Принцип действия гелий неонового лазера кратко

Обновлено: 30.06.2024

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера, используемого в нашей лаборатории. Рабочее вещество – атомы неона (Ne). Используется электрическая накачка: через газоразрядную трубку идет поток электронов; при столкновении быстрых электронов с атомами неона последние возбуждаются и их электроны переходят на верхние энергетические уровни. Однако для атомов неона прямая накачка электронным ударом оказалась недостаточно эффективной. Чтобы ускорить передачу энергии, к неону добавлен гелий (He).

Схема накачки показана на рис. 4.2. В результате столкновений с электронами атомы гелия переходят с основного уровня на уровень 2S. Эти возбуждённые атомы гелия сталкиваются с атомами неона и отдают им запасенную энергию. В результате атомы неона переходят с основного уровня на уровень, который близко расположен к уровню2Sгелия. В резуль-тате науровне неона создается значительная насе-лённость. В то же время, уровеньнаселен мало, поскольку он быстро очи-щается благодаря спон-танным переходам на нижележащие уровни. На переходевозни-кает инверсная населенность. Переход атома неона с верхнегоуровня на ниж-ний уровеньприводит к лазерному излучению с длиной волны мкм, что соответствует красному свету.


Пусть имеется среда, в которой создана инверсная населенность, т.е. условие (4.7) имеет место. В такой среде вынужденное излучение сильнее, чем поглощение. Поэтому среда будет усиливать проходящий свет с частотойν(длиной волныλ), соответствующей переходу между уровнями с инверсной населенностью (см. формулу (4.2)). Однако это усиление невелико: в гелий-неоновом лазере свет, пройдя в активной среде путь в1 м, усиливается всего на2 %. Поэтому для получения яркого излучения необходимо, чтобы путь света в активной среде был очень длинным. Это достигается с помощьюоптического резонатора. Активная среда с инверсной населенностью и оптический резонатор – две основные части любого лазера.

На рис. 4.3 схематически изображено устройство гелий-неонового лазера. В середине находится газоразрядная трубка (ГРТ) с активной средой – ге-лий-неоновой смесью. Пар-циальное давление гелия – 1 мм рт.ст. (133 Па), а неона –0,1 мм рт.ст. (13,3 Па). Трубка имеет катодКи анодА. При накаленном катоде и поданном между катодом и анодом высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения в трубке достигает1,5кВ, ток через трубку достигает30mA. При прохождении тока через смесь в ней возникает инверсная населенность.

Оптический резонатор – это два высококачественных зеркала З1иЗ2(плоские или сферические), одно из которых (З2) полупрозрачное. Зеркала установлены у концов газоразрядной трубки параллельно друг другу. Свет, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через газоразрядную трубку. В результате путь света в активной среде удлиняется настолько, что усиление света достигает большой величины. Перед началом лазерной генерации в среде имеется некоторое количество спонтанного излучения. Это излучение, отражаясь от зеркал, много раз проходит через активную среду. На каждом проходе оно усиливается за счет вынужденного излучения среды. В итоге возникает яркий лазерный луч, выходящий из полупрозрачного зеркала.

Однако только малая часть спонтанного излучения будет возбуждать лазерную генерацию. Оптический резонатор обладает большой избирательностью: среди спонтанного излучения он отбирает волны с определенным направлением распространения. Действительно, много-кратное отражение будут испытывать только волны, распрост-раняющиеся вдоль оптической оси резонатора. Спонтанное излучение, идущее под углом к оси, уходит из резонатора и в лазерной генерации не участвует. По этой причине лазер генерирует узкий, мало-расходящийся пучок света.


Излучение гелий-неонового лазера эллиптически-поляризованно. Это вызвано тем, что окна газоразрядной трубки установлены под углом Брюстера . Отражение проходящего света от окон газоразрядной трубки подавляет лазерную генерацию. Устанавливая окна под углом Брюстера, добиваются того, что свет, в котором векторЕколеблется в плоскости падения, проходит через окно практически без отражения. В результате только такой поляризованный свет генерируется лазером.

Таким образом, из гелий-неонового лазера выходит узкий пучок красного эллиптически-поляризованного света. Этот свет – результат вынужденного излучения. Наряду с вынужденным излучением имеется спонтанное, которое не поляризовано и выходит из лазера во всех направлениях. Это излучение не участвует в лазерной генерации. Спонтанное излучение лазера много слабее вынужденного, яркость его примерно такая же, как у обычной газоразрядной трубки.

Ге́лий-нео́новый ла́зер — лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона. Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.

Устройство гелий-неонового лазера

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000—5000 вольт (в зависимости от длины трубки), расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.

Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.

Гелий-неоновый лазер представляет собой газовый лазер с активной средой, которая представляет собой смесь гелия и неона.

Гелий-неоновый лазер широко используется в лабораторных исследованиях и оптике. Излучаемый свет имеет длину волны $632,8$ нм, которая расположена в красной части видимого спектра. Доля гелия и неона в рабочей смеси составляет отношение $10:1$, и смесь закрыта в стеклянной трубке при низком давлении (обычно около $300$ Па). Энергия, необходимая для воспламенения электрического разряда была получена при подаче напряжения около $1000$ вольт на два электрода, расположенных на концах трубы, с получением газового разряда.

Гелий-неоновый лазер компактен, с типичным размером для резонатора от $15$ см до $0,5$ м, выход их мощности в диапазоне от $1$ до $100$ мВт.

История развития

Первые лазеры $He^- Ne$ излучали свет при $1,15$ мкм, в инфракрасном спектре, и были первыми газовыми лазерами. Тем не менее, на лазер, который работает при видимом диапазоне, был намного больший спрос, а также ряд других неоновых переходов были исследованы, чтобы определить те, в которых инверсия электронных населенностей может быть достигнута. Поскольку видимые переходы имеют несколько меньший коэффициент усиления, такие лазеры, как правило, имеют более низкую эффективность вывода и являются более дорогостоящими. Переход $3,39$ мкм имеет очень высокий коэффициент усиления, но не может использоваться в обычном лазере, так как полость и зеркала теряют данные на этой длине волны. Однако в лазерах с высокой мощностью, имеющих особенно длинную полость, суперлюминесценция на $3,39$ мкм может стать помехой, и будет отнимать энергию от вынужденного излучения среды, что часто требует дополнительного подавления.

Готовые работы на аналогичную тему

Строительство и эксплуатация

Усиливающую среду лазера, как это было определено из его названия, представляет собой смесь газов гелия и неона, примерно в соотношении $10:1$, и содержится при низком давлении в стеклянной оболочке. Газовая смесь, в основном состоит из гелия, потому что атомы гелия могут возбуждаться. Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, захватывая некоторые из них в состоянии, которое излучает $632,8$ нм. Без гелия, атомы неона будут возбуждаться в основном для снижения возбужденных состояний. Таким образом, гелий - неоновый лазер, который потерял достаточно своего гелия (например, за счет диффузии через уплотнение или стекло) потеряет свою лазерную функциональность, поскольку эффективность накачки будет слишком низкой. Оптический резонатор лазера обычно состоит из двух вогнутых зеркал или одной плоскости и одного вогнутого зеркала, одна из которых содержит очень высокой (как правило, $99,9\%$) коэффициент отражения.

  • Длины волн, стимулированных мод излучения лежат в пределах примерно от $0,001$ нм выше или ниже этой величины, а длины волн этих режимов сдвига в пределах этого диапазона из-за теплового расширения и сжатия полости.
  • Полоса частот, в которой лазер сохраняет эффект усиления излучения довольно узок - около $1,5$ ГГц, что обусловлено наличием эффекта Доплера. Это свойство определяет гелий-неоновый лазер в качестве соответствующих источников излучения в голографии, спектроскопии, а также в устройствах для считывания штрихкодов – сканер штрихкода.

Применение

Гелий - неоновые лазеры имеют много промышленных и научных целей. Они широко используются в лабораторных демонстрациях в области оптики из-за их относительно низкой стоимости и легкости в эксплуатации по сравнению с другими видами лазеров, производящих лучи аналогичного качества с точки зрения пространственной когерентности и длины когерентности. Также лазер используется в устройстве для чтения оптического диска.


Гелий-неоновый лазер представляет собой газовый лазер , который обычно излучает красный свет. Он был разработан в 1960 году иранским физиком Али Джаваном вместе с Уильямом Р. Беннеттом и Дональдом Р. Херриоттом . Это был первый лазер, который непрерывно генерировал свет . С другой стороны , первый лазер от Маймана , рубиновый лазер , который был реализован семью месяцами ранее , генерировал импульсный лазерный свет .

Оглавление

Структура и функционал



Он состоит ( в том числе , по существу , из тонкой стеклянной трубки, капилляра , диаметр примерно 1 мм, длина некоторых де), в котором гелий - неонового - газовая смесь находится.

Подача напряжения для газового разряда должна соответствовать следующим требованиям:

  • Обеспечение начального напряжения зажигания (10–15 кВ).
  • Ограничение тока разряда, протекающего после зажигания

Напряжение разряда после зажигания обычно составляет 1-2 кВ, сила тока 1-30 мА.

Гелий-неоновые лазерные трубки имеют заданную полярность рабочего напряжения: катод обычно состоит из большого внешнего металлического цилиндра, а маленький анод расположен между капилляром и выходом луча.

В гелий-неоновом лазере гелий необходим для накачки , неон является лазерной средой . В стеклянной трубке также есть два электрода , между которыми происходит газовый разряд . Этот газовый разряд переводит атомы гелия в сравнительно долгоживущее (примерно 10 -3 с) возбужденное состояние . Атомы гелия теперь передают свою энергию атомам неона посредством столкновений второго рода , где они создают инверсию населенностей между энергетически высокими и низкими состояниями. Теперь работа лазера возможна на переходах между энергетическими состояниями неона, как показано на следующей диаграмме.

Состояния и гелий метастабильны . Излучение фотонов в атоме неона происходит за счет вынужденного излучения ; возврат с нижнего лазерного уровня в основное состояние за счет спонтанного излучения и рекомбинаций на стенке капилляра. В связи с этим не имеет смысла выбирать диаметр стеклянной трубки больше 1,5 мм. 2 1 s >> 2 3-й s >>

Стандартный гелий-неоновый лазер излучает свет с длиной волны 632,816 нм (красный лазерный свет, реализованный в 1963 году), 1152,3 нм (инфракрасный, реализованный в 1960 году) и 3392,2 нм (инфракрасный). Лазерные уровни разделяются спин-орбитальной связью. Выходная мощность красного гелий-неонового лазера составляет несколько милливатт, в редких случаях до 100 мВт.

Возможные длины волн гелий-неонового лазера

В следующей (неполной) таблице показаны типичные линии излучения гелий-неонового лазера, основанные на показаниях передачи энергии. Длина волны - это длина волны в воздухе (а не в вакууме). Описание переноса энергии в атоме Ne проводилось в так называемых обозначениях Пашена . Это альтернатива нотации Рака , которая также используется в литературе.

Длина волны
(нм)		 Перенос энергии в атоме Ne Цветовое
впечатление
3392,2 3с 2 - 3п 4 (инфракрасный)
1523,1 2с 2 - 2п 1
1198,8 2с 3 - 2п 2
1177,0 2с 2 - 2п 2
1161,7 2с 3 - 2п 5
1160,5 2с 2 - 2п 3
1152,3 2с 2 - 2п 4
1141,2 2с 2 - 2п 5
1084,7 2с 2 - 2п 6
1080,1 2с 3 - 2п 7
1062,3 2с 2 - 2п 7
1029,8 2с 2 - 2п 8
886,5 2с 2 - 2п 10
730,5 3с 2 - 2п 1 красный
640,1 3с 2 - 2п 2
635,2 3с 2 - 2п 3
632 816 3с 2 - 2п 4
629,4 3с 2 - 2п 5
611 802 3с 2 - 2п 6
604 613 3с 2 - 2п 7
593 932 3с 2 - 2п 8 апельсин
543 365 3с 2 - 2п 10 зеленый

согласованность

Еще одна отличительная особенность гелий-неоновых лазеров - большая длина когерентности . Даже в простых моделях ( многомодовый лазер ) он находится в диапазоне длины резонатора, т.е. обычно от 20 до 30 см. Причина в чрезвычайно узкой полосе усиления неонового лазерного перехода около 1,5 ГГц, так что только несколько продольных мод могут колебаться. Термостабилизированные частотно-селективные резонаторы имеющихся в продаже гелий-неоновых лазеров обеспечивают стабильность в несколько мегагерц и соответствующую длину когерентности более 100 м. Кроме того, существуют стабилизированные по частоте гелий-неоновые лазеры с длиной когерентности в несколько километров. .

Приложения

Сравнительно невысокая цена и длительный срок службы делают гелий-неоновый лазер интересным для многих областей применения. Раньше его можно было найти, например, в сканерах штрих-кода кассовых аппаратов или лазерных принтерах , но теперь его почти полностью заменили диодные лазеры . Другая область применения - использование в лазерных фотонаборных устройствах .

Он по-прежнему играет важную роль, когда есть особые требования к качеству и когерентности луча , например, в интерферометрах или при калибровке спектрометров . Гелий-неоновые лазеры также хорошо подходят для голографии , даже если массовое производство также переключилось на более мощные и более коротковолновые лазеры ( аргон-ионный лазер , гелий-кадмиевый лазер ).

веб ссылки

  • Стефани Видиген: LP - Гелий-неоновый лазер (включая эскизы, фотографии и ссылки) и другие. также измерение расхождения
  • Майкл Хартвиг: Как работает лазер? He-Ne лазер , т.е. с описанием схемы уровней энергии (файл PDF; 202 кБ)
    Эта страница последний раз была отредактирована 16 июля 2021 в 23:14.

Читайте также: