Гелий -неоновый лазер или He-Ne-лазер — это тип газового лазера , в котором высокоэнергетическая среда усиления состоит из смеси гелия и неона в соотношении (от 5:1 до 20:1) при общем давлении около 1 Торр (133 Па ) внутри небольшого электрического разряда . Самый известный и наиболее широко используемый He-Ne-лазер работает на длине волны 632,8 нм (в воздухе) в красной части видимого спектра.
Первые гелий-неоновые лазеры излучали инфракрасное излучение на длине волны 1150 нм и были первыми газовыми лазерами и первыми лазерами с непрерывным выходом волны. Однако лазер, работающий на видимых длинах волн, был гораздо более востребован, и ряд других неоновых переходов были исследованы, чтобы определить те, в которых может быть достигнута инверсия населенности . Было обнаружено, что линия 633 нм имеет самый высокий коэффициент усиления в видимом спектре, что делает ее предпочтительной длиной волны для большинства гелий-неоновых лазеров. Однако возможны и другие видимые и инфракрасные длины волн стимулированного излучения, и с помощью зеркальных покрытий с их пиковой отражательной способностью на этих других длинах волн; гелий-неоновые лазеры могут быть спроектированы для использования этих переходов, включая видимые лазеры, кажущиеся красными, оранжевыми, желтыми и зелеными. [1] Известно стимулированное излучение от более чем 100 мкм в дальнем инфракрасном диапазоне до 540 нм в видимом диапазоне.
Поскольку видимые переходы имеют несколько более низкий коэффициент усиления, эти лазеры, как правило, имеют более низкую выходную эффективность и более дороги. Переход 3,39 мкм имеет очень высокий коэффициент усиления, 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-неоновом лазерах с особенно длинным резонатором суперлюминесценция на 3,39 мкм может стать помехой, отнимая мощность у среды стимулированного излучения, что часто требует 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, [2] [3] через 18 месяцев после пионерской демонстрации в той же лаборатории первого непрерывного инфракрасного гелий-неонового газового лазера в декабре 1960 года. [4]
Среда усиления лазера, как следует из его названия, представляет собой смесь газов гелия и неона в соотношении примерно 10:1, содержащуюся при низком давлении в стеклянной оболочке. Газовая смесь в основном состоит из гелия, поэтому атомы гелия могут быть возбуждены. Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, возбуждая некоторые из них до состояния, которое излучает 632,8 нм. Без гелия атомы неона были бы возбуждены в основном до более низких возбужденных состояний, ответственных за нелазерные линии.
Неоновый лазер без гелия может быть построен, но это гораздо сложнее без этого средства связи энергии. Поэтому гелий-неоновый лазер, который потерял достаточно своего гелия (например, из-за диффузии через уплотнения или стекло), потеряет свою лазерную функциональность, 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 . Оптическая полость лазера обычно состоит из двух вогнутых зеркал или одного плоского и одного вогнутого зеркала: одно имеет очень высокую (обычно 99,9%) отражательную способность, а выходное зеркало соединителя обеспечивает пропускание приблизительно 1%.
Коммерческие гелий-неоновые лазеры представляют собой относительно небольшие устройства по сравнению с другими газовыми лазерами, имеющие длину резонатора обычно от 15 до 50 см (но иногда до 1 метра для достижения максимальной мощности), а уровни оптической выходной мощности находятся в диапазоне от 0,5 до 50 мВт .
Точная длина волны красных гелий-неоновых лазеров составляет 632,991 нм в вакууме, которая преломляется примерно до 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 со стабилизированной частотой позволяют определять длину волны одной моды с точностью до 1 части в 10 8 с помощью техники сравнения мощностей двух продольных мод в противоположных поляризациях. [6] Абсолютная стабилизация частоты лазера (или длины волны) с точностью до 2,5 частей в 10 11 может быть получена с помощью ячейки поглощения йода. [7]
Механизм, создающий инверсию населенности и усиление света в плазме He-Ne лазера [4], возникает при неупругом столкновении энергичных электронов с атомами гелия в основном состоянии в газовой смеси. Как показано на прилагаемой диаграмме энергетических уровней, эти столкновения возбуждают 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-Саундерса , номер фронта 2 указывает, что возбужденный электрон находится в состоянии n = 2) являются долгоживущими метастабильными состояниями. Из-за случайного почти совпадения между энергетическими уровнями двух метастабильных состояний He и уровнями 5s 2 и 4s 2 ( обозначение Пашена [8] ) неона, столкновения между этими метастабильными атомами гелия и атомами неона в основном состоянии приводят к селективной и эффективной передаче энергии возбуждения от гелия к неону. Этот процесс передачи энергии возбуждения задается уравнениями реакции
где * представляет собой возбужденное состояние, а Δ E - небольшая разность энергий между энергетическими состояниями двух атомов, порядка 0,05 эВ или 387 см −1 , которая обеспечивается кинетической энергией. Передача энергии возбуждения многократно увеличивает заселенность уровней неона 4s 2 и 5s 2 . Когда заселенность этих двух верхних уровней превышает заселенность соответствующего нижнего уровня 3p 4 , с которым они оптически связаны, присутствует инверсия заселенности. Среда становится способной усиливать свет в узкой полосе на 1,15 мкм (соответствующей переходу 4s 2 в 3p 4 ) и в узкой полосе на 632,8 нм (соответствующей переходу 5s 2 в 3p 4 ). Уровень 3p 4 эффективно опустошается быстрым радиационным распадом до состояния 3s, в конечном итоге достигая основного состояния.
Оставшийся шаг в использовании оптического усиления для создания оптического осциллятора заключается в размещении высокоотражающих зеркал на каждом конце усиливающей среды, так что волна в определенной пространственной моде будет отражаться обратно на себя, получая больше мощности в каждом проходе, чем теряется из-за передачи через зеркала и дифракции. Когда эти условия выполняются для одной или нескольких продольных мод , то излучение в этих модах будет быстро нарастать до тех пор, пока не наступит насыщение усиления , что приведет к стабильному непрерывному выходу лазерного луча через переднее (обычно отражающее 99%) зеркало.
Ширина полосы усиления гелий-неонового лазера определяется доплеровским уширением, а не уширением под давлением из-за низкого давления газа, и поэтому она довольно узкая: полная ширина всего около 1,5 ГГц для перехода 633 нм. [6] [9] При типичной длине резонаторов от 15 до 50 см это позволяет одновременно колебаться примерно от 2 до 8 продольных мод (однако для специальных применений доступны устройства с одной продольной модой). Видимый выход красного гелий-неонового лазера, большая длина когерентности и его 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 дешевых, широко распространенных диодных лазеров красные гелий-неоновые лазеры широко использовались в сканерах штрих-кодов на кассах супермаркетов. Гелий-неоновые лазеры обычно присутствуют в образовательных и исследовательских оптических лабораториях. Они также непревзойденны для использования в нанопозиционировании в таких приложениях, как изготовление полупроводниковых приборов . Высокоточные лазерные гироскопы использовали гелий-неоновые лазеры, работающие на длине волны 633 нм в конфигурации кольцевого лазера .
Красные гелий-неоновые лазеры имеют огромное количество промышленных и научных применений. Они широко используются в лабораторных демонстрациях в области оптики из-за их относительно низкой стоимости и простоты эксплуатации по сравнению с другими видимыми лазерами, производящими лучи аналогичного качества с точки зрения пространственной когерентности (одномодовый гауссов пучок ) и большой длины когерентности (однако, начиная примерно с 1990 года, полупроводниковые лазеры стали предлагать более дешевую альтернативу для многих таких приложений).
Начиная с 1978 года в проигрывателях Pioneer LaserDisc использовались гелий-неоновые лазеры (производства Toshiba и NEC ) . Это продолжалось до модельного ряда 1984 года, в котором вместо них использовались инфракрасные лазерные диоды . Pioneer продолжала использовать лазерные диоды во всех последующих проигрывателях вплоть до прекращения поддержки этого формата в 2009 году.
