Гелий-неоновый лазер или He-Ne - лазера , представляет собой тип газового лазера которого усиливающая среда состоит из смеси 10: 1 отношение гелия и неона при общем давлении около 1 мм рт внутри небольшого электрического разряда . Самый известный и широко используемый гелий-неоновый лазер работает на длине волны 632,8 нм в красной части видимого спектра.
История развития гелий-неонового лазера
Первые гелий-неоновые лазеры, излучающие инфракрасное излучение на длине волны 1150 нм, были первыми газовыми лазерами и первыми лазерами с непрерывным выходом волны. 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 видимой области спектра, что делает эту длину волны предпочтительной для большинства гелий-неоновых лазеров. Однако возможны и другие длины волн стимулированного излучения видимого и инфракрасного излучения, а также использование 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. [1] 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 обычно 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 на 3,39 мкм может стать помехой, отнимая мощность у среды стимулированного излучения, часто требуя дополнительного подавления.
Самый известный и 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 [2] [3] через 18 месяцев после пионерской демонстрации в той же лаборатории первого непрерывного инфракрасного газового лазера He-Ne в декабре 1960 года [4].
Строительство и эксплуатация
Усиливающую среду лазера, как это было предложено его название, представляет собой смесь гелия и неона газов, приблизительно в соотношении 10: 1, содержали 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 без этого средства передачи энергии сделать это намного труднее. Следовательно, гелий-неоновый лазер, потерявший достаточное количество гелия (например, из-за диффузии через уплотнения или стекло), потеряет свои функциональные возможности, поскольку эффективность накачки будет слишком низкой. [5] Источник энергии или накачки лазера обеспечивается высоковольтным электрическим разрядом, проходящим через газ между электродами ( анодом и катодом ) внутри трубки. Для работы в непрерывном режиме обычно требуется постоянный ток от 3 до 20 мА . Оптический резонатор лазера , как правило , состоит из двух вогнутых зеркал или одной плоскости и одного вогнутого зеркала: один , имеющая очень высокие (обычно 99,9%) коэффициента отражения, а выходной ответвитель зеркало позволяет передавать приблизительно 1%.
Коммерческие гелий-неоновые лазеры - это относительно небольшие устройства, среди газовых лазеров, с длиной резонатора обычно от 15 до 50 см (но иногда до 1 метра для достижения максимальной мощности) и уровнями оптической выходной мощности 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. Версии с частотной стабилизацией позволяют задавать длину волны одной моды с точностью до 1 части из 10 8 с помощью метода сравнения мощностей двух продольных мод в противоположных поляризациях. [6] Абсолютная стабилизация частоты (или длины волны) лазера до 2,5 частей на 10 11 может быть достигнута с помощью ячейки для поглощения йода. [7]
Механизм инверсии населенностей и усиления света в плазме гелий -неонового лазера [4] связан с неупругим столкновением энергичных электронов с атомами гелия в основном состоянии в газовой смеси. Как показано на прилагаемой диаграмме уровней энергии, эти столкновения переводят атомы гелия из основного состояния в возбужденные состояния с более высокой энергией, среди которых 2 3 S 1 и 2 1 S 0 ( LS, или связь Рассела-Сондерса , номер фронта 2 указывает на что возбужденный электрон находится в состоянии n = 2) являются долгоживущими метастабильными состояниями. Из-за случайного совпадения уровней энергии двух метастабильных состояний He и уровней 5s 2 и 4s 2 ( обозначение Пашена [8] ) неона столкновения между этими метастабильными атомами гелия и атомами неона в основном состоянии приводят к селективная и эффективная передача энергии возбуждения от гелия к неону. Этот процесс передачи энергии возбуждения описывается уравнениями реакции
- He * (2 3 S 1 ) + Ne 1 S 0 → He ( 1 S 0 ) + Ne * 4s 2 + Δ E ,
- He * (2 1 S) + Ne 1 S 0 + Δ E → He ( 1 S 0 ) + Ne * 5s 2 ,
где * представляет возбужденное состояние, а Δ E - малая разность энергий между энергетическими состояниями двух атомов, порядка 0,05 эВ или 387 см -1 , которая обеспечивается кинетической энергией. Передача энергии возбуждения многократно увеличивает населенность уровней неона 4s 2 и 5s 2 . 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 1,15 мкм (соответствует переходу 4s 2 в 3p 4 ) и в узкой полосе 632,8 нм (соответствует переходу 5s 2 в 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 - это размещение зеркал с высокой степенью отражения на каждом конце усиливающей среды, чтобы волна в определенной пространственной моде отражалась обратно на себя, получая за каждый проход больше мощности, чем теряется из-за на пропускание через зеркала и дифракцию. 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 переднее (обычно 99% отражающее) зеркало.
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 ГГц полной ширины для перехода 633 нм. [6] [9] С резонаторами, имеющими типичную длину от 15 до 50 см, это позволяет одновременно генерировать колебания 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 для голографии и в качестве эталона длины волны для спектроскопии . Стабилизированный гелий-неоновый лазер также является одной из эталонных систем для определения метра. [7]
До изобретения широко распространенных дешевых диодных лазеров красные гелий -неоновые лазеры широко использовались в сканерах штрих-кодов 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.
Приложения
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 пучки аналогичного качества с точки зрения пространственной когерентности ( одномодовый гауссов пучок ) и большой длины когерентности ( однако примерно с 1990 г. полупроводниковые лазеры стали предлагать более дешевую альтернативу для многих таких приложений).
Начиная с 1978 года, лазеры на гелий-неоновых трубках (производства Toshiba и NEC ) использовались в проигрывателях Pioneer LaserDisc . Так продолжалось до модельного ряда 1984 года, в котором вместо этого использовались инфракрасные лазерные диоды . Pioneer продолжала использовать лазерные диоды во всех последующих проигрывателях до прекращения выпуска этого формата в 2009 году.
Смотрите также
- Список типов лазеров
Рекомендации
- ^ Виллет, CS (1974). Введение в газовые лазеры . Pergamon Press. С. 407–411.
- ^ Белый, AD; Ригден, JD (1962). «Переписка: Непрерывная работа газового мазера в видимом диапазоне» . Труды ИРЭ . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 50 (7): 1697. DOI : 10,1109 / jrproc.1962.288157 . ISSN 0096-8390 .
- ^ Уайт, AD (октябрь 2011 г.). «Воспоминания о первом непрерывном лазере видимого диапазона» . Новости оптики и фотоники . Vol. 22 нет. 10. с. 34–39.
- ^ а б Javan, A .; Беннетт, WR; Херриотт, Д.Р. (1 февраля 1961 г.). «Инверсия населенности и непрерывное оптическое мазерное колебание в газовом разряде, содержащем смесь He – Ne» . Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 6 (3): 106–110. DOI : 10.1103 / physrevlett.6.106 . ISSN 0031-9007 .
- ^ "Sam's Laser FAQ - Гелий-Ne лазеры" . K3PGP.org .
- ^ а б Niebauer, TM; Фаллер, Джеймс Э .; Годвин, HM; Холл, Джон Л .; Баргер, Р.Л. (1 апреля 1988 г.). «Измерение стабильности частоты на поляризационно-стабилизированных He – Ne лазерах». Прикладная оптика . Оптическое общество. 27 (7): 1285. DOI : 10,1364 / ao.27.001285 . ISSN 0003-6935 .
- ^ а б Гелий-неоновый лазер, стабилизированный йодом . Национальный институт стандартов и технологий (NIST). Музей NIST (Отчет). Министерство торговли США. Архивировано из оригинала 21 июля 2006 года.
- ^ «Заметки о нотации Пашена» . Архивировано из оригинала на 2012-06-18.
- ^ "Sam's Laser FAQ" . Ремонт FAQ .