Гелий неоновый лазер реферат

Обновлено: 18.05.2024

1. Физические принципы работы гелий- неонового лазера

(He-Ne)-лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Это был первый газоразрядный лазер, на котором в конце 1960 г. была получена генерация в инфракрасной области на длине волны 1,15 мкм. Особую популярность он получил, когда была осуществлена генерация в видимой (красной) области спектра (А = 0,63 мкм). За прошедшее время он превратился из экзотического лабораторного прибора в обычный инструмент, используемый практически во всех областях науки, техники и даже искусства.

Схема работы (Не-Ne)-лазера, представленная на рис. 1, а общих чертах соответствует схеме рис. 2. Первые возбужденные состояния атома гелия 2 и 2 образуются электронной конфигурацией 1 и расположены выше основного состояния 1 на расстояний 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Оптические переходы в основное состояние запрещены, и потому они являются метастабильными состояниями, хорошо накапливая энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом. Времена жизни 2 и 2 составляют 10с и 5*10с соответственно.

Система энергетическиx уровней атома неона несколько сложнее, чем гелия. Основное состояние отвечает замкнутой оболочке 1 . Нижним возбужденным состояниям соответствует переход одного электрона 2р в состояние 3s, т.е. электронная конфигурация 1. Оптические переходы как между этими состояниями, так и в основное состояние запрещены в дипольном приближении. Важно, что верхние уровни 2S и 3S по энергии расположены близко к уровням 2 и 2 атома гелия. Дефицит энергии примерно равен 35 мэВ.

Кроме уровней, образуемых электронными конфигурациями , в Ne имеются уровни, отвечающие переходу одного электрона в Зр-, 4p-. состояния. Каждой из электронных конфигураций и соответствует группа уровней, обозначаемая для краткости 2Р и ЗР. Каждая группа состоит из 10 уровней, нумеруемых по мере уменьшения энергии от 1 до 10. Оптические переходы между s- и р- состояниями разрешены (точнее, из 40 возможных комбинаций разрешены 30). При этом время жизни 2S-и 3S-состояний ( τ ≈0,1 мкc) на порядок превышает время жизни 2Р- и ЗР- состояний (τ ≈0,01 мкс). Это позволяет получить инверсную населенность между уровнями 2S—2P, 3S—3P и 35—2Р при электрическом разряде в чистом неоне. (Это справедливо и для других благородных газов — Аг, Хе и Кг.) Добавление к неону большого количества гелия обеспечивает селективное заселение верхних рабочих уровней 2S и 3S, увеличивает инверсию и существенно облегчает получение генерации.

Таким образом, в (Не — Ne) лазере Не выполняет функцию вспомогательного газа, a Ne — рабочего в соответствии с общей схемой рис. 2. Однако его работа осуществляется не по четырехуровневой, как на рис. 2, а по трехуровневой схеме: накачка производится на верхний рабочий лазерный уровень. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов, обозначенный я, б и в на рис.1. Им соответствуют длины волн 3,39; 0,63 и 1,15 мкм. В этих группах наиболее сильными являются следующие переходы: 3S₂ — ЗР₄ (λ= 3,3913 мкм); 3S₂ — ЗP₄ (λ = 0,63282 мкм) и 2S₂ — 2Р₄ (λ= 1,15228 мкм). Наибольшее усиление — до 20 дБ/м — может быть получено для переходов в области 3,39 мкм. Переходам в области 1,15 и 0,63 мкм соответствуют значительно меньшие усиления — 10. 20%/м и 5. 6%/м. Для того чтобы осуществить генерацию на этих переходах, необходимо в резонаторе применять селективные зеркала, обладающие большим коэффициентом отражения в заданной области и большими потерями (малым отражением) в области конкурирующих переходов. Наиболее капризен в этом отношении переход 3S₂ — 2Р₄, поскольку верхнее рабочее состояние для него совпадает с верхним рабочим состоянием самого сильного 3S₂ — 3Р₄-перехода. Поэтому получить генерацию в области 0,63 мкм в (Не — Ne) лазере наиболее сложно.

Опустошение нижних лазерных уровней ЗР и 2Р в (He-Ne) лазере происходит далеко не оптимальным образом. Эти уровни быстро (что хорошо) опустошаются за счет излучательных переходов в 1S-состояния, которые являются долгоживущими (что плохо). В состоянии 1S, расположенном на 16 эВ выше основного состояния, происходит накопление частиц. Это весьма нежелательно, ибо из состояния 1S велики вероятности переходов в состояния 2Р и 3Р при столкновении с электронами, согласно реакции. Переход атома неона из состояний 1S в основное состояние, как правило, происходит при его столкновении со стенками сосуда, т. е. за счет медленных процессов диффузии к стенкам. По этой причине работа (Не-Nе) лазера критична к диаметру разрядной трубки D и не допускает применения трубок с D> 10 мм.

ГОСТ

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.

Кроме Шавлова, еще два исследователя Bell Labs работали в 1958 г. над проблемой лазера: Али Джаван и Джон Сандерс. Джаван был иранцем по происхождению. Он получил докторскую степень в 1954 г. под руководством Таунса по теме радиоспектроскопии. Он четыре года оставался в группе Таунса, работая в области радиоспектроскопии и мазеров. После защиты диссертации, когда Тау не был в творческом отпуске в Париже и в Токио, Джаван стал более активно заниматься мазерами и пришел к идее трехуровнего мазера, прежде чем группа из Bell Labs опубликовала экспериментальную работу по этой теме. Он нашел метод получения усиления безынверсной населенности, используя, в частности, эффект Рамана в трехуровневой системе, однако он опубликовал свои результаты позже, чем группа из Bell.

В апреле 1958 г., когда он искал место в Bell Labs, общался с Шавловым, который рассказал ему о лазерах. В августе 1958 г. он был принят в Bell Labs, и в октябре начал систематические исследования по лазерам. Первоначально он имел там этические затруднения. Компания RCA предварительно изучила его записи о трехуровневом мазере и установила, что его даты предшествуют датам группы из Bell. RCA заплатила ему $1000 за право на патент, и начала спор с Bell, где Джаван уже работал. В течение примерно шести месяцев Джаван имел дело с юристами из RCA и Bell Labs. К счастью, RCA провела маркетинговое исследование и, убедившись, что этот мазерный усилитель не сулит прибыли, прекратила дело, оставив патент Bell Labs.

Итак, Джаван мог всецело посвятить себя лазеру. Он думал построить его, используя газы, и опубликовал предполагаемую конструкцию в Physical Review Letters в 1959 г. Он решил использовать газ в качестве активной среды, поскольку полагал, что это простое вещество облегчит исследования. Однако он думал, что невозможно использовать мощные лампы для накачки атомов прямо в возбужденное состояние, и рассматривал возбуждение либо прямыми столкновениями с электронами в среде чистого неона, либо путем столкновений второго рода. В последнем случае разрядная трубка наполняется двумя газами, которые выбираются так, что атомы первого газа, возбуждаемые столкновениями с электронами в электрическом разряде, могут передавать свою энергию атомам второго газа, возбуждая их. Некоторые смеси газов имели структуру энергетических уровней, которая удовлетворяла этим условиям. Фактически, необходимо, чтобы энергетический уровень второго газа имел энергию, практически равную энергии возбуждения первого газа. Из возможных комбинаций газов Джаван выбрал комбинацию гелия и неона, уровни которых показаны на рис. 54. Он считал, что любой физический процесс стремится к установлению больцмановского распределения энергии по уровням (т.е. населенность нижнего уровня больше, чем населенность верхнего). Поэтому среда с инверсной населенностью может получиться в стационарном процессе только в результате конкуренции различных физических процессов, протекающих с разной скоростью.

Это можно лучше понять на примере с рассмотрением дерева с ветками (две на рис. 55), на которых сидят обезьяны. Рассмотрим сперва населенность согласно больцмановской статистике, т.е., скажем, четыре обезьяны сидят на верхней ветке (1), пять на нижней (2) и шесть на земле (3, основной уровень). Из этих трех уровней основной наиболее населен, и чем выше уровень, тем менее он заселен. Однако обезьяны не сидят на месте, но прыгают по веткам (для примера мы можем полагать, что это происходит каждую минуту). Населенности на уровнях при этом остаются одними и теми же во времени (равновесная ситуация). Предположим теперь, что мы продолжаем заселять ветки с той же скоростью (одна обезьяна за минуту), но в то же время мы смачиваем ветку 2 и делаем ее скользкой. Теперь обезьяны не могут оставаться на ней более, например, 10 секунд. Поэтому эта ветка быстро расселяется, и вскоре на ветке 1 оказывается больше обезьян, чем на ветке 2. Таким образом, получается инверсная населенность из-за того, что время пребывания обезьяны на разных ветках различно. Хотя это очень примитивные рассуждения, но они помогают понять соображения Джавана.

Выбор гелий-неоновой смеси проходил через тщательный отбор, чтобы получить систему, обещающую оптимальную среду, и лишь последующий успех принес a posteriory полное доверие Джавану. Даже после того, как он убедился, что гелий-неон является лучшей смесью, находилось немало скептиков, которые говорили ему, что газовый разряд слишком хаотичен. Они говорили, что слишком много неопределенностей, и его попытки напоминают охоту на диких гусей.

Рис. 54. Энергетические уровни гелия (Не) и (Ne). Показаны главные лазерные переходы

Рис.55. Обезьяны на дерене распределяются согласно статистике Больцмана. Их больше на земле, и их число уменьшается по мере высоты веток

Джаван потратил много денег, но, к счастью, система заработала, иначе администрация уже готова была закрыть проект и прекратить эксперименты. К концу проекта на это исследование были затрачены два миллиона долларов. Хотя эта сумма, по-видимому, преувеличена, проект, несомненно, требовал значительных затрат.

Между тем, Джон Сандерс, физик экспериментатор из Оксфордского университета, был приглашен в Bell Labs, чтобы он попытался реализовать инфракрасный лазер. В течение менее одного года, выделенного на это исследование, Сандерс не тратил времени на теоретическое изучение, а сразу решил возбуждать чистый гелий в разрядной трубке с резонатором Фабри—Перо внутри ее. Он пытался получить лазерный эффект путем проб и ошибок, варьируя параметры разряда. Максимальное расстояние, на котором можно было установить зеркала, все еще остающимися параллельными друг другу, было 15 см. Сандерс не использовал разрядные трубки большей длины. Джаван считал это принципиальным ограничением. Он предполагал, что усиление в газе очень мало и резонатор Сандерса не заработает. Трубка, которую использовал Джаван, была намного длиннее, и поскольку крайне трудно было настроить зеркала Фабри—Перо на таком расстоянии, он решил сперва определить требуемые значения параметров для работающего устройства, а затем уж постараться настроить зеркала методом проб и ошибок. Так он работал. Без всей предварительной работы по выбору режима He-Ne для получения известного усиления, было невозможно добиться успеха.

Сандерс послал письмо в Physical Review Letters, в котором сообщал, что было трудно получить достаточное число возбужденных атомов с помощью импульсной лампы, и предлагал использовать возбуждение, производимое ударами электронов. Такое возбуждение легко осуществить при электрическом разряде в газе или в парах. Инверсия населенности могла быть получена, если в активном материале существуют возбужденные состояния с большими временами жизни, а также состояния с более низкими энергиями и с короткими временами жизни (как мы рассматривали в примере с обезьянами).

Сразу же после этой статьи, в том же выпуске Physical Review Letters, А. Джаван опубликовал свою статью, в которой также рассматривал эти проблемы, и среди других схем предложил одну очень оригинальную. Рассмотрим долго живущее состояние в газе. В условиях разряда это состояние можно заселить подходящим образом из-за его большого времени жизни. Если теперь возбужденное состояние второго газа имеет энергию очень близкую к этому долго живущему состоянию, то очень вероятно, что при столкновении энергия будет передана от первого атома ко второму, который станет возбужденным. Если этот атом имеет другие состояния с более низкими энергиями, то они останутся невозбужденными и, тем самым может получиться инверсная населенность между состоянием с высокой энергией по отношению к состоянию с более низкой энергией. В своей работе Джаван упомянул о смесях криптона и ртути, а также о смеси гелия с неоном. Эта работа была опубликована в Physical Review Letters 3 июня 1959 г.

Джаван работал в тесном контакте с Вильямом Р. Беннеттом мл., спектроскопистом из Йельского университета, и который был другом Джавана в Колумбии. Они работали до самой ночи целый год. Осенью 1959 г. Джаван попросил Дональда Р. Херриота, специалиста по оптической аппаратуре в Bell Labs, участвовать в работе над проектом. Одной из принципиальных проблем, было снабдить разрядную трубку двумя прозрачными окнами очень высокого оптического качества, чтобы не искажать выходной пучок. Также требовалось установить зеркала резонатора. Была разработана схема (рис. 56) с зеркалами внутри разрядной трубки, снабженная специальными устройствами с микрометрическими винтами, которые обеспечивали возможность тонкой настойки зеркал по углам. В сентябре 1959 г. Беннетт перешел из Йеля в Bell Labs и вместе с Джаваном начал программу интенсивных и тщательных исследований с расчетами и измерениями спектроскопических свойств гелий-неон смесей при различных условиях, с целью определить факторы, определяющие получение инверсии. Они установили, что при наилучших условиях можно получить лишь очень малое усиление, порядка 1,5%. Такое малое усиление делало совершенно необходимым минимизировать потери и использовать зеркала с наибольшим возможным коэффициентом отражения. Такие зеркала получают путем нанесения на прозрачную поверхность (стекло) многих слоев подходящих (прозрачных) диэлектрических материалов с разными коэффициентами преломления. Высокий коэффициент отражения получается за счет многолучевой интерференции при отражениях на границах между слоями. Три исследователя сумели использовать такие зеркала, которые на длине волны 1.15 мкм имели коэффициент отражения 98,9%.

Рис. 56. Схема гелий-неонового лазера, построенного Джаваном, Беннеттом и Хериоттом

Первый лазер работал на переходе с длиной волны 1,15 мкм, ближнем ИК-диапазоне. Джаван использовал зеркала, которые имели максимальное отражение на этой длине волны, которая соответствует одному из возможных переходов неона. Он знал, что были и другие возможные длины волн. Он выбрал эту длину волны, поскольку его исследования показали, что на ней можно ожидать наибольшее усиление. Чтобы использовать переходы в видимой области, требовалась трубка с таким малым диаметром, что невозможно было настроить плоские зеркала, которые в то время использовались для резонатора Фабри—Перо.

В лазере Джавана разрядная трубка содержала неон и гелий при давлении 0,1 и 1 торр соответственно (1 торр — почти тысячная часть давления в одну атмосферу). Трубка из плавленого кварца имела длину 80 см и диаметр 1,5 см. На каждом конце была металлическая полость, в которых располагались плоские зеркала с высоким отражением. Использовались гибкие рукава (сильфоны), позволяющие микрометрическими винтами настраивать (путем прецизионных наклонов) зеркала Фабри—Перо. Это позволяло обеспечить параллельность с точностью до 6 угловых секунд. На концах располагались плоские стеклянные окна с поверхностями, отполированными с точностью, лучшей 100 А. Они позволяли выпускать пучок излучения без искажений. Электрический разряд возбуждался с помощью внешних электродов, используя генератор на 28 МГц с мощностью 50 Вт. Зеркала с высоким отражением получались напылением 13 слоев диэлектрических материалов (MgF₂, ZnS). В области между 1,1 и 1,2 мкм коэффициент отражения был 98,9%. Лазер работал в непрерывном режиме и был первым лазером этого типа.

Следуя примеру Hughes, исследовательский центр Bell Labs также устроил публичную демонстрацию гелий-неонового лазера 14 декабря 1960 г. Чтобы продемонстрировать возможную важность для коммуникаций, была организована передача телефонного разговора, используя пучок лазерного излучения, который модулировался телефонным сигналом.

Этот лазер стали называть He-Ne-лазером, используя химические символы его компонент для названия. Он был представлен прессе 31 января 1961 г. Работа, описывающая его, была опубликована 30 декабря 1960 г. в Physical Review Letters.

В то время, когда Джаван проводил эксперименты весной 1960 г., два исследователя Bell Labs, А. Фокс и Т. Ли, стали изучать вопрос, какие моды существуют в резонаторе Фабри—Перо. Дело в том, что резонатор Фабри—Перо сильно отличается от микроволновых резонаторов в виде замкнутых полостей. Они определили вид этих мод, и их результат побудил других исследователей Bell Labs, Гэри Д. Бонда, Джеймса Гордона и Хервига Когельника, найти аналитические решения в случае зеркал сферической формы. Важность изучения оптических резонаторов для развития газовых лазеров нельзя недооценивать. До того как были получены эти результаты, газовый лазер был, в лучшем случае, маргинальным устройством, генерация которого в сильнейшей степени зависела от юстировки концевых зеркал. Теоретические исследования резонаторов со сферическими зеркалами показали, что могут быть конфигурации, относительно слабо зависящие от юстировки зеркал, а внутренние потери в резонаторе могут быть меньшими, чем в резонаторе с плоскими зеркалами. Это позволяет использовать активные среды со значительно меньшими, чем думали раньше, усилениями. От резонатора с плоскими зеркалами практически отказались, и все открытия новых газовых лазеров делались с помощью резонаторов со сферическими зеркалами.

В 1961 г. в Bell Labs началась большая программа лазерных исследований. Исследователей, занятых другими проблемами, переориентировали на новую тематику, были приняты новые сотрудники. Решение использовать в резонаторе два одинаковых сферических зеркала, расположенных в положении их фокусов (такая конфигурация называется конфокальным резонатором), показало, каких трудностей мог бы избежать Джаван, если бы использовал такой резонатор. В результате, Вильям В. Ригрод, Хервиг Когельник, Дональд Р. Хериотт и Д. Дж. Брангачио построили весной 1962 г. первый конфокальный резонатор со сферическими зеркалами, которые концентрируют свет к оси разрядной трубки, причем эти зеркала помещались вне трубки. Это позволило получить генерацию на красной линии 6328 А. Часть света неизбежно теряется при отражениях от поверхностей окон (френелевское отражение). Этих потерь, однако, можно избежать, если наклонить окна под определенным углом, называемым углом Брюстера. В этом случае для света определенной поляризации потери практически равны нулю. Такая новая конфигурация лазера показана на рис. 57.

Рис. 57. Конфокальный оптический резонатор. Трубка, в которой газ возбуждается электрическим разрядом, закрыта окошками, наклоненными под углом Брюстера. Вогнутые зеркала с равными радиусами кривизны располагаются за трубкой так, чтобы расстояние между ними было равно радиусу кривизны

Красный He-Ne-лазер стал широко применяться, и до сих пор находит использование, в частности, в медицине. Кроме того, он сильно способствует пониманию принципиальных различий между лазерным (высококогерентным) и обычным (некогерентным) светом. С помощью этого лазера легко наблюдаются явления интерференции, а также модовая структура лазерного пучка, которая легко и наглядно изменяется небольшим наклоном зеркала резонатора. Также стимулировалась разработка других, многочисленных типов лазеров.

Современный He-Ne-лазер может генерировать на одном из нескольких переходах, показанных на рис. 54. Для этого могослойные зеркала изготавливаются с максимальным отражением на нужной длине волны. Генерация получается на длинах волн 3,39 мкм, 1,153 мкм, 6328 А° и даже при использовании особых зеркал, на длинах волн 5433 А (зеленая линия), 5941 А° (желтая линия), 6120 А° (оранжевая линия).

ГЛАВА 13 И НАКОНЕЦ-ТО, ЛАЗЕР!

ГЛАВА 13 И НАКОНЕЦ-ТО, ЛАЗЕР! Сразу же после опубликования работы Шавлова и Таунса и даже до того целый ряд людей стали размышлять о разных способах создания инверсной населенности в инфракрасной и видимой областях. Творческая ментальность исследователя, который

Второй твердотельный лазер

Цезиевый лазер

Цезиевый лазер 1961 г. был годом реализации еще двух лазеров, над которыми специалисты работали с самого начала появления концепции лазера. Одним из них был цезиевый лазер. После того как Таунс и Шавлов написали свою работу, было решено, что Таунс попытается построить лазер

Неодимовый лазер

Неодимовый лазер Другой лазер, запущенный в 1961 г. и все еще остающимся одним из главных, — лазер на неодимовом стекле. В 1959—1960 гг. Американская Оптическая Компания также заинтересовалась лазерными исследованиями, которые проводил один из ее ученых, Элиас Снитцер. Эта

Существует ли лазер в природе?

Существует ли лазер в природе? Ответ, по-видимому, да! Лазерное излучение с длиной волны около 10 мкм (типичная линия излучения двуокиси углерода, на которой работают мощные СO2 лазеры, находящие широкое применение, в частности для механической обработки материалов) было

Лазер и Луна

Лазер и Луна Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет,

Аннотация
В данной работе будут изложены принципы работы, структура, характеристики гелий-неоновых лазеров. Подробно рассмотрены схема энергетических переходов и способ возбуждения энергетических уровней. Также в данной работе будут перечислены преимущества и недостатки He-Ne лазеров, и области их применения.

Summary
In this paper, the principles of operation, structure, and characteristics of helium-neon lasers will be described. The scheme of energy transitions and the method of excitation of energy levels are considered in detail. This paper will also list the advantages and disadvantages of He-Ne lasers, and their applications.

введение
Лазеры, в которых активной средой является газ или смесь газов, нашли наиболее широкое применение в различных областях науки и техники. Первый лазер был создан в 1960 г. Джаваном. В этом лазере использовалась смесь неона и гелия для генерации в ближней ИК области. В дальнейшем на смеси неона и гелия была осуществлена генерация в видимой части спектра λ = 6328 Ǻ. В настоящее время с помощью газовых лазеров перекрыт широкий диапазон частот, включающий УФ и ИК области. Разработано большое количество различных генераторов, как маломощных (выходная мощность ≤ 1 мВт), так и имеющих большую выходную мощность (до 10 4 Вт в непрерывном режиме и выше).

Основным достоинством газов как рабочих веществ лазера является их высокая оптическая однородность. Плотность газа значительно ниже плотности твердых тел. Поэтому рассеяние света в газе на несколько порядков меньше. К тому же в газе не могут существовать большие градиенты концентрации частиц, так как они являются свободными и могут перемещаться в пространстве.

Оптическая однородность газов допускает использование в лазерах открытых резонаторов с большим расстоянием между зеркалами, что облегчает получение высокой направленности излучения и его монохроматичности.

Второе достоинство газов также связано с малой концентрацией частиц. Так как взаимодействие между частицами в газе мало, то энергетические уровни газа практически не отличаются от уровней атомов и молекул (с учетом их теплового движения). Это позволяет предсказывать возможные энергетические переходы в газовых лазерах.

Одновременно с вышесказанным малая концентрация частиц в газе является источником основного недостатка газовых лазеров. Все они имеют малый коэффициент усиления.
1. Общие сведения о лазерах

Рисунок 1 – Устройство лазера

При оптической накачке используются фотоны, обеспечиваемые источником, таким как ксеноновая газонаполненная импульсная лампа или другой лазер, для передачи энергии лазерному веществу. Оптический источник должен обеспечивать фотоны, которые соответствуют допустимым уровням перехода в лазерном веществе.

Накачка при помощи столкновений основана на передаче энергии лазерному веществу в результате столкновения с атомами (или молекулами) лазерного вещества. При этом также должна быть обеспечена энергия, соответствующая допустимым переходам. Обычно это выполняется при помощи электрического разряда в чистом газе или в смеси газов в трубке.

Химические системы накачки используют энергию связи, высвобождаемую в результате химических реакций для перехода лазерного вещества в метастабильное состояние.

Оптический резонатор требуется для обеспечения нужного усилия в лазере и для отбора фотонов, которые перемещаются в нужном направлении. Когда первый атом или молекула в метастабильном состоянии инверсной населенности разряжается, за счет вынужденного излучения, он инициирует разряд других атомов или молекул, находящихся в метастабильном состоянии. Если фотоны перемещаются в направлении стенок лазерного вещества, обычно представляющего собой стержень или трубу, они теряются, а процесс усиления прерывается. Хотя они могут отразиться от стенок стержня или трубы, но рано или поздно они потеряются из системы, и не будут способствовать созданию луча.

С другой стороны, если один из разрушенных атомов или молекул высвободит фотон, параллельный оси лазерного вещества, он может инициировать выделение другого фотона, и они оба отразятся зеркалом на конце генерирующего стержня или трубы. Затем, отраженные фотоны проходят обратно через вещество, инициируя дальнейшее излучение в точности по тому же пути, которое снова отразится зеркалами на концах лазерного вещества. Пока этот процесс усиления продолжается, часть усиления всегда будет выходить через частично отражающее зеркало. По мере того, как коэффициент усиления или прирост этого процесса превысит потери из резонатора, начинается лазерная генерация. Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света. Зеркала в лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для того, чтобы световые лучи были параллельны оси. Сам оптический резонатор, т.е. вещество среды, не должен сильно поглощать световую энергию.

Лазерная среда (генерирующий материал) – обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа:

Различные временные режимы работы лазера определяются частотой, с которой поступает энергия.

Лазеры с непрерывным излучением (Continuous wave, CW) работают с постоянной средней мощностью луча.

У одноимпульсных лазеров длительность импульса обычно составляет от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Этот режим работы обычно называется длинноимпульсным или нормальным режимом.

Одноимпульсные лазеры с модуляцией добротности являются результатом внутрирезонаторного запаздывания (ячейка модуляции добротности), которое позволяет лазерной среде сохранять максимум потенциальной энергии. Затем, при максимально благоприятных условиях, происходит излучение одиночных импульсов, обычно с промежутком времени в 10 -8 секунд. Эти импульсы обладают высокой пиковой мощностью, часто в диапазоне от 10 6 до 10 9 Вт.

Импульсные лазеры периодического действия или сканирующие лазеры работают в принципе также как и импульсные лазеры, но с фиксированной (или переменной) частотой импульсов, которая может изменяться от нескольких импульсов в секунду до такого большого значения как 20 000 импульсов в секунду. [1]

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

2 . Гелий-неоновый лазер
2.1. Схема энергетических уровней

Важнейшие для функции He-Ne-лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис. 2. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 633, 1153 и 3391 нм.

Рисунок 2 - Схема энергетических уровней He-Ne-лазера.

Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществления процесса накачки. Как видно из рисунка, уровни 2 3 S₁ и 2 1 S₀ гелия расположены, соответственно, близко к уровням 2s и 3s неона. Поскольку уровни гелия 2 3 S₁ и 2 1 S₀ являются метастабильными, то при столкновении метастабильных возбужденных атомов гелия с атомами неона, произойдет резонансная передача энергии к атомам неона (соударения второго рода).[2]

1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .
2.2. Возбуждение

Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2s и 2р) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (2 3 S₁, 2 1 S₀). При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода:

Не* + Ne -> Не + Ne* + ΔЕ, (1)

где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2s-уровня: ΔE=0,05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для 3s-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей. При этом долгое время жизни метастабильного состояния Не благоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня.

Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов - либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2s и 3s могут - с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов - переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни s-состояний (верхний лазерный уровень) = примерно 100 нc, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) = 10 нc.

2.3. Длины волн

Рассмотрим более детально важнейшие лазерные переходы. Самая известная линия в красной области спектра (0,63 мкм) возникает вследствие перехода 3s2 → 2р4. Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1s-уровень (рис. 1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь. Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и 3s-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. Опустошение ls-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд. Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности He-Ne-лазеров несколькими десятками мВт.

Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2s, 3s, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра. Схема уровней (рис. 1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния. Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ.

Излучение в инфракрасном диапазоне около 1,157 мкм возникает посредством переходов 2s → 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1,512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения.

Характерной особенностью линии в ИК-диапазоне при 3,391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м. Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 метр. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0,63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем 3p-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения. Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот ƒ. Усиление слабых сигналов g, как правило, пропорционально g

Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3,39 мкм, а не в красной области при 0,63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3,39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия.
2.4. Конструктивное исполнение

Рисунок 3 – Конструктивное исполнение He-Ne-лазера

Для уменьшения потерь при выводе излучения торцы ГРТ располагают под углом Брюстера к оптической оси резонатора. В случае внутренних зеркал окно Брюстера помещается непосредственно вовнутрь ГРТ. С какой целью применяют окна Брюстера? Как известно, коэффициент отражения от поверхности, разделяющей две среды с различным показателем преломления, зависит от угла падения, относительного показателя преломления и типа поляризации падающего излучения. При нормальном падении потери колеблются в пределах 7–13 % и значительно превышают усиление в активной среде He-Ne лазера на длине волны 0,63 мкм; следовательно, условие самовозбуждения не выполняется и лазерная генерация невозможна.

При наклонном падении излучения коэффициент отражения существенно зависит от ориентации его плоскости поляризации. В случае совпадения плоскости поляризации падающего излучения с плоскостью падения, когда угол падения равен углу Брюстера, коэффициент отражения становится равным нулю. Для определения угла Брюстера можно воспользоваться простым соотношением: tgαБр = n, где n – относительный показатель преломления. В частности, для границы раздела стекло-воздух n = 1,5–1,6 и αБр = 56–58 °.

Именно под таким углом к оптической оси трубки надо расположить торцевую пластинку, чтобы свести потери на отражение к минимуму. При этом излучение на выходе становится линейно поляризованным.

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. Обычно производитель гарантирует минимальную наработку

КПД He-Ne лазера на всех лазерных переходах очень низкий ( -3 ). Главной причиной столь низкого КПД является малая величина квантовой эффективности лазера. Действительно, каждый элементарный процесс накачки требует затраты энергии около 20 эВ, в то время как энергия лазерного фотона не превышает 2 эВ. С другой стороны, наличие очень узкой линии усиления в таком лазере является очевидным преимуществом при получении генерации в одномодовом режиме. Если длина резонатора достаточно мала ( -11 – 10 -12 .
3. Области применения гелий-неоновых лазеров
Гелий-неоновые лазеры часто используются в научных исследованиях и оптике. Этот лазер предназначен для широкого круга приложений таких областей, как сканирующая микроскопия, спектроскопия, метрология, промышленные измерения, позиционирование, выравнивание, направленных, тестирования, проверки кода, научные, фундаментальные и медицинские исследования, а также для образовательных целей.[4]

Генерирующие на красном переходе He-Ne лазеры до сих пор находят широкое применение во многих областях, где требуется маломощное когерентное излучение видимого диапазона (например, для юстировки приборов или при считывании штрих- кодов). В супермаркетах используют красные He-Ne лазеры для считывания информации, содержащейся в штрих-коде каждого продукта. He-Ne лазеры зеленого диапазона, благодаря тому, что зеленый свет намного лучше воспринимается глазом, все в большей степени используются при юстировке приборов, а также в клеточной цитометрии. Кроме того, одночастотные He-Ne лазеры часто используются в метрологических приложениях (например, в высокоточных интерференционных устройствах измерения расстояний) и в голографии. В медицине He-Ne лазеры применяются для низкоинтенсивной лазерной терапии.

заключение
Гелий-неоновый лазер - относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Достоинством гелий-неоновых лазеров является высокая когерентность излучения, малая потребляемая мощность и небольшие габариты. Основные недостатки – невысокий КПД (от 0,01 до 0,1%) и низкая выходная мощность, не превышающая 100 мВт. He-Ne-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам.

Читайте также: