CN86105078A

CN86105078A - 激光塞曼效应实验方法及装置

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Publication number: CN86105078A
Application number: CN 86105078
Authority: CN
Inventors: 王惠文
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 1986-08-14
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1987-03-25
Also published as: CN86105078B

Abstract

通过受激辐射的Ne原子激光谱线6328在磁场中偏振态的变化及不同偏振态之间拍频的变化揭示塞曼分裂及激光原理中模偏振态、模竞争、频率牵引、塞曼稳频调谐曲线等现象。

用普通内腔式He-Ne管作光源。用永久磁铁产生磁场，横、纵向磁场分别在0～1000高斯、0～400高斯范围内连续变化。将光源、磁极、光电接收元件、前置放大器、光学元件装在平台上；将激光电源、f-v变换器、数字显示器、稳压电源稳频器等装成一体，结构简单，使用方便。

Description

适用于高等院校理科、偏理工科或师范院校的近代物理实验。

现有的塞曼效应实验一般都是用7000～8000伏霓虹灯变压器点燃的水银灯作光源。Hg的原子能级分裂要在几千高斯的磁场作用下，才能看到能级分裂的现象，用激磁线圈产生几千～上万高斯的磁场，磁铁的体积大而笨重，还要用调压器等辅助设备。由于自发辐射荧光光源谱线光强较弱。整套系统调整不方便，偏振现象不直观，用肉眼观察很难分辨，照相又较麻烦，国内虽有用记录仪，扫描干涉仪记录偏振态的实验装置，但光源、磁场仍采用上述的装置，通过F-P标准具照相观察塞曼分裂现象。

为了解决上述问题，本发明提供了一种实验方法和装置，揭示原子物理中的塞曼分裂及激光原理中的模偏振态、模竞争、频率牵引、塞曼稳频调谐曲线等现象。

本实验装置由普通内腔式He-Ne管（作光源），永久磁铁（产生磁场，通过改变磁极间距改变磁场强度），光电接收元件，前置放大器，光学元件，f-v变换器（频率-电压变换器），数字显示器，激光电源，稳频器等组成。

图1是激光塞曼效应实验机构原理图，

图2是Ne原子能级分裂图，图2a是Ne原子6328

自发辐射谱线在磁场作用下的分裂情况，图2b横向磁场下的分裂情况，图2c是纵向磁场下的分裂情况，

图3是He-Ne激光器中Ne原子增益曲线在磁场中的分裂，

图3a是在横向磁场作用下Ne原子的增益曲线，

图3b是在纵向磁场作用下Ne原子的增益曲线，

图4是激光输出光强随磁场的变化情况，

图4a是横向磁场作用下光强随磁场的变化情况;图4b是纵向磁场作用下光强随磁场的变化情况，

图5是激光各纵模的偏振态，图5a是激光输出三个纵模的偏振态，图5b是激光输出二个纵模的偏振态，

图6是横向磁场作用下模崩溃现象，图6a是激光输出的二个纵模，图6b是崩溃为一个纵模的情况，

图7是横向磁场作用下模崩溃时的拍频调谐曲线，

图8是在某一纵向磁场作用下的拍频调谐曲线，

图9是在横、纵向磁场作用下的拍频信号变化情况，

图9a是在横向磁场作用下的拍频信号随磁场变化的情况，

图9b是在纵向磁场作用下的拍频信号随磁场变化的情况，

图10是横向塞曼效应实验装置示意图，

图11是纵向塞曼效应实验装置示意图，

图12是模偏振实验装置示意图，

图13是同时观察模偏振、模崩溃实验装置示意图，

图14是模崩溃实验装置示意图，

图15是拍频曲线实验装置示意图。

实施例：

1、1′为可更换的永久磁铁做成的磁极，它们分别固定在滑块3、3′上，4、4′为左右旋丝杠，通过螺纹与滑块3、3′连接，转动丝杠4′上的手轮5，使滑块3、3′在固定于底板23上的压条2、2′中滑动，使磁铁1、1′对称于激光管6的两边均匀连续地改变其间距（60～295mm）来改变磁场强度。横向磁场从40-600高斯变化，纵向磁场从30-400高斯变化（也可用电磁铁产生磁场），激光管6为可见6328

内腔式He-Ne激光管，腔长L为180～300mm（也可用L＝150mm的单频管，但看不到单模崩溃现象）输出功率最好大于1mw。如用稳频内腔管，在激光管谐振腔反射镜上加上压电陶瓷用锯齿波发生器控制腔长，或者在激光管上绕上电阻丝，用加热方法控制腔长来观察光强随磁场变化，则效果更好。7为分光镜，将6328

激光束分成两束，一束用于观察光强变化，一束用来观察模式变化。8为λ/4波片用来将左、右园偏振光变成线偏振光，9为可调分束角棱镜（型号为LSP-8A），可将两束互相垂直的偏振光检出。10、10′为激光光强探测器（也叫激光功率探测器），采用硅光电池，11、11′为光强显示器（也叫功率计指示表头），用指针式或数字式，以显示二垂直分量光强的变化，12为偏振片，用以观察激光模偏振态，13为扫描干涉仪头部，13′为扫描干涉仪的示波器，用来观察激光模式。激光尾光光束通过偏振片14（45°放置）将二垂直分量的拍频信号送入光电探测器15（光电三极管）经放大器16通过f-V变换器17变成电压信号送入记录仪21画出模崩溃时拍频调谐曲线。也可以从放大器16取出拍频信号输入示波器20显示出来，18为放大器和f-V变换器的电源±15v，19为激光管电源，22为稳频线路。

将可变磁场、光源、光学器件、激光功率计探头、放大器等安装在底板23上，将激光功率计表头、放大器及f-v变换器和稳压电源、激光电源、稳频线路等装在底板23的下面，就构成了一台完整的仪器，也可以将电子线路部分、光机部分分别做成一个机箱。

将本实验装置各部分加以不同的组合，可进行各种实验：

1.原子物理塞曼效应实验：

对于内腔式6328

He-Ne激光器，各纵模的偏振态是不同的，相邻纵模偏振方向互相垂直。总的激光输出为随机椭园偏振光。在磁场作用下，Ne原子能级分裂的情况表示在图2上。在横向磁场作用下，Ne原子增益曲线分裂成三条（见图3a）加上谐振腔的作用，使6328

He-Ne激光器输出互相垂直的两束偏振光，一个是π光，其电矢量平行于磁场，光强用I_π表示，另一个是σ光，其电矢量垂直于磁场，光强用I_σ表示，随着横向磁场强度的增加，二偏振分量有如图4a所示的变化。当场强H较大时，I_π达到饱和，I_σ趋于零，激光器只输出π分量的线偏振光，达到磁起偏的目的。在纵向磁场作用下，Ne原子增益曲线分裂成两条，见图3b，He-Ne激光器输出左右圆偏振光。光强随纵向磁场的变化如图4b所示。

1）横向塞曼效应实验：见图10，首先在滑块3、3′上装横向磁场永久磁铁1，1′。打开激光器电源，红色激光束通过可调分束角棱镜9分成两束互相垂直的偏振光，到达光电探测器10、10′后，由两个光强显示器11、11′显示，转动手轮5，二磁铁1、1′的间距从60～295mm变化，则磁场强度由40-600高斯变化（可以做成0-1000高斯）在光强显示器11、11′上可看到其中一个的指示数增加。另一个指示数下降，如每隔20高斯取一个点，则图4a所示的曲线即可画出。

2）纵向塞曼效应实验：见图11，取下横向磁场永久磁铁，换上纵向磁场永久磁铁，打开激光器电源，左、右圆偏振激光通过λ/4波片8和可调分束角棱镜9，变成互相垂直的线偏振光，分别到达光电探测器10、10′上，由光强显示器11、11′显示，转动手轮5改变纵向磁场强度，由30～400高斯变化，（可以做成0～400高斯）每隔30高斯取一个点，即可画出如图4b所示的光强变化曲线。

2.激光综合实验：

1）模偏振实验：见图12，去掉永久磁铁1、1′，使He-Ne激光束对准扫描干涉仪13，从示波器13′上可见到激光输出纵模情况。旋转偏振片12，可看到纵模个数发生变化，即反映出每个纵模的偏振态不同。

见图13，加上横向磁场，使磁场强度增加，直到磁起偏，通过偏振片可检出各纵模偏振方向相同。

2）模崩溃实验：见图14，调整二磁铁之间距，使磁场强度达到特征磁场强度H特，即塞曼分裂间隔近似等于模间隔时的磁场强度。对于腔长为250mm激光管，大约在300高斯左右。激光尾光通过偏振片14，光电探测器15，前置放大器16，到达示波器20，可测出几十～几百KHZ的拍频信号，同时，激光管输出端光束到达扫描干涉仪13，在示波器13′可见到2～3个纵模崩溃成一个纵模的现象。

当磁场强度H≠H特时，崩溃现象不明显，无拍频信号。从对这一现象的观察和解释中，可以加深对模竞争、频率牵引效应的理解。

3）画出横向磁场的拍频曲线：见图15，激光管尾光光束通过45°放置的偏振片14，对准光电探测器15，改变横向磁场，使其达到模崩溃的磁场（约300高斯左右）从示波器20上见到拍频信号，接通记录仪21，从示波器13′上观察到模在频率坐标上移动时，画出拍频调谐曲线，如图7所示。

如给出一基准信号△f′，通过伺服系统（22）控制腔长，使崩溃后的单模稳频在增益曲线的某一点上，则达到稳定激光频率的目的，使实验者理解横向塞曼稳频激光器的原理，也可做纵向塞曼稳频实验。

在磁场作用下，偏振光强的变化，单模崩溃区域、拍频曲线的斜率均与激光管谐振腔各向异性的大小，所充气体的比例、纯度、压力等有关，与磁场强度的大小有关。故可在此实验装置上测量激光管在这方面的性能。

3.按图15，改变横、纵向磁场强度，也可做出如图9所示的拍频随磁场变化（△f（H）-H）曲线，反映出：在横、纵向磁场作用下塞曼分裂间隔不同，拍频大小也不同。

本发明具有如下优点

1.用激光功率计接收二偏振态光强的变化，光强强，易观察，偏振现象清楚。

2.利用永久磁铁产生磁场，摇动手轮即可改变磁场强度，全套装置简单，重量轻，操作方便。

3.一机多用，能做“原子物理学”“量子力学”中的塞曼效应实验，与通用示波器、扫描干涉仪、记录仪配合，还能揭示激光各纵模的偏振态、模竞争、频率牵引、塞曼稳频用拍频曲线等现象。也是“激光原理”、“激光技术与器件”等课程的一个综合实验装置。同时还可作为测量He-Ne激光塞曼稳频管的模崩溃区域，拍频曲线斜率等特性的测试仪器。加上稳频线路即可作为稳频激光器使用。也可单独作为磁起偏激光器使用。

Claims

1、一种激光塞曼效应实验方法，是激光在磁场作用下一条谱线分裂成几条偏振化谱线的现象即塞曼效应，其特征在于，用6328

He-Ne激光在磁场作用下偏振光强(或拍频信号)随磁场变化的实验方法来揭示塞曼分裂、模竞争、模偏振、频率牵引、拍频曲线等物理现象。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的实验装置是由光源〔6〕，分光镜〔7〕，λ/4波片〔8〕，可调分束角棱镜〔9〕，偏振片〔12〕、〔14〕，前置放大器〔16〕，光电探测器〔10〕、〔10′〕、〔15〕，光强显示器〔11〕、〔11′〕，f-v变换器〔17〕，永久磁铁〔1〕、〔1′〕组成。

3、按权利要求2所述的实验装置，其特征在于，转动手轮〔5〕，丝杠〔4〕、〔4′〕旋转，连续均匀地改变永久磁铁〔1〕、〔1′〕的间距，使横向磁场的变化为0-1000高斯，纵向磁场的变化为0-400高斯。

4、按权利要求2所述的实验装置，其特征在于：

（1）由He-Ne激光管〔6〕，永久磁铁〔1〕、〔1′〕（横向磁场），可调分束角棱镜〔9〕，光电探测器〔10〕、〔10′〕，光强显示器〔11〕、〔11′〕组成的实验装置可做横向塞曼效应实验;

（2）将（1）实验装置中的永久磁铁〔1〕、〔1′〕做成纵向磁场，加λ/4波片〔8〕组成的实验装置可做纵向塞曼效应实验;

（3）由He-Ne激光管〔6〕，偏振片〔12〕，扫描干涉仪〔13〕，示波器〔13′〕组成的实验装置可做模偏振实验;

（4）由He-Ne激光管〔6〕，永久磁铁〔1〕、〔1′〕（横向磁场），分光镜〔7〕，偏振片〔12〕，扫描干涉仪〔13〕，示波器〔13′〕，可调角分束棱镜〔9〕，光电探测器〔10〕、〔10′〕，光强显示器〔11〕、〔11′〕组成的实验装置可同时观察模偏振及其光强和模崩溃现象;

（5）由He-Ne激光管〔6〕，永久磁铁〔1〕、〔1′〕（横向磁场），扫描干涉仪〔13〕，示波器〔13′〕、〔20〕，偏振片〔14〕，光电探测器〔15〕，前置放大器〔16〕组成的实验装置可做模崩溃实验;

（6）在（5）实验装置中加上f-v变换器〔17〕及记录仪〔21〕组成的实验装置可画出拍频曲线。

（7）用稳频管代替（5）、（6）实验装置中的He-Ne管〔6〕，再加上稳频器〔22〕可做塞曼稳频实验。