Войти
Гелий-неоновый лазер в Университете Хемница, Германия A гелий-неоновый лазер или He-Ne лазер, представляет собой тип газового лазера, усиливающая среда которого состоит из смеси 90% гелия и 10% гелия. неон при общем давлении около 1 торр внутри небольшого электрического разряда. Самый известный и широко используемый гелий-неоновый лазер работает на длине волны 632,8 нм в красной части видимого спектра.
Первые гелий-неоновые лазеры излучали инфракрасное с длиной волны 1,15 мкм и были первыми газовыми лазерами. Однако лазер, работающий на видимых длинах волн, был гораздо более востребован, и был исследован ряд других неоновых переходов, чтобы определить те, в которых может быть достигнута инверсия населенности. Было обнаружено, что линия 633 нм имеет наибольшее усиление в видимом спектре, что делает эту длину волны предпочтительной для большинства гелий-неоновых лазеров. Однако возможны другие длины волн стимулированного излучения в видимом и инфракрасном диапазоне, а также за счет использования зеркальных покрытий с их пиковым коэффициентом отражения на этих других длинах волн; He-Ne лазеры могут быть созданы для использования этих переходов, включая видимые лазеры красного, оранжевого, желтого и зеленого цветов. Стимулированное излучение известно от более 100 мкм в дальней инфракрасной области до 540 нм в видимой области.
Поскольку видимые переходы имеют несколько меньшее усиление, эти лазеры, как правило, имеют меньшую выходную эффективность и более дорогие. Переход 3,39 мкм имеет очень высокое усиление, но его нельзя использовать в обычном гелий-неоновом лазере (с другой предполагаемой длиной волны), поскольку резонатор и зеркала имеют потери на этой длине волны. Однако в мощных гелий-неоновых лазерах с особенно длинным резонатором суперлюминесценция при 3,39 мкм может стать помехой, отнимая мощность у среды стимулированного излучения, часто требуя дополнительного подавления.
Самый известный и наиболее широко используемый гелий-неоновый лазер работает на длине волны 632,8 нм в красной части видимого спектра. Он был разработан в Bell Telephone Laboratories в 1962 году, через 18 месяцев после новаторской демонстрации в той же лаборатории первого инфракрасного газового лазера He-Ne в декабре 1960 года.
усиливающая среда лазера, как следует из его названия, представляет собой смесь газов гелия и неона примерно в соотношении 9: 1, содержащаяся при низком давлении в стеклянной оболочке. Газовая смесь в основном состоит из гелия, поэтому можно возбуждать атомы гелия. Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, возбуждая некоторые из них до состояния, излучающего 632,8 нм. Без гелия атомы неона были бы возбуждены в основном в более низкие возбужденные состояния, ответственные за нелазерные линии.
Неоновый лазер без гелия может быть сконструирован, но это намного труднее без этого средства передачи энергии. Следовательно, гелий-неоновый лазер, который потерял достаточное количество гелия (например, из-за диффузии через уплотнения или стекло), потеряет свои функциональные возможности, поскольку эффективность накачки будет слишком низкой. Источник энергии или накачки лазера обеспечивается высоковольтным электрическим разрядом, пропускаемым через газ между электродами (анод и катод ) внутри трубки. Для работы в непрерывном режиме обычно требуется постоянный ток от 3 до 20 мА. оптический резонатор лазера обычно состоит из двух вогнутых зеркал или одного плоского и одного вогнутого зеркала: одно имеет очень высокий (обычно 99,9%) коэффициент отражения, и зеркало выходного ответвителя позволяет приблизительно 1% передача.
Принципиальная схема гелий-неонового лазера Коммерческие гелий-неоновые лазеры - это относительно небольшие устройства среди газовых лазеров, длина резонатора которых обычно составляет от 15 до 50 см (но иногда до 1 метра для достижения максимальной мощности), и уровни оптического выхода мощности в диапазоне от 0,5 до 50 м W.
Длина волны красного гелий-неонового лазера 633 нм имеет фактическую длину волны в вакууме 632,991 нм, или около 632,816 нм в воздухе. Длины волн мод стимулированного излучения лежат в пределах примерно 0,001 нм выше или ниже этого значения, и длины волн этих мод смещаются в этом диапазоне из-за теплового расширения и сжатия полости. Стабилизированные по частоте версии позволяют задавать длину волны одной моды с точностью до 1 части из 10 посредством метода сравнения мощностей двух продольных мод в противоположных поляризациях. Абсолютная стабилизация частоты (или длины волны) лазера до 2,5 частей на 10 может быть достигнута с помощью ячейки для поглощения йода.
Уровни энергии в гелий-неоновом лазере Механизм, вызывающий инверсию населенности и усиление света в плазме гелий-неонового лазера происходит из-за неупругого столкновения энергичных электронов с атомами гелия в основном состоянии в газовой смеси. Как показано на прилагаемой диаграмме энергетических уровней, эти столкновения переводят атомы гелия из основного состояния в возбужденные состояния с более высокой энергией, среди которых 2S 1 и 2S 0(LS, или связь Рассела – Саундера, связь, номер фронта 2 указывает, что возбужденный электрон находится в состоянии n = 2) являются долгоживущими метастабильными состояниями. Из-за случайного совпадения энергетических уровней двух метастабильных состояний He и уровней неона 5s 2 и 4s 2(Пашена ) столкновения между этими метастабильными атомами гелия и землей -состояние атомов неона приводит к селективной и эффективной передаче энергии возбуждения от гелия к неону. Этот процесс передачи энергии возбуждения описывается уравнениями реакции
, где * представляет возбужденное состояние, а ΔE - небольшая разность энергий между энергетическими состояниями двух атомов, порядка 0,05 эВ или 387 см, которая обеспечивается кинетической энергией. Передача энергии возбуждения увеличивает населенность неоновых уровней 4s 2 и 5s 2 во много раз. Когда населенность этих двух верхних уровней превышает населенность соответствующего нижнего уровня 3p 4, с которым они оптически связаны, присутствует инверсия населенностей. Среда становится способной усиливать свет в узкой полосе на 1,15 мкм (соответствует переходу от 4s 2 к 3p 4) и в узкой полосе при 632,8 нм (соответствует переходу 5s 2 к переходу 3p 4). Уровень 3p 4 эффективно опустошается за счет быстрого радиационного распада в состояние 3s, в конечном итоге достигая основного состояния.
Остающийся шаг в использовании оптического усиления для создания оптического генератора заключается в размещении зеркал с высокой отражающей способностью на каждом конце усиливающей среды, чтобы волна в определенной Пространственная мода будет отражаться обратно в себя, получая за каждый проход больше мощности, чем теряется из-за прохождения через зеркала и дифракции. Когда эти условия выполняются для одной или нескольких продольных мод, тогда излучение в этих режимах будет быстро нарастать до тех пор, пока не произойдет насыщение усиления, что приведет к стабильному непрерывному выходу лазерного луча через фронт (обычно 99% отражающее) зеркало.
Спектр гелий-неонового лазера, демонстрирующий его очень высокую спектральную чистоту (ограниченную измерительным прибором). Ширина полосы частот стимулированного излучения 0,002 нм более чем в 10000 раз уже, чем спектральная ширина светодиода (см. его спектр для сравнения), при этом ширина полосы одиночной продольной моды намного уже. В полосе усиления гелий-неонового лазера преобладает доплеровское уширение, а не уширение под давлением из-за низкого давления газа, и поэтому она довольно узкая: всего около 1,5 Полная ширина в ГГц для перехода 633 нм. С полостями, имеющими типичную длину от 15 до 50 см, это позволяет одновременно колебаться от 2 до 8 продольных мод (однако для специальных применений доступны блоки с одной продольной модой). Видимый выход красного гелий-неонового лазера, большая длина когерентности и превосходное пространственное качество делают этот лазер полезным источником голографии и эталоном длины волны для спектроскопия. Стабилизированный гелий-неоновый лазер также является одной из эталонных систем для определения измерителя.
До изобретения дешевых, широко распространенных диодных лазеров красные гелий-неоновые лазеры были широко распространены. используется в сканерах штрих-кода на кассах супермаркетов. В лазерных гироскопах использовались гелий-неоновые лазеры, работающие на длине волны 633 нм в конфигурации кольцевого лазера. He-Ne лазеры обычно используются в учебных и исследовательских оптических лабораториях.
Красные гелий-неоновые лазеры находят огромное промышленное и научное применение. Они широко используются в лабораторных демонстрациях в области оптики из-за их относительно низкой стоимости и простоты эксплуатации по сравнению с другими лазерами видимого диапазона, производящими лучи аналогичного качества с точки зрения пространственной когерентности (одиночный режим гауссов пучок ) и большая длина когерентности (однако примерно с 1990 г. полупроводниковые лазеры стали более дешевой альтернативой для многих таких приложений). Потребительское применение красного гелий-неонового лазера - проигрыватель LaserDisc, произведенный Pioneer. В устройстве используется лазер для чтения оптических дисков .
