 选择规则,可使它在这种能级上的寿命很长,不易发生自发跃迁到低能级上。这种能级称为 亚稳态能级。但是,在外加光的诱发和刺激下可以使其迅速跃迁到低能级,并放出光子。这 种过程是被“激”出来的,故称受激辐射。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普 朗克的黑体辐射公式时,第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性, 这就是激光的基础。受激辐射的过程大致如下:原子开始处于高能级e2,当一个外来光子所带的能量如正 好为某一对能级之差与-气,则这原子可以再次外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1 跃迁。这种受激
4、辐射的光子有显著的特点,就是原子可发出与诱发光子全同的光子,不仅频 率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是,入射一个光 子,就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大,这种在受激过程中产生并 被放大的光,就是激光。9E2QE2AA/Vhv*C) E1c) E(a)自发辐射(a)受激吸收E2/VW、Why+Ei(a)受激辐射图1双能级原子中的三种跃迁3、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射,而且它也能引起受激吸收,所以只有当处在高能级 的原子数目比处在低能级的还多时,受激辐射跃迁才能超过受激吸收,而占优势。由此可见, 为使光源发射激光,而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上得 多。这种情况,称为粒子数反转。但在热平衡条件下,原子几乎都处在最低能级(基态)。 因此,如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。二、激光器的结构激光器一般包括三个部分:1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子 数
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