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激光塞曼效應實驗方法及裝置的制作方法

文檔序號:100752閱讀:766來源:國知局
專利名稱:激光塞曼效應實驗方法及裝置的制作方法
適用于高等院校理科、偏理工科或師范院校的近代物理實驗。
現(xiàn)有的塞曼效應實驗一般都是用7000~8000伏霓虹燈變壓器點燃的水銀燈作光源。Hg的原子能級分裂要在幾千高斯的磁場作用下,才能看到能級分裂的現(xiàn)象,用激磁線圈產生幾千~上萬高斯的磁場,磁鐵的體積大而笨重,還要用調壓器等輔助設備。由于自發(fā)輻射熒光光源譜線光強較弱。整套系統(tǒng)調整不方便,偏振現(xiàn)象不直觀,用肉眼觀察很難分辨,照相又較麻煩,國內雖有用記錄儀,掃描干涉儀記錄偏振態(tài)的實驗裝置,但光源、磁場仍采用上述的裝置,通過F-P標準具照相觀察塞曼分裂現(xiàn)象。
為了解決上述問題,本發(fā)明提供了一種實驗方法和裝置,揭示原子物理中的塞曼分裂及激光原理中的模偏振態(tài)、模競爭、頻率牽引、塞曼穩(wěn)頻調諧曲線等現(xiàn)象。
本實驗裝置由普通內腔式He-Ne管(作光源),永久磁鐵(產生磁場,通過改變磁極間距改變磁場強度),光電接收元件,前置放大器,光學元件,f-v變換器(頻率-電壓變換器),數(shù)字顯示器,激光電源,穩(wěn)頻器等組成。
圖1是激光塞曼效應實驗機構原理圖,圖2是Ne原子能級分裂圖,圖2a是Ne原子6328
自發(fā)輻射譜線在磁場作用下的分裂情況,圖2b橫向磁場下的分裂情況,圖2c是縱向磁場下的分裂情況,
圖3是He-Ne激光器中Ne原子增益曲線在磁場中的分裂,圖3a是在橫向磁場作用下Ne原子的增益曲線,圖3b是在縱向磁場作用下Ne原子的增益曲線,圖4是激光輸出光強隨磁場的變化情況,圖4a是橫向磁場作用下光強隨磁場的變化情況;圖4b是縱向磁場作用下光強隨磁場的變化情況,圖5是激光各縱模的偏振態(tài),圖5a是激光輸出三個縱模的偏振態(tài),圖5b是激光輸出二個縱模的偏振態(tài),圖6是橫向磁場作用下模崩潰現(xiàn)象,圖6a是激光輸出的二個縱模,圖6b是崩潰為一個縱模的情況,圖7是橫向磁場作用下模崩潰時的拍頻調諧曲線,圖8是在某一縱向磁場作用下的拍頻調諧曲線,圖9是在橫、縱向磁場作用下的拍頻信號變化情況,圖9a是在橫向磁場作用下的拍頻信號隨磁場變化的情況,圖9b是在縱向磁場作用下的拍頻信號隨磁場變化的情況,圖10是橫向塞曼效應實驗裝置示意圖,圖11是縱向塞曼效應實驗裝置示意圖,圖12是模偏振實驗裝置示意圖,圖13是同時觀察模偏振、模崩潰實驗裝置示意圖,圖14是模崩潰實驗裝置示意圖,圖15是拍頻曲線實驗裝置示意圖。
實施例1、1′為可更換的永久磁鐵做成的磁極,它們分別固定在滑塊3、3′上,4、4′為左右旋絲杠,通過螺紋與滑塊3、3′連接,轉動絲杠4′上的手輪5,使滑塊3、3′在固定于底板23上的壓條2、2′中滑動,使磁鐵1、1′對稱于激光管6的兩邊均勻連續(xù)地改變其間距(60~295mm)來改變磁場強度。橫向磁場從40-600高斯變化,縱向磁場從30-400高斯變化(也可用電磁鐵產生磁場),激光管6為可見6328
內腔式He-Ne激光管,腔長L為180~300mm(也可用L=150mm的單頻管,但看不到單模崩潰現(xiàn)象)輸出功率最好大于1mw。如用穩(wěn)頻內腔管,在激光管諧振腔反射鏡上加上壓電陶瓷用鋸齒波發(fā)生器控制腔長,或者在激光管上繞上電阻絲,用加熱方法控制腔長來觀察光強隨磁場變化,則效果更好。7為分光鏡,將6328
激光束分成兩束,一束用于觀察光強變化,一束用來觀察模式變化。8為λ/4波片用來將左、右園偏振光變成線偏振光,9為可調分束角棱鏡(型號為LSP-8A),可將兩束互相垂直的偏振光檢出。10、10′為激光光強探測器(也叫激光功率探測器),采用硅光電池,11、11′為光強顯示器(也叫功率計指示表頭),用指針式或數(shù)字式,以顯示二垂直分量光強的變化,12為偏振片,用以觀察激光模偏振態(tài),13為掃描干涉儀頭部,13′為掃描干涉儀的示波器,用來觀察激光模式。激光尾光光束通過偏振片14(45°放置)將二垂直分量的拍頻信號送入光電探測器15(光電三極管)經放大器16通過f-V變換器17變成電壓信號送入記錄儀21畫出模崩潰時拍頻調諧曲線。也可以從放大器16取出拍頻信號輸入示波器20顯示出來,18為放大器和f-V變換器的電源±15v,19為激光管電源,22為穩(wěn)頻線路。
將可變磁場、光源、光學器件、激光功率計探頭、放大器等安裝在底板23上,將激光功率計表頭、放大器及f-v變換器和穩(wěn)壓電源、激光電源、穩(wěn)頻線路等裝在底板23的下面,就構成了一臺完整的儀器,也可以將電子線路部分、光機部分分別做成一個機箱。
將本實驗裝置各部分加以不同的組合,可進行各種實驗1.原子物理塞曼效應實驗對于內腔式6328
He-Ne激光器,各縱模的偏振態(tài)是不同的,相鄰縱模偏振方向互相垂直??偟募す廨敵鰹殡S機橢園偏振光。在磁場作用下,Ne原子能級分裂的情況表示在圖2上。在橫向磁場作用下,Ne原子增益曲線分裂成三條(見圖3a)加上諧振腔的作用,使6328
He-Ne激光器輸出互相垂直的兩束偏振光,一個是π光,其電矢量平行于磁場,光強用Iπ表示,另一個是σ光,其電矢量垂直于磁場,光強用Iσ表示,隨著橫向磁場強度的增加,二偏振分量有如圖4a所示的變化。當場強H較大時,Iπ達到飽和,Iσ趨于零,激光器只輸出π分量的線偏振光,達到磁起偏的目的。在縱向磁場作用下,Ne原子增益曲線分裂成兩條,見圖3b,He-Ne激光器輸出左右圓偏振光。光強隨縱向磁場的變化如圖4b所示。
1)橫向塞曼效應實驗見圖10,首先在滑塊3、3′上裝橫向磁場永久磁鐵1,1′。打開激光器電源,紅色激光束通過可調分束角棱鏡9分成兩束互相垂直的偏振光,到達光電探測器10、10′后,由兩個光強顯示器11、11′顯示,轉動手輪5,二磁鐵1、1′的間距從60~295mm變化,則磁場強度由40-600高斯變化(可以做成0-1000高斯)在光強顯示器11、11′上可看到其中一個的指示數(shù)增加。另一個指示數(shù)下降,如每隔20高斯取一個點,則圖4a所示的曲線即可畫出。
2)縱向塞曼效應實驗見圖11,取下橫向磁場永久磁鐵,換上縱向磁場永久磁鐵,打開激光器電源,左、右圓偏振激光通過λ/4波片8和可調分束角棱鏡9,變成互相垂直的線偏振光,分別到達光電探測器10、10′上,由光強顯示器11、11′顯示,轉動手輪5改變縱向磁場強度,由30~400高斯變化,(可以做成0~400高斯)每隔30高斯取一個點,即可畫出如圖4b所示的光強變化曲線。
2.激光綜合實驗1)模偏振實驗見圖12,去掉永久磁鐵1、1′,使He-Ne激光束對準掃描干涉儀13,從示波器13′上可見到激光輸出縱模情況。旋轉偏振片12,可看到縱模個數(shù)發(fā)生變化,即反映出每個縱模的偏振態(tài)不同。
見圖13,加上橫向磁場,使磁場強度增加,直到磁起偏,通過偏振片可檢出各縱模偏振方向相同。
2)模崩潰實驗見圖14,調整二磁鐵之間距,使磁場強度達到特征磁場強度H特,即塞曼分裂間隔近似等于模間隔時的磁場強度。對于腔長為250mm激光管,大約在300高斯左右。激光尾光通過偏振片14,光電探測器15,前置放大器16,到達示波器20,可測出幾十~幾百KHZ的拍頻信號,同時,激光管輸出端光束到達掃描干涉儀13,在示波器13′可見到2~3個縱模崩潰成一個縱模的現(xiàn)象。
當磁場強度H≠H特時,崩潰現(xiàn)象不明顯,無拍頻信號。從對這一現(xiàn)象的觀察和解釋中,可以加深對模競爭、頻率牽引效應的理解。
3)畫出橫向磁場的拍頻曲線見圖15,激光管尾光光束通過45°放置的偏振片14,對準光電探測器15,改變橫向磁場,使其達到模崩潰的磁場(約300高斯左右)從示波器20上見到拍頻信號,接通記錄儀21,從示波器13′上觀察到模在頻率坐標上移動時,畫出拍頻調諧曲線,如圖7所示。
如給出一基準信號△f′,通過伺服系統(tǒng)(22)控制腔長,使崩潰后的單模穩(wěn)頻在增益曲線的某一點上,則達到穩(wěn)定激光頻率的目的,使實驗者理解橫向塞曼穩(wěn)頻激光器的原理,也可做縱向塞曼穩(wěn)頻實驗。
在磁場作用下,偏振光強的變化,單模崩潰區(qū)域、拍頻曲線的斜率均與激光管諧振腔各向異性的大小,所充氣體的比例、純度、壓力等有關,與磁場強度的大小有關。故可在此實驗裝置上測量激光管在這方面的性能。
3.按圖15,改變橫、縱向磁場強度,也可做出如圖9所示的拍頻隨磁場變化(△f(H)-H)曲線,反映出在橫、縱向磁場作用下塞曼分裂間隔不同,拍頻大小也不同。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.用激光功率計接收二偏振態(tài)光強的變化,光強強,易觀察,偏振現(xiàn)象清楚。
2.利用永久磁鐵產生磁場,搖動手輪即可改變磁場強度,全套裝置簡單,重量輕,操作方便。
3.一機多用,能做“原子物理學”“量子力學”中的塞曼效應實驗,與通用示波器、掃描干涉儀、記錄儀配合,還能揭示激光各縱模的偏振態(tài)、模競爭、頻率牽引、塞曼穩(wěn)頻用拍頻曲線等現(xiàn)象。也是“激光原理”、“激光技術與器件”等課程的一個綜合實驗裝置。同時還可作為測量He-Ne激光塞曼穩(wěn)頻管的模崩潰區(qū)域,拍頻曲線斜率等特性的測試儀器。加上穩(wěn)頻線路即可作為穩(wěn)頻激光器使用。也可單獨作為磁起偏激光器使用。
權利要求
1.一種激光塞曼效應實驗方法,是激光在磁場作用下一條譜線分裂成幾條偏振化譜線的現(xiàn)象即塞曼效應,其特征在于,用6328
He-Ne激光在磁場作用下偏振光強(或拍頻信號)隨磁場變化的實驗方法來揭示塞曼分裂、模競爭、模偏振、頻率牽引、拍頻曲線等物理現(xiàn)象。
2.按權利要求
1所述的方法,其特征在于,所采用的實驗裝置是由光源〔6〕,分光鏡〔7〕,λ/4波片〔8〕,可調分束角棱鏡〔9〕,偏振片〔12〕、〔14〕,前置放大器〔16〕,光電探測器〔10〕、〔10′〕、〔15〕,光強顯示器〔11〕、〔11′〕,f-v變換器〔17〕,永久磁鐵〔1〕、〔1′〕組成。
3.按權利要求
2所述的實驗裝置,其特征在于,轉動手輪〔5〕,絲杠〔4〕、〔4′〕旋轉,連續(xù)均勻地改變永久磁鐵〔1〕、〔1′〕的間距,使橫向磁場的變化為0-1000高斯,縱向磁場的變化為0-400高斯。
4.按權利要求
2所述的實驗裝置,其特征在于(1)由He-Ne激光管〔6〕,永久磁鐵〔1〕、〔1′〕(橫向磁場),可調分束角棱鏡〔9〕,光電探測器〔10〕、〔10′〕,光強顯示器〔11〕、〔11′〕組成的實驗裝置可做橫向塞曼效應實驗;(2)將(1)實驗裝置中的永久磁鐵〔1〕、〔1′〕做成縱向磁場,加λ/4波片〔8〕組成的實驗裝置可做縱向塞曼效應實驗;(3)由He-Ne激光管〔6〕,偏振片〔12〕,掃描干涉儀〔13〕,示波器〔13′〕組成的實驗裝置可做模偏振實驗;(4)由He-Ne激光管〔6〕,永久磁鐵〔1〕、〔1′〕(橫向磁場),分光鏡〔7〕,偏振片〔12〕,掃描干涉儀〔13〕,示波器〔13′〕,可調角分束棱鏡〔9〕,光電探測器〔10〕、〔10′〕,光強顯示器〔11〕、〔11′〕組成的實驗裝置可同時觀察模偏振及其光強和模崩潰現(xiàn)象;(5)由He-Ne激光管〔6〕,永久磁鐵〔1〕、〔1′〕(橫向磁場),掃描干涉儀〔13〕,示波器〔13′〕、〔20〕,偏振片〔14〕,光電探測器〔15〕,前置放大器〔16〕組成的實驗裝置可做模崩潰實驗;(6)在(5)實驗裝置中加上f-v變換器〔17〕及記錄儀〔21〕組成的實驗裝置可畫出拍頻曲線。(7)用穩(wěn)頻管代替(5)、(6)實驗裝置中的He-Ne管〔6〕,再加上穩(wěn)頻器〔22〕可做塞曼穩(wěn)頻實驗。
專利摘要
通過受激輻射的Ne原子激光譜線6328在磁場中偏振態(tài)的變化及不同偏振態(tài)之間拍頻的變化揭示塞曼分裂及激光原理中模偏振態(tài)、模競爭、頻率牽引、塞曼穩(wěn)頻調諧曲線等現(xiàn)象。
文檔編號H01S3/098GK86105078SQ86105078
公開日1987年3月25日 申請日期1986年8月14日
發(fā)明者王惠文 申請人:北京工業(yè)學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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