CN109064856B - 一种演示三能级激光器工作原理的实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种演示三能级激光器工作原理的实验系统及方法，实验系统包括：电磁跳球矩阵组，仪器箱体和激光显示系统。实验方法包括：程序控制电磁跳球矩阵组中少数跳球上跳、悬停和回落的动作模拟激光物质的热激发过程；通过按键控制电磁跳球矩阵组中多数跳球上跳、悬停和回落的动作并配合系统发光模拟激光物质的泵浦和受激辐射过程。本发明仪器操作简单，形象地演示了三能级激光器工作原理，变微观为宏观，化抽象为形象，激发学生的学习兴趣，加深了学生对三能级激光器工作原理的理解。
Description
技术领域
本发明涉及物理演示实验领域技术领域，具体涉及一种演示三能级激光器工作原理的实验系统及方法。
背景技术
大多数激光器主要由三个基本部分组成:激光工作物质,泵浦源和谐振腔.对于三能级激光器,以掺铒激光器为例,铒离子存在三个能级:E1为基态；E2为亚稳态；E3为激发态。在一般状态下,绝大多数的铒离子都处于基态,只有小部分的离子由热激发，从低能级跃迁到高能级，然后再通过自发跃迁回到基态，这个过程称为自发辐射，此过程不产生激光。当用980nm的泵浦源去照射工作物质，则大部分离子会被激发到高能级E3，这个能级是不稳定的，通过无辐射跃迁离子跃迁到亚稳态E2，此时亚稳态上的离子数多于基态上的离子数，实现粒子数反转；然后用1550nm的光去照射工作物质，则处于亚稳态的粒子集体跃迁到基态，并辐射出1550nm的激光，此过程称为受激辐射，从而产生光放大。
激光的产生是一个微观的量子行为，可以通过电磁跳球来演示这一过程。当一个闭合的金属环处于外加交变磁场中，根据法拉第电磁感应定律，在闭合金属环内会产生环形的感生电流，根据安培定律，环形电流在磁场中又会受到安培力，由于外加磁场与感生电流产生的磁场反向，于是金属环受到一个斥力使金属环向上跳起；当磁场持续一段时间，金属环会悬浮于磁场中；当磁场消失时，金属环又回到原位，这个过程可以用于演示粒子的跃迁过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种演示三能级激光器工作原理的实验系统及方法，用于模拟电子跃迁和受激辐射的过程。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种演示三能级激光器工作原理的实验系统，包括仪器箱体、电磁跳球矩阵组、激光显示系统和仪器控制面板；
所述仪器箱体包括有发光背板，所述发光背板作为仪器箱体的其中一块侧面板，在发光背板的一侧边上设置有两个位置传感器，所述位置传感器与电磁跳球矩阵组中一个电磁跳球系统对齐；
所述电磁跳球矩阵组设置在仪器箱体内，电磁跳球矩阵组由若干个电磁跳球系统均匀排布组成；
所述激光显示系统设置在仪器箱体侧边，其由半导体激光器和设置在半导体激光器输出端的光导玻璃棒组成；
所述仪器控制面板由程序控制模块和按键开关组成，所述按键开关包括仪器电源开关、热激发演示开关、泵浦开关、受激跃迁演示开关和连续自动演示开关。
进一步改进在于，所述仪器箱体还包括四块透明挡板，四块透明挡板分别作为仪器箱体的前侧面板、左侧面板、右侧面板和顶端面板，所述发光背板为仪器箱体的后侧面板。
进一步改进在于，所述发光背板是由外层板和内层板组成的双层结构，所述外层板上安装有红色LED灯和蓝色LED灯，所述内层板为半透明塑料板，其面向电磁跳球矩阵组安装。
进一步改进在于，所述红色LED灯和蓝色LED灯在外层板上相间排列。
进一步改进在于，所述电磁跳球系统由密绕线圈、软铁棒、轻质球和铝环组成，所述密绕线圈设在仪器箱体的底板上，所述软铁棒竖直插进密绕线圈中，所述铝环水平固定在轻质球的内部，所述轻质球带有竖直中空管道，轻质球穿套在软铁棒上。
进一步改进在于，当所述密绕线圈通电时，轻质球向上跳起，密绕线圈断电后轻质球自由下落；当所述密绕线圈持续通电时，轻质球悬停在软铁棒上的某一位置，且该位置处设有色环。
进一步改进在于，两个位置传感器与最接近的电磁跳球系统对齐，且位于上方的位置传感器对准该电磁跳球系统中的所述色环的位置，位于下方的位置传感器对准该电磁跳球系统中的底部位置。
进一步改进在于，所述电磁跳球矩阵由28个电磁跳球系统组成，且28个电磁跳球系统在仪器箱体内呈4×7排列。
一种演示三能级激光器工作原理的实验方法，步骤包括
步骤一、按下仪器电源开关，程序控制模块进行程序初始化，实验系统处于待机状态；
步骤二、按下热激发演示开关，程序控制模块随机选择少于半数的电磁跳球系统进入工作状态，电磁跳球系统先上跳，接着回落并悬停在标记位置若干秒后回落至初始位置，上述过程循环进行，再次按下热激发演示开关，上述过程停止；
步骤三、按下泵浦开关，发光背板的蓝色LED灯亮起，程序控制模块随机选择多于半数的电磁跳球系统进入工作状态，电磁跳球系统完成上跳、下落并悬停在标记位置；
步骤四、按下受激跃迁演示开关，发光背板的蓝色LED灯关闭，红色LED灯亮起，步骤三中的电磁跳球系统下落至初始位置，红色LED灯关闭，半导体激光器工作，由光导玻璃棒散射出红色激光；
步骤五、重复步骤三和步骤四的操作；
步骤六、按下连续自动演示开关，发光背板的蓝色LED灯亮起，随机选择多于半数的电磁跳球系统进入工作状态，电磁跳球系统完成上跳、下落并悬停若干秒后，蓝色LED灯熄灭，红色LED灯亮起，电磁跳球系统下落至初始位置，红色LED灯关闭，半导体激光器工作，由光导玻璃棒散射出红色激光，上述过程自动重复；
步骤七、按下仪器电源开关，关闭系统，演示结束。
进一步改进在于，所述电磁跳球系统共有28个，各步骤中所述少于半数均指5个，各步骤中所述多于半数均指20个；各步骤中所述若干秒均指5秒。
本发明的有益效果在于：本发明通过一种演示三能级激光器工作原理的实验系统及实验方法模拟了电子跃迁和受激辐射的过程，仪器操作简单，形象地演示了三能级激光器工作原理，变微观为宏观，化抽象为形象，激发学生的学习兴趣，加深了学生对三能级激光器工作原理的理解，引起学生的学习欲望，培养学生科学实验素养，有效地培养学生的观察能力和实践动手能力。
附图说明
图1为演示三能级激光器工作原理的实验系统结构示意图；
图2为电磁跳球系统的分解结构示意图；
图3为发光背板的结构示意图；
图中：1-仪器电源开关，2-热激发演示开关，3-泵浦开关，4-受激跃迁演示开关，5-连续自动演示开关，6-电磁跳球系统，7-透明挡板，8-发光背板，9-位置传感器，10-半导体激光器，11-光导玻璃棒，12-密绕线圈，13-软铁棒，14-轻质球，15-铝环，16-红色LED灯，17-蓝色LED灯，18-内层板，19-外层板。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1至3所示，一种演示三能级激光器工作原理的实验系统，包括仪器箱体、电磁跳球矩阵组、激光显示系统和仪器控制面板；
仪器箱体包括有发光背板8，发光背板8作为仪器箱体的其中一块侧面板，发光背板8是由外层板19和内层板18组成的双层结构，外层板19上安装有红色LED灯16和蓝色LED灯17，红色LED灯16和蓝色LED灯17在外层板19上相间排列。内层板18为半透明塑料板，其面向电磁跳球矩阵组安装。仪器箱体还包括四块透明挡板7，四块透明挡板7分别作为仪器箱体的前侧面板、左侧面板、右侧面板和顶端面板，发光背板8为仪器箱体的后侧面板。在发光背板8的一侧边上设置有两个位置传感器9，位置传感器9与电磁跳球矩阵组中一个电磁跳球系统6对齐。
电磁跳球矩阵组设置在仪器箱体内，电磁跳球矩阵组由若干个电磁跳球系统6均匀排布组成；电磁跳球系统6由密绕线圈12、软铁棒13、轻质球14和铝环15组成，密绕线圈12设在仪器箱体的底板上，软铁棒13竖直插进密绕线圈12中，铝环15水平固定在轻质球14的内部，轻质球14带有竖直中空管道，轻质球14穿套在软铁棒13上。
当密绕线圈12通电时，轻质球14向上跳起，密绕线圈12断电后轻质球14自由下落；当密绕线圈12持续通电时，轻质球14悬停在软铁棒13上的某一位置，且该位置处设有色环。并且，通电时间和时长由程序控制模块根据上述位置传感器9给出的电信号控制。
两个位置传感器9与最接近的电磁跳球系统6对齐，且位于上方的位置传感器9对准该电磁跳球系统6中的所述色环的位置，位于下方的位置传感器9对准该电磁跳球系统6中的底部位置。
激光显示系统设置在仪器箱体侧边，其由半导体激光器10和设置在半导体激光器10输出端的光导玻璃棒11组成；光导玻璃棒11为中空磨砂灯管，当红色激光通过光导玻璃棒11时，散射出红色激光。
仪器控制面板由程序控制模块和按键开关组成，按键开关包括仪器电源开关1、热激发演示开关2、泵浦开关3、受激跃迁演示开关4和连续自动演示开关5。其中，仪器电源开关1控制整个系统的开启与关闭；热激发演示开关2控制热激发演示过程的开启与关闭；泵浦开关3控制电磁跳球系统6的上跳和悬停；受激跃迁演示开关4控制电磁跳球系统6的下落；连续自动演示开关5控制自动演示的开启与关闭。
电磁跳球矩阵由28个电磁跳球系统6组成，且28个电磁跳球系统6在仪器箱体内呈4×7排列。其中靠近位置传感器9的一个电磁跳球系统6与位置传感器9对齐，位置传感器9由此电磁跳球系统6触发。使用时，两个位置传感器9并排固定在发光背板8的一侧，并与该电磁跳球系统6对齐，上面一个监测轻质球在悬停区域的位置，当轻质球14向上跳起经过此位置传感器9时给出电信号，当轻质球14回落再次经过悬停区域时，此位置传感器9再次给出电信号；下面一个位置传感器9用于监测轻质球14位于软铁棒13底部位置，当轻质球14上跳后回落至初始位置时此位置传感器9给出电信号。
一种演示三能级激光器工作原理的实验方法，其基于上述实验系统，具体步骤包括
步骤一、按下仪器电源开关，程序控制模块进行程序初始化，实验系统处于待机状态；
步骤二、按下热激发演示开关，程序控制模块随机选择少于半数的电磁跳球系统(包括与位置传感器对齐的电磁跳球系统)进入工作状态，电磁跳球系统先上跳，接着回落并悬停在标记位置若干秒后回落至初始位置，上述过程循环进行，再次按下热激发演示开关，上述过程停止；
步骤三、按下泵浦开关，发光背板的蓝色LED灯亮起，程序控制模块随机选择多于半数的电磁跳球系统(包括与位置传感器对齐的电磁跳球系统)进入工作状态，电磁跳球系统完成上跳、下落并悬停在标记位置；
步骤四、按下受激跃迁演示开关，发光背板的蓝色LED灯关闭，红色LED灯亮起，步骤三中的电磁跳球系统下落至初始位置，红色LED灯关闭，半导体激光器工作，由光导玻璃棒散射出红色激光；
步骤五、重复步骤三和步骤四的操作；
步骤六、按下连续自动演示开关，发光背板的蓝色LED灯亮起，随机选择多于半数的电磁跳球系统(包括与位置传感器对齐的电磁跳球系统)进入工作状态，电磁跳球系统完成上跳、下落并悬停若干秒后，蓝色LED灯熄灭，红色LED灯亮起，电磁跳球系统下落至初始位置，红色LED灯关闭，半导体激光器工作，由光导玻璃棒散射出红色激光，上述过程自动重复；
步骤七、按下仪器电源开关，关闭系统，演示结束。
特别的，电磁跳球系统共有28个，各步骤中少于半数均指5个，各步骤中多于半数均指20个；各步骤中若干秒均指5秒。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种演示三能级激光器工作原理的实验方法，其特征在于：所述实验方法基于实验系统进行，所述实验系统包括仪器箱体、电磁跳球矩阵组、激光显示系统和仪器控制面板；
所述电磁跳球矩阵组设置在仪器箱体内，电磁跳球矩阵组由若干个电磁跳球系统（6）均匀排布组成；
所述仪器箱体包括有发光背板（8），所述发光背板（8）作为仪器箱体的其中一块侧面板，在发光背板（8）的一侧边上设置有两个位置传感器（9），所述位置传感器（9）与电磁跳球矩阵组中一个电磁跳球系统（6）对齐；
所述激光显示系统设置在仪器箱体侧边，其由半导体激光器（10）和设置在半导体激光器（10）输出端的光导玻璃棒（11）组成；
所述仪器控制面板由程序控制模块和按键开关组成，所述按键开关包括仪器电源开关（1）、热激发演示开关（2）、泵浦开关（3）、受激跃迁演示开关（4）和连续自动演示开关（5）；
所述仪器箱体还包括四块透明挡板（7），四块透明挡板（7）分别作为仪器箱体的前侧面板、左侧面板、右侧面板和顶端面板，所述发光背板（8）为仪器箱体的后侧面板；
所述发光背板（8）是由外层板（19）和内层板（18）组成的双层结构，所述外层板（19）上安装有红色LED灯（16）和蓝色LED灯（17），所述内层板（18）为半透明塑料板，其面向电磁跳球矩阵组安装，所述红色LED灯（16）和蓝色LED灯（17）在外层板（19）上相间排列；
所述电磁跳球系统（6）由密绕线圈（12）、软铁棒（13）、轻质球（14）和铝环（15）组成，所述密绕线圈（12）设在仪器箱体的底板上，所述软铁棒（13）竖直插进密绕线圈（12）中，所述铝环（15）水平固定在轻质球（14）的内部，所述轻质球（14）带有竖直中空管道，轻质球（14）穿套在软铁棒（13）上，当所述密绕线圈（12）通电时，轻质球（14）向上跳起，密绕线圈（12）断电后轻质球（14）自由下落；当所述密绕线圈（12）持续通电时，轻质球（14）悬停在软铁棒（13）上的某一位置，且该位置处设有色环；
两个位置传感器（9）与最接近的电磁跳球系统（6）对齐，且位于上方的位置传感器（9）对准该电磁跳球系统（6）中的所述色环的位置，位于下方的位置传感器（9）对准该电磁跳球系统（6）中的底部位置；
所述实验方法的步骤包括：
步骤一、按下仪器电源开关，程序控制模块进行程序初始化，实验系统处于待机状态；
步骤二、按下热激发演示开关，程序控制模块随机选择少于半数的电磁跳球系统进入工作状态，电磁跳球系统先上跳，接着回落并悬停在标记位置若干秒后回落至初始位置，上述过程循环进行，再次按下热激发演示开关，上述过程停止；
步骤三、按下泵浦开关，发光背板的蓝色LED灯亮起，程序控制模块随机选择多于半数的电磁跳球系统进入工作状态，电磁跳球系统完成上跳、下落并悬停在标记位置；
步骤四、按下受激跃迁演示开关，发光背板的蓝色LED灯关闭，红色LED灯亮起，步骤三中的电磁跳球系统下落至初始位置，红色LED灯关闭，半导体激光器工作，由光导玻璃棒散射出红色激光；
步骤五、重复步骤三和步骤四的操作；
步骤六、按下连续自动演示开关，发光背板的蓝色LED灯亮起，随机选择多于半数的电磁跳球系统进入工作状态，电磁跳球系统完成上跳、下落并悬停若干秒后，蓝色LED灯熄灭，红色LED灯亮起，电磁跳球系统下落至初始位置，红色LED灯关闭，半导体激光器工作，由光导玻璃棒散射出红色激光，上述过程自动重复；
步骤七、按下仪器电源开关，关闭系统，演示结束。
2.根据权利要求1所述的一种演示三能级激光器工作原理的实验方法，其特征在于：所述电磁跳球矩阵由28个电磁跳球系统（6）组成，且28个电磁跳球系统（6）在仪器箱体内呈4×7排列。
3.根据权利要求1所述的一种演示三能级激光器工作原理的实验方法，其特征在于：所述电磁跳球系统共有28个，各步骤中所述少于半数均指5个，各步骤中所述多于半数均指20个；各步骤中所述若干秒均指5秒。
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