Гелий -неоновый лазер или He-Ne лазер - это тип газового лазера , высокоэнергетическая среда которого состоит из смеси гелия и неона в соотношении (от 5: 1 до 20: 1) при общем давлении примерно 1 Торр. (133 Па ) внутри небольшого электрического разряда . Самый известный и наиболее широко используемый He-Ne лазер работает на длине волны 632,8 нм (на воздухе) в красной части видимого спектра.
Первые He-Ne лазеры излучали инфракрасное излучение с длиной волны 1150 нм и были первыми газовыми лазерами и первыми лазерами с непрерывным излучением. Однако лазер, работающий на видимых длинах волн, был гораздо более востребован, и был исследован ряд других неоновых переходов, чтобы определить те, в которых можно достичь инверсии населенностей . Было обнаружено, что линия 633 нм имеет наибольшее усиление в видимом спектре, что делает эту длину волны предпочтительной для большинства He-Ne-лазеров. Однако возможны другие длины волн вынужденного излучения в видимом и инфракрасном диапазоне, а также за счет использования зеркальных покрытий с их максимальной отражательной способностью на этих других длинах волн; He-Ne лазеры могут быть разработаны с использованием этих переходов, включая видимые лазеры красного, оранжевого, желтого и зеленого цвета. [1] Стимулированные излучения известны от более 100 мкм в дальней инфракрасной области до 540 нм в видимой области.
Поскольку видимые переходы имеют несколько меньший коэффициент усиления, эти лазеры обычно имеют более низкую выходную эффективность и более дороги. Переход 3,39 мкм имеет очень высокий коэффициент усиления, но его нельзя использовать в обычном He-Ne лазере (с другой предполагаемой длиной волны), поскольку на этой длине волны резонатор и зеркала несут потери. Однако в мощных He-Ne-лазерах с особенно длинным резонатором суперлюминесценция на длине волны 3,39 мкм может стать помехой, отбирая мощность у среды стимулированного излучения, часто требуя дополнительного подавления.
Самый известный и наиболее широко используемый He-Ne 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 новаторской демонстрации в той же лаборатории первого газового He-Ne лазера непрерывного инфракрасного излучения в декабре 1960 года. [4]
Усиливающая среда лазера, как следует из его названия, представляет собой смесь газов гелия и неона в соотношении примерно 10:1, содержащуюся под низким давлением в стеклянной колбе. Газовая смесь состоит в основном из гелия, поэтому атомы гелия могут возбуждаться. 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 можно построить, но без этого средства связи энергии сделать это гораздо сложнее. Следовательно, He-Ne-лазер, потерявший достаточное количество гелия (например, из-за диффузии через уплотнения или стекло), потеряет свою лазерную функциональность, поскольку эффективность накачки будет слишком низкой. [5] Источником энергии или накачки лазера является высоковольтный электрический разряд , проходящий 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 обычно состоит из двух вогнутых зеркал или одного плоского и одного вогнутого зеркала: одно имеет очень высокий коэффициент отражения (обычно 99,9%), а зеркало выходного ответвителя обеспечивает пропускание примерно 1%.
Коммерческие He-Ne лазеры представляют собой относительно небольшие устройства по сравнению с другими газовыми лазерами, имеющие длину резонатора обычно от 15 до 50 см (но иногда до примерно 1 метра для достижения максимальной мощности) и уровни выходной оптической мощности от 0,5 до 50. м Вт .
Точная длина волны красных гелий-неоновых лазеров составляет 632,991 нм в вакууме, а в воздухе она преломляется примерно до 632,816 нм. Длины волн мод стимулированного излучения лежат в пределах примерно 0,001 нм выше или ниже этого значения, а длины волн этих мод смещаются в этом диапазоне из-за теплового расширения и сжатия резонатора. Варианты со стабилизацией частоты позволяют задавать длину волны одной моды с точностью до 1/108 методом сравнения мощностей двух продольных мод в противоположных поляризациях. [6] Абсолютная стабилизация частоты (или длины волны) лазера с точностью до 2,5 частей на 10 11 может быть получена за счет использования йодной абсорбционной ячейки. [7]
Механизм инверсии населенностей и усиления света в He-Ne-лазерной плазме [4] обусловлен неупругим столкновением энергичных электронов с атомами гелия в основном состоянии 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 них 2 3 S 1 и 2 1 S 0 ( LS, или связь Рассела-Сондерса , передний номер 2 указывает на 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 селективная и эффективная передача энергии возбуждения от гелия к неону. Этот процесс передачи энергии возбуждения описывается уравнениями реакции
где * представляет собой возбужденное состояние, а Δ E представляет собой небольшую разность энергий между энергетическими состояниями двух атомов, порядка 0,05 эВ или 387 см -1 , которая обеспечивается кинетической энергией. Перенос энергии возбуждения многократно увеличивает заселенность уровней неона 4s2 и 5s2 . Когда заселенность этих двух верхних уровней превышает заселенность соответствующего нижнего уровня 3p 4 , с которым они оптически связаны, происходит инверсия заселенностей. Среда становится способной усиливать свет в узкой полосе 1,15 мкм (соответствует переходу от 4s 2 к 3p 4 ) и в узкой полосе 632,8 нм (соответствует переходу от 5s 2 к 3p 4 ). Уровень 3p 4 эффективно опустошается за счет быстрого радиационного распада до состояния 3s, в конечном итоге достигая основного состояния.
Оставшийся шаг в использовании оптического усиления для создания оптического генератора — это размещение зеркал с высокой отражающей способностью на каждом конце усиливающей среды, чтобы волна в определенной пространственной моде отражалась обратно сама на себя, получая за каждый проход больше мощности, чем теряется из-за к пропусканию через зеркала и дифракции. Когда эти условия выполняются для одной или нескольких продольных мод , излучение в этих модах будет быстро нарастать до тех пор , пока не произойдет насыщение усиления , что приведет к стабильному непрерывному выходу лазерного луча через переднее зеркало (обычно отражающее 99%).
В полосе усиления He-Ne-лазера преобладает доплеровское расширение , а не расширение давления из-за низкого давления газа, и поэтому он довольно узок: полная ширина всего около 1,5 ГГц для перехода 633 нм. [6] [9] Поскольку резонаторы имеют 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 He-Ne-лазера, большая длина когерентности и превосходное пространственное качество делают этот лазер полезным источником для голографии и эталоном длины волны в спектроскопии . Стабилизированный He-Ne лазер также является одной из эталонных систем для определения метра. [7]
До изобретения дешевых диодных лазеров красные гелий-неоновые лазеры широко использовались в сканерах штрих-кодов на кассах супермаркетов. В лазерных гироскопах используются He-Ne лазеры, работающие на длине волны 633 нм в конфигурации кольцевого лазера . He-Ne лазеры обычно присутствуют в образовательных и исследовательских оптических лабораториях.
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 лазерами видимого диапазона, производящими лучи аналогичного качества с точки зрения пространственной когерентности (одномодовый гауссовский луч ) и большой длины когерентности ( однако примерно с 1990 года полупроводниковые лазеры стали более дешевой альтернативой для многих таких приложений).
Начиная с 1978 года в проигрывателях Pioneer LaserDisc использовались гелий-неоновые ламповые лазеры (производства Toshiba и NEC ) . Так продолжалось до появления модельного ряда 1984 года, который вместо этого содержал инфракрасные лазерные диоды . Pioneer продолжал использовать лазерные диоды во всех последующих проигрывателях до прекращения поддержки этого формата в 2009 году.
