[发明专利]一种演示三能级激光器工作原理的实验系统及方法

说明书

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。

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。