ليزر الغاز. ليزر الهيليوم نيون

يعد ليزر الهليوم-نيون - جنبًا إلى جنب مع الصمام الثنائي أو أشباه الموصلات - أحد أكثر أنواع الليزر شيوعًا والأقل تكلفة للمنطقة المرئية من الطيف. تتراوح قوة أنظمة الليزر من هذا النوع ، المصممة أساسًا للأغراض التجارية ، من 1 ميغاواط إلى عدة عشرات من ميغاواط. تحظى ليزر He-Ne بشعبية خاصة أقل قوة من 1 ميغاواط ، والتي تستخدم بشكل أساسي كأجهزة اقتباس ، وكذلك لحل المشكلات الأخرى في مجال تكنولوجيا القياس. في نطاقات الأشعة تحت الحمراء والحمراء ، يتم استبدال ليزر الهليوم-نيون بشكل متزايد بليزر الصمام الثنائي. ليزر He-Ne قادر على إصدار خطوط برتقالية وصفراء وخضراء بالإضافة إلى الخطوط الحمراء ، وهو ما يتحقق بفضل المرايا الانتقائية المناسبة.

مخطط مستوى الطاقة

مستويات طاقة الهيليوم والنيون الأكثر أهمية لوظيفة ليزر He-Ne موضحة في التين. 1. تحدث انتقالات الليزر في ذرة النيون ، حيث تنتج الخطوط الأكثر كثافة عن التحولات ذات الأطوال الموجية 633 و 1153 و 3391 (انظر الجدول 1).

يبدو التكوين الإلكتروني للنيون في الحالة الأرضية كما يلي: 1s22s22p6 حيث تمتلئ الغلاف الأول (n = 1) والغلاف الثاني (n = 2) باثنين وثمانية إلكترونات على التوالي. الدول العليا حسب الشكل. 1 تنشأ نتيجة وجود غلاف 1s22s22p5 هنا ، والإلكترون المضيء (البصري) متحمس وفقًا للمخطط: 3s ، 4s ، 5s ، ... ، 3p ، 4p ، ... إلخ. نحن نتحدث ، إذن ، عن حالة الإلكترون الواحد ، التي تقوم بالاتصال مع الغلاف. في مخطط LS (Russell-Saunders) لـ مستويات الطاقةيشار إلى النيون بحالة إلكترون واحد (على سبيل المثال 5 ثوانٍ) ، بالإضافة إلى الزخم المداري الكلي الناتج L (= S ، P ، D ...). في الترميز S ، P ، D ، ... ، يُظهر المؤشر السفلي إجمالي العزم المداري J ، ويظهر المؤشر العلوي التعددية 2S + 1 ، على سبيل المثال ، 5s1P1. في كثير من الأحيان ، يتم استخدام تسمية ظاهرية بحتة وفقًا لـ Paschen (الشكل 1). في هذه الحالة ، يتم حساب المستويات الفرعية للحالات الإلكترونية المثارة من 2 إلى 5 (للحالات s) ومن 1 إلى 10 (للحالات p).

أرز. 1. مخطط مستويات الطاقة في ليزر He-Ne. يتم تحديد مستويات النيون وفقًا لـ Pashen ، أي: 3s2 ، 3s3 ، 3s4 ، 3s5 ، إلخ.

الجدول 1. تدوينات لتحولات الخطوط المكثفة لليزر He-Ne

الإثارة

الوسيط النشط لليزر الهيليوم-نيون هو خليط الغاز، والتي يتم توفير الطاقة اللازمة لها في التفريغ الكهربائي. يتم تسكين مستويات الليزر العلوية (2s و 2 p وفقًا لـ Paschen) بشكل انتقائي على أساس الاصطدامات مع ذرات الهيليوم الثابتة (23S1 ، 21S0). أثناء هذه الاصطدامات ، لا يحدث تبادل الطاقة الحركية فحسب ، بل يحدث أيضًا انتقال الطاقة من ذرات الهليوم المثارة إلى ذرات النيون. هذه العملية تسمى تصادم من النوع الثاني:

هو * + ني -> هو + ني * + ΔE ، (1)

حيث ترمز علامة النجمة (*) إلى حالة الإثارة. فرق الطاقة في حالة الإثارة للمستوى 2s هو: & DeltaE = 0.05 eV. في حالة الاصطدام ، يتم تحويل الفرق الموجود إلى طاقة حركية ، والتي يتم توزيعها بعد ذلك على شكل حرارة. بالنسبة للمستوى 3s ، تحدث علاقات متطابقة. مثل هذا النقل الطنيني للطاقة من الهيليوم إلى النيون هو عملية الضخ الرئيسية في خلق انعكاس سكاني. في هذه الحالة ، يكون للعمر الطويل للحالة المستقرة تأثير إيجابي على انتقائية السكان في مستوى الليزر العلوي.

تحدث إثارة ذرات He على أساس اصطدام الإلكترونات ، إما بشكل مباشر أو من خلال انتقالات متتالية إضافية من مستويات أعلى. نظرًا للحالات المستقرة طويلة العمر ، فإن كثافة ذرات الهيليوم في هذه الحالات عالية جدًا. يمكن لمستويات الليزر العلوية 2 و 3 - وفقًا لقواعد الاختيار لانتقالات دوبلر الكهربائية - أن تمر فقط إلى المستويات p السفلية. من أجل التوليد الناجح لإشعاع الليزر ، من المهم للغاية أن يتجاوز عمر الحالات s (مستوى الليزر العلوي) = 100 نانوثانية تقريبًا عمر الحالات p (مستوى الليزر المنخفض) = 10 نانوثانية.

أطوال موجية

بعد ذلك ، سننظر في أهم انتقالات الليزر بمزيد من التفصيل باستخدام الشكل. 1 والبيانات من الجدول 1. يظهر الخط الأكثر شهرة في المنطقة الحمراء من الطيف (0.63 ميكرومتر) بسبب الانتقال 3s2 → 2p4. ينقسم المستوى الأدنى نتيجة انبعاث تلقائي خلال 10 نانوثانية إلى مستوى 1 ثانية (الشكل 1). هذا الأخير مقاوم للانقسام بسبب الإشعاع الكهربائي ثنائي القطب ، بحيث يتمتع بعمر طبيعي طويل. لذلك ، تتركز الذرات في هذه الحالة ، والتي تبين أنها كثيفة السكان. في تفريغ الغاز ، تتصادم الذرات في هذه الحالة مع الإلكترونات ، ثم يتم إثارة مستويي 2p و 3s مرة أخرى. في هذه الحالة ، ينخفض ​​انقلاب السكان ، مما يحد من قوة الليزر. يحدث استنفاد الحالة ls في ليزر الهيليوم-نيون بشكل رئيسي بسبب الاصطدام بجدار أنبوب تفريغ الغاز ، وبالتالي ، مع زيادة قطر الأنبوب ، لوحظ انخفاض في الكسب وانخفاض في الكفاءة. لذلك ، من الناحية العملية ، يقتصر القطر على حوالي 1 مم ، والذي بدوره يحد من قدرة خرج ليزر He-Ne إلى عدة عشرات من ميغاواط.

تنقسم التكوينات الإلكترونية 2s و 3 s و 2 p و 3 p المشاركة في انتقال الليزر إلى العديد من المستويات الفرعية. يؤدي هذا ، على سبيل المثال ، إلى مزيد من التحولات في المنطقة المرئية من الطيف ، كما يتضح من الجدول 2. بالنسبة لجميع الخطوط المرئية لليزر He-Ne ، تكون كفاءة الكم في حدود 10٪ ، وهي ليست كذلك. عالي جدا. يوضح مخطط المستوى (الشكل 1) أن مستويات الليزر العلوية تبلغ حوالي 20 فولتًا فوق حالة الأرض. طاقة إشعاع الليزر الأحمر هي 2 فولت فقط.

الجدول 2. الأطوال الموجية λ ، وقوى الخرج ، وعرض الخط Δ لليزر He-Ne (تدوين الانتقال Paschen)

اللون	λ نانومتر	انتقال (بحسب باشن)	قوة ميغاواط	Δ ƒ ميغا هيرتز	يكسب ٪ / م
الأشعة تحت الحمراء	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
الأشعة تحت الحمراء	1 523	2s2 → 2p1	1	625
الأشعة تحت الحمراء	1 153	2s2 → 2p4	1	825
أحمر	640	3s2 → 2p2
أحمر	635	3s2 → 2p3
أحمر	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
أحمر	629	3s2 → 2p5
البرتقالي	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
البرتقالي	604	3s2 → 2p7
الأصفر	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
الأصفر	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

ينشأ الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء حول 1.157 ميكرومتر من خلال انتقالات 2s → 2p. الأمر نفسه ينطبق على خط أضعف قليلاً عند حوالي 1.512 ميكرومتر. كلا هذين الخطين من الأشعة تحت الحمراء يستخدمان في الليزر التجاري.

السمة المميزة للخط في نطاق الأشعة تحت الحمراء عند 3.391 ميكرومتر هي مكاسب عالية. في منطقة الإشارات الضعيفة ، أي مع مرور واحد لإشارات الضوء الضعيفة ، يكون حوالي 20 ديسيبل / م. هذا يتوافق مع عامل 100 لجهاز ليزر طوله متر واحد. مستوى الليزر العلوي هو نفسه بالنسبة للانتقال الأحمر المعروف (0.63 ميكرومتر). من ناحية أخرى ، يعود سبب الكسب المرتفع إلى العمر القصير للغاية عند مستوى 3p الأدنى. من ناحية أخرى ، يرجع هذا إلى الطول الموجي الطويل نسبيًا ، وبالتالي التردد المنخفض للإشعاع. عادة ما تزداد نسبة الانبعاثات المحفزة والعفوية للترددات المنخفضة ƒ. تضخيم الإشارات الضعيفة g ، كقاعدة عامة ، يتناسب مع g ~ ƒ2.

بدون عناصر انتقائية ، سيصدر ليزر He-Ne عند خط 3.39 ميكرومتر وليس في المنطقة الحمراء عند 0.63 ميكرومتر. يتم منع إثارة خط الأشعة تحت الحمراء إما عن طريق مرآة التجويف الانتقائي أو عن طريق الامتصاص في نوافذ بروستر لأنبوب تفريغ الغاز. نتيجة لذلك ، يمكن رفع عتبة توليد الليزر إلى مستوى كافٍ للإشعاع 3.39 ميكرومتر ، بحيث يظهر هنا خط أحمر أضعف فقط.

تصميم

تتشكل الإلكترونات اللازمة للإثارة في تفريغ الغاز (الشكل 2) ، والتي يمكن استخدامها بجهد يبلغ حوالي 12 كيلو فولت عند تيارات تتراوح من 5 إلى 10 مللي أمبير. يبلغ الطول النموذجي للتفريغ 10 سم أو أكثر ، ويبلغ قطر الشعيرات الدموية التفريغية حوالي 1 مم ويتوافق مع قطر شعاع الليزر المنبعث. مع زيادة قطر أنبوب تصريف الغاز ، المعامل عمل مفيدالنقصان ، حيث أن التصادم مع جدار الأنبوب مطلوب لتفريغ مستوى ls. للحصول على أفضل خرج للطاقة ، يتم استخدام ضغط التعبئة الكلي (p): p · D = 500 Pa · mm ، حيث D هو قطر الأنبوب. النسبة في خليط He / Ne تعتمد على خط الليزر المطلوب. بالنسبة للخط الأحمر المعروف ، لدينا He: Ne = 5: l ، ولخط الأشعة تحت الحمراء الذي يبلغ حوالي 1.15 ميكرومتر - He: Ne = 10: l. ومن الجوانب المهمة أيضًا تحسين الكثافة الحالية. تبلغ كفاءة خط 633 نانومتر حوالي 0.1٪ ، لأن عملية الإثارة في هذه الحالة ليست فعالة للغاية. تبلغ مدة خدمة ليزر الهليوم نيون حوالي 20000 ساعة تشغيل.

أرز. 2. تصميم ليزر He-Ne للإشعاع المستقطب في نطاق ميغاواط

يكون الكسب في ظل هذه الظروف عند g = 0.1 m-1 ، لذلك من الضروري استخدام مرايا عاكسة للغاية. للخروج من شعاع الليزر ، يتم تثبيت مرآة نفاذية جزئيًا (شبه شفافة) (على سبيل المثال ، مع R = 98٪) هناك على جانب واحد فقط ، وعلى الجانب الآخر ، مرآة بأعلى انعكاس ممكن (~ 100٪). الكسب من التحولات المرئية الأخرى أقل بكثير (انظر الجدول 2). لأغراض تجارية ، تم الحصول على هذه الخطوط فقط في السنوات الاخيرةاستخدام المرايا مع خسائر منخفضة للغاية.

في السابق ، في ليزر الهليوم نيون ، تم إصلاح النوافذ الناتجة لأنبوب التفريغ براتنج الإيبوكسي ، وتم تركيب المرايا بالخارج. تسبب هذا في انتشار الهليوم من خلال المادة اللاصقة ودخل بخار الماء إلى الليزر. اليوم ، يتم تثبيت هذه النوافذ عن طريق اللحام المباشر للمعدن بالزجاج ، مما يقلل من تسرب الهيليوم إلى حوالي 1 باسكال في السنة. في حالة الليزر الصغيرة ذات الإنتاج الضخم ، يتم تطبيق طلاء المرآة مباشرة على النوافذ الناتجة ، مما يبسط التصميم بالكامل إلى حد كبير.

خصائص الشعاع

لتحديد اتجاه الاستقطاب ، تم تجهيز مصباح تفريغ الغاز بنافذتين مرتبتين بشكل غير مباشر أو ، كما هو موضح في الشكل. 2 ، يتم إدخال لوحة Brewster في الرنان. تختفي الانعكاسية على سطح بصري إذا وقع الضوء بما يسمى بزاوية بروستر وكان الاستقطاب موازيًا لمستوى السقوط. وهكذا ، فإن الإشعاع مع هذا الاتجاه من الاستقطاب يمر دون خسارة من خلال نافذة بروستر. في الوقت نفسه ، تكون انعكاسية المكون المستقطب عموديًا على مستوى السقوط عالية جدًا ويتم تثبيتها في الليزر.

نسبة (درجة) الاستقطاب (نسبة الطاقة في اتجاه الاستقطاب إلى الطاقة المتعامدة مع هذا الاتجاه) هي 1000: 1 للأنظمة التجارية التقليدية. عندما يعمل الليزر بدون ألواح بروستر مع المرايا الداخلية ، يتولد إشعاع غير مستقطب.

يولد الليزر عادة في وضع TEM00 المستعرض (وضع الترتيب الأدنى) ، ويتم تشكيل عدة أوضاع طولية (محورية) في وقت واحد. عندما تكون المسافة بين المرآتين (طول مرنان الليزر) L = 30 سم ، يكون فاصل التردد البيني Δ ƒ` = c / 2L = 500 MHz. التردد المركزي عند مستوى 4.7 - 1014 هرتز. نظرًا لأن تضخيم الضوء يمكن أن يحدث في النطاق Δ ƒ = 1500 ميجاهرتز (عرض دوبلر) ، يتم إصدار ثلاثة ترددات مختلفة عند L = 30 سم: Δ ƒ / Δ ƒ` = 3. عند استخدام مسافة أصغر بين المرايا (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.

غالبًا ما يستخدم ليزر الهليوم-نيون حوالي 10 ميجاوات في قياس التداخل أو التصوير المجسم. يتراوح طول التماسك لمثل هذه الليزرات ذات الإنتاج الضخم من 20 إلى 30 سم ، وهو ما يكفي تمامًا للتصوير المجسم للأجسام الصغيرة. يتم الحصول على أطوال تماسك أكبر باستخدام عناصر انتقائية للتردد التسلسلي.

عندما تتغير المسافة الضوئية بين المرايا نتيجة للتأثيرات الحرارية أو غيرها من التأثيرات ، يتم إزاحة الترددات الطبيعية المحورية لمرنان الليزر. مع التوليد أحادي التردد ، لا يتم الحصول هنا على تردد إشعاع ثابت - إنه يتحرك بشكل لا يمكن السيطرة عليه في نطاق عرض خط يبلغ 1500 ميجاهرتز. من خلال التحكم الإلكتروني الإضافي ، يمكن تحقيق استقرار التردد فقط في منتصف الخط (يمكن أن تتمتع الأنظمة التجارية باستقرار تردد يبلغ عدة ميجاهرتز). في المعامل البحثية ، من الممكن أحيانًا تثبيت ليزر الهيليوم-نيون في نطاق أقل من 1 هرتز.

باستخدام المرايا المناسبة ، يمكن إثارة الخطوط المختلفة من الجدول 4.2 لتوليد ضوء الليزر. الخط المرئي الأكثر استخدامًا هو حوالي 633 نانومتر مع قوى نموذجية لعدة ملي واط. بعد قمع خط ليزر مكثف يبلغ حوالي 633 نانومتر ، يمكن أن تظهر خطوط أخرى في النطاق المرئي في الرنان بسبب استخدام مرايا أو مناشير انتقائية (انظر الجدول 2). ومع ذلك ، فإن قوى الإخراج لهذه الخطوط هي فقط 10٪ من طاقة الإخراج لخط ثقيل أو حتى أقل.

يتوفر ليزر النيون الهيليوم التجاري في مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيضًا أشعة الليزر التي تولد على العديد من الخطوط وقادرة على إصدار موجات بأطوال موجية عديدة في مجموعات مختلفة. في حالة ليزر He-Ne القابل للضبط ، يُقترح تحديد الطول الموجي المطلوب عن طريق قلب المنشور.

ليزر الهيليوم نيون

بالإضافة إلى شافلوف ، كان باحثان آخران في مختبرات بيل يعملان على مشكلة الليزر في عام 1958: علي جافان وجون ساندرز. كان جافان إيراني الأصل. حصل على درجة الدكتوراه عام 1954 في قسم المدن في موضوع التنظير الإشعاعي. بقي مع مجموعة Towns لمدة أربع سنوات ، حيث كان يعمل في التحليل الطيفي الراديوي والمايزر. بعد دفاعه عن أطروحته ، عندما لم يكن تاو في إجازة في باريس وطوكيو ، أصبح جافان أكثر انخراطًا في أعمال الماسح وتوصل إلى فكرة مازر ثلاثي المستويات قبل أن تنشر مجموعة مختبرات بيل عملًا تجريبيًا حول هذا الموضوع. وجد طريقة للحصول على مكاسب سكانية غير عكسية ، باستخدام تأثير رامان على وجه الخصوص في نظام ثلاثي المستويات ، لكنه نشر نتائجه بعد مجموعة بيل.

في أبريل 1958 ، عندما كان يبحث عن وظيفة في Bell Labs ، تحدث مع Shavlov ، الذي أخبره عن الليزر. في أغسطس 1958 ، تم قبوله في Bell Labs ، وفي أكتوبر بدأ بحثًا منهجيًا عن الليزر. في البداية ، واجه صعوبات أخلاقية هناك. قام RCA سابقًا بفحص سجلاته الخاصة بجهاز الليزر ذي المستويات الثلاثة وقرر أن تواريخه تسبق تواريخ مجموعة بيل. دفعت RCA له 1000 دولار مقابل حقوق براءة الاختراع ، وبدأت نزاعًا مع Bell ، حيث كان Javan يعمل بالفعل. تعامل جافان لمدة ستة أشهر مع محامين من RCA و Bell Labs. لحسن الحظ ، قامت RCA ببعض أبحاث السوق ، واقتناعاً منها بأن مضخم الصوت هذا لم يكن مربحاً ، تخلت عن العمل ، تاركة براءة الاختراع لمختبرات Bell.

لذلك ، يمكن أن يكرس جافان نفسه بالكامل لليزر. فكر في بنائه باستخدام الغازات ، ونشر تصميمه المقترح في Physical Review Letters في عام 1959. قرر استخدام الغاز كوسيط نشط ، لأنه كان يعتقد أن هذه المادة البسيطة ستسهل البحث. ومع ذلك ، فقد اعتقد أنه من المستحيل استخدام مصابيح قوية لضخ الذرات مباشرة إلى حالة الإثارة ، واعتبر الإثارة إما عن طريق الاصطدام المباشر مع الإلكترونات في وسط نيون خالص ، أو عن طريق الاصطدامات من النوع الثاني. في الحالة الأخيرة ، يتم ملء أنبوب التفريغ بغازين ، يتم اختيارهما بحيث يمكن لذرات الغاز الأول ، المتحمسة عن طريق التصادم مع الإلكترونات في التفريغ الكهربائي ، نقل طاقتها إلى ذرات الغاز الثاني ، مما يثيرها . كان لبعض مخاليط الغازات هيكل مستوى طاقة يفي بهذه الشروط. في الواقع ، من الضروري أن يكون لمستوى طاقة الغاز الثاني طاقة مساوية عمليًا لطاقة الإثارة للغاز الأول. من بين التوليفات المحتملة للغازات ، اختار جافان مزيجًا من الهيليوم والنيون ، وتظهر مستوياتهما في الشكل. 54. وأعرب عن اعتقاده أن أي عملية فيزيائية تميل إلى إنشاء توزيع بولتزمان للطاقة على المستويات (أي أن عدد السكان في المستوى الأدنى أكبر من عدد السكان في المستوى الأعلى). لذلك ، لا يمكن الحصول على وسيط به عدد سكاني عكسي في عملية ثابتة فقط كنتيجة لمنافسة العمليات الفيزيائية المختلفة التي تجري بمعدلات مختلفة.

يمكن فهم ذلك بشكل أفضل من خلال النظر إلى شجرة لها فروع (اثنان في الشكل 55) تجلس عليها القرود. ضع في اعتبارك أولاً عدد السكان وفقًا لإحصاءات Boltzmann ، أي ، على سبيل المثال ، أربعة قرود تجلس في الفرع العلوي (1) ، وخمسة في الأسفل (2) ، وستة على الأرض (3 ، المستوى الرئيسي). من بين هذه المستويات الثلاثة ، المستوى الرئيسي هو الأكثر اكتظاظًا بالسكان ، وكلما ارتفع المستوى ، قل عدد السكان. ومع ذلك ، فإن القردة لا تجلس ساكنة ، ولكنها تقفز على الأغصان (على سبيل المثال ، يمكننا افتراض أن هذا يحدث كل دقيقة). في هذه الحالة ، يظل السكان على المستويات كما هو في الوقت المناسب (حالة التوازن). لنفترض الآن أننا نواصل ملء الفروع بنفس المعدل (قرد واحد في الدقيقة) ، لكننا في نفس الوقت نبلل الفرع 2 ونجعله زلقًا. الآن لا يمكن للقرود البقاء عليها لأكثر من 10 ثوانٍ على سبيل المثال. لذلك ، ينتشر هذا الفرع بسرعة ، وسرعان ما يوجد عدد أكبر من القردة على الفرع 1 مقارنة بالفرع 2. وبالتالي ، يتم الحصول على عدد عكسي بسبب حقيقة أن وقت إقامة القرد في الفروع المختلفة مختلف. على الرغم من أن هذه اعتبارات بدائية للغاية ، إلا أنها تساعد في فهم اعتبارات جافان.

مر اختيار مزيج الهيليوم والنيون باختيار دقيق من أجل الحصول على نظام يعد ببيئة مثالية ، وفقط النجاح اللاحق جلب الثقة الكاملة اللاحقة بجافان. حتى بعد اقتناعه بأن الهيليوم نيون هو أفضل مزيج ، كان هناك العديد من المتشككين الذين أخبروه أن تصريف الغاز كان فوضوياً للغاية. قالوا إن هناك الكثير من الشكوك ، وكانت محاولاته أشبه بصيد الإوزة البرية.

أرز. 54. مستويات طاقة الهيليوم (He) و (Ne). تظهر انتقالات الليزر الرئيسية

الشكل 55. يتم توزيع القرود على العشب وفقًا لإحصائيات بولتزمان. يوجد المزيد منها على الأرض ، ويتناقص عددها مع ارتفاع الأغصان.

أنفق جافان الكثير من المال ، ولكن لحسن الحظ نجح النظام ، وإلا كانت الإدارة مستعدة لإغلاق المشروع وإيقاف التجارب. مع نهاية المشروع ، تم إنفاق مليوني دولار على هذه الدراسة. على الرغم من أن هذا المبلغ مبالغ فيه على ما يبدو ، لا شك أن المشروع تطلب تكاليف كبيرة.

في هذه الأثناء ، تمت دعوة جون ساندرز ، عالم الفيزياء التجريبية بجامعة أكسفورد ، إلى مختبرات بيل لمحاولة تنفيذ ليزر الأشعة تحت الحمراء. خلال أقل من عام واحد مخصص لهذه الدراسة ، لم يضيع ساندرز الوقت في الدراسة النظرية ، ولكنه قرر على الفور إثارة الهيليوم النقي في أنبوب تفريغ مع مرنان فابري-بيرو بداخله. حاول الحصول على تأثير الليزر من خلال التجربة والخطأ ، وتغيير معايير التفريغ. كانت أقصى مسافة يمكن تركيب المرايا عندها بينما تظل موازية لبعضها البعض 15 سم ، ولم تستخدم ساندرز أي أنابيب تفريغ أطول. اعتبر جافان هذا قيد أساسي. لقد افترض أن الكسب في الغاز ضئيل جدًا وأن مرنان ساندرز لن يعمل. كان الأنبوب الذي استخدمه جافان أطول بكثير ، وبما أنه كان من الصعب للغاية ضبط مرايا Fabry-Perot على هذه المسافة ، فقد قرر أولاً تحديد المعلمات المطلوبة لجهاز العمل ، ثم حاول ضبط المرايا عن طريق التجربة و خطأ. هكذا كان يعمل. بدون كل العمل التمهيدي في اختيار وضع He-Ne للحصول على المكسب المعروف ، كان من المستحيل النجاح.

أرسل ساندرز خطابًا إلى Physical Review Letters يوضح أنه من الصعب الحصول على ما يكفي من الذرات المتحمسة بمصباح فلاش واقترح استخدام الإثارة الناتجة عن تأثيرات الإلكترون. يمكن إجراء هذا الإثارة بسهولة عن طريق تفريغ كهربائي في غاز أو بخار. يمكن الحصول على انعكاس السكان إذا كانت المادة النشطة تحتوي على حالات متحمسة ذات أعمار طويلة ، بالإضافة إلى حالات ذات طاقات أقل وأعمار قصيرة (كما نظرنا في مثال القرد).

مباشرة بعد هذه المقالة ، في نفس العدد من رسائل المراجعة الفيزيائية ، نشر أ. جافان مقالته التي نظر فيها أيضًا في هذه المشكلات ، ومن بين المخططات الأخرى اقترح واحدًا أصليًا للغاية. لنتأمل حالة طويلة العمر في الغاز. في ظل ظروف التفريغ ، يمكن أن تكون هذه الحالة مأهولة بالسكان بشكل مناسب بسبب عمرها الطويل. إذا كانت الحالة المثارة الآن للغاز الثاني لديها طاقة قريبة جدًا من هذه الحالة طويلة العمر ، فمن المحتمل جدًا أنه في حالة الاصطدام سيتم نقل الطاقة من الذرة الأولى إلى الثانية ، والتي ستصبح متحمسة. إذا كانت هذه الذرة تحتوي على حالات طاقة منخفضة أخرى ، فستظل غير متحمسة ، وبالتالي قد يكون هناك تعداد عكسي بين حالة الطاقة العالية فيما يتعلق بحالة الطاقة المنخفضة. في عمله ، ذكر جافان خليط من الكريبتون والزئبق ، بالإضافة إلى خليط من الهيليوم والنيون. نُشر هذا العمل في Physical Review Letters في 3 يونيو 1959.

عمل جافان عن كثب مع ويليام آر بينيت جونيور ، عالم التحليل الطيفي بجامعة ييل والذي كان صديقًا لجافان في كولومبيا. عملوا حتى وقت متأخر من الليل لمدة عام كامل. في خريف عام 1959 ، طلب جافان من دونالد آر هيريوت ، فني البصريات في Bell Labs ، المساعدة في المشروع. كانت إحدى المشكلات الأساسية هي تزويد أنبوب التفريغ بنافذتين شفافتين بجودة بصرية عالية جدًا حتى لا يتم تشويه الحزمة الناتجة. كان مطلوبًا أيضًا تثبيت المرايا الرنانة. تم تطوير مخطط (الشكل 56) مع مرايا داخل أنبوب التفريغ ، ومجهزة بأجهزة خاصة مع براغي ميكرومترية ، مما جعل من الممكن ضبط المرايا في الزوايا. في سبتمبر 1959 ، انتقل بينيت من ييل إلى مختبرات بيل ، وبدأ مع جافان برنامجًا للبحث المكثف والشامل ، وحساب وقياس الخصائص الطيفية لمخاليط الهيليوم والنيون في ظل ظروف مختلفة ، من أجل تحديد العوامل التي تحدد إنتاج انعكاس. ووجدوا أنه في ظل أفضل الظروف ، لا يمكن الحصول إلا على مكاسب صغيرة جدًا تصل إلى 1.5٪. جعل هذا الكسب المنخفض من الضروري للغاية تقليل الخسائر واستخدام المرايا بأعلى انعكاسية ممكنة. يتم الحصول على هذه المرايا عن طريق ترسيب العديد من طبقات المواد العازلة (الشفافة) المناسبة بمؤشرات انكسار مختلفة على سطح شفاف (زجاجي). يتم الحصول على معامل انعكاس مرتفع بسبب التداخل متعدد المسارات مع الانعكاسات عند الحدود بين الطبقات. تمكن ثلاثة باحثين من استخدام مرايا لها انعكاس بنسبة 98.9٪ بطول موجة يبلغ 1.15 ميكرومتر.

أرز. 56. رسم تخطيطي لليزر هيليوم نيون بناه جافان وبينيت وهيريوت

في عام 1960 ، اختبر جافان وبينيت وهريوت أخيرًا الليزر الخاص بهم. أولاً ، حاولوا إجراء تفريغ كهربائي في أنبوب كوارتز يحتوي على خليط غاز باستخدام مغنطرون قوي ، لكن الأنبوب ذاب. اضطررت إلى إعادة المعدات وإجراء التغييرات. في 12 ديسمبر 1960 ، بدأوا العمل في منظمة جديدة للأنبوب والتفريغ. لقد حاولوا تعديل المرايا للحصول على الليزر ، لكن دون جدوى. بعد ذلك ، في الظهيرة ، رأى هيريوت الإشارة: "كنت أقوم بتشغيل مسامير الميكرومتر على إحدى المرايا ، كالعادة ، عندما ظهرت فجأة إشارة على الذبذبات. قمنا بإعداد أحادي اللون وسجلنا ذروة الإشارة بطول موجة يبلغ 1.153 ميكرومتر ، أي في الطول الموجي المتوقع. وُلد أول ليزر باستخدام الغاز كوسيط نشط ، ويعمل في وضع مستمر! كان إشعاعها في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة وبالتالي غير مرئي للعين. يتطلب التسجيل جهاز استقبال مناسب متصل بمؤشر الذبذبات.

وقبل ستة أشهر ، اشترى إد باليك ، وهو تقني ساعد ، حصل لاحقًا على شهادة من جامعة أكسفورد ودرّس في كندا ، زجاجة نبيذ عمرها مائة عام. كان مخصصًا للحظة احتفالية - بمناسبة تشغيل الليزر. عندما بدأت تجارب الليزر تؤتي ثمارها أخيرًا ، بعد بضعة أيام اتصل جافان برئيس مختبرات بيل ودعاه للاستحمام في نبيذ الذكرى المئوية. كان مسرورًا للغاية ، لكنه بعد ذلك هتف: "اللعنة يا علي. لدينا مشكلة!". حدث هذا في الصباح يا جوان ولم يفهم ما هي المشكلة. لكن في الظهيرة ، تم تعميم تعميم حول المختبر ، يوضح سابقًا ، صدر قبل بضعة أشهر ، ويحظر شرب الكحول في أراضي المركز العلمي. وحظر التوضيح شرب أي كحول يقل عمره عن 100 عام. بعد ذلك رفعوا نظاراتهم للنجاح دون كسر القواعد!

تم تشغيل الليزر الأول عند انتقال 1.15 ميكرومتر ، في نطاق قريب من الأشعة تحت الحمراء. استخدم جافان المرايا التي لها أقصى انعكاس عند هذا الطول الموجي ، والذي يتوافق مع أحد التحولات المحتملة للنيون. كان يعلم أن هناك أطوال موجية أخرى محتملة. اختار هذا الطول الموجي لأن بحثه أظهر أنه يمكن توقع أكبر مكاسب فيه. لاستخدام التحولات في المنطقة المرئية ، كان من الضروري وجود أنبوب بقطر صغير بحيث كان من المستحيل ضبط المرايا المسطحة التي تم استخدامها لمرنان Fabry-Perot في ذلك الوقت.

في ليزر جافان ، احتوى أنبوب التفريغ على النيون والهيليوم عند ضغوط 0.1 و 1 تور ، على التوالي (1 تور هو ما يقرب من ألف من ضغط جو واحد). يبلغ طول أنبوب الكوارتز المصهور 80 سم وقطره 1.5 سم ، وفي كل طرف يوجد تجويف معدني يحتوي على مرايا مسطحة عاكسة عالية. تم استخدام الأكمام المرنة (منفاخ) ، مما جعل من الممكن ضبط (عن طريق الإمالة الدقيقة) مرايا Fabry-Perot بمسامير ميكرومتر. هذا جعل من الممكن ضمان التوازي بدقة 6 ثوان قوسية. في نهاياتها كانت هناك نوافذ زجاجية مسطحة ذات أسطح مصقولة بدقة تفوق 100 ألف. جعلت من الممكن إصدار شعاع إشعاعي دون تشويه. تم تحفيز التفريغ الكهربائي باستخدام أقطاب كهربائية خارجية باستخدام مذبذب 28 ميجا هرتز بقوة 50 واط. تم الحصول على المرايا ذات الانعكاس العالي بترسيب 13 طبقة من المواد العازلة (MgF 2 ، ZnS). بين 1.1 و 1.2 ميكرومتر ، كان الانعكاس 98.9٪. عمل الليزر بشكل مستمر وكان أول ليزر من هذا النوع.

اقتداءًا بمثال هيوز ، قدمت Bell Labs أيضًا عرضًا عامًا لليزر الهيليوم-نيون في 14 ديسمبر 1960. لإثبات الأهمية المحتملة للاتصالات ، تم إرسال محادثة هاتفية باستخدام حزمة من إشعاع الليزر التي تم تعديلها بواسطة الهاتف الإشارة.

أصبح هذا الليزر معروفًا باسم ليزر He-Ne ، باستخدام الرموز الكيميائية لمكوناته للاسم. تم تقديمه للصحافة في 31 يناير 1961. نُشرت ورقة تصفها في 30 ديسمبر 1960 في Physical Review Letters.

بينما كان جافان يجري التجارب في ربيع عام 1960 ، بدأ باحثان من مختبرات بيل ، وهما A. Fox و T. Lee ، بدراسة مسألة الأنماط الموجودة في مرنان Fabry-Perot. الحقيقة هي أن مرنان Fabry-Perot يختلف تمامًا عن مرنان الميكروويف في شكل تجاويف مغلقة. لقد حددوا شكل هذه الأنماط ، ودفعت نتائجهم باحثين آخرين في مختبرات بيل ، جاري دي بوند ، وجيمس جوردون ، وهيرويغ كوجلنيك ، لإيجاد حلول تحليلية في حالة المرايا الكروية. لا يمكن التقليل من أهمية دراسة التجاويف الضوئية لتطوير الليزر الغازي. قبل الحصول على هذه النتائج ، كان ليزر الغاز ، في أحسن الأحوال ، جهازًا هامشيًا ، وكان إنتاجه يعتمد بشكل كبير على محاذاة المرايا الطرفية. أظهرت الدراسات النظرية للرنانات ذات المرايا الكروية أنه يمكن أن تكون هناك تكوينات تعتمد بشكل ضعيف نسبيًا على محاذاة المرايا ، ويمكن أن تكون الخسائر الداخلية في الرنان أصغر منها في الرنان ذي المرايا المسطحة. يسمح هذا باستخدام الوسائط النشطة بمكاسب أقل بكثير مما كان يعتقد سابقًا. تم التخلي عمليًا عن الرنان ذي المرايا المسطحة ، وتم إجراء جميع اكتشافات ليزر الغاز الجديد باستخدام الرنانات ذات المرايا الكروية.

في عام 1961 ، بدأ برنامج كبير لأبحاث الليزر في مختبرات بيل. تم إعادة توجيه الباحثين المنشغلين بمشاكل أخرى إلى مواضيع جديدة ، وتم تعيين موظفين جدد. أظهر قرار استخدام مرآتين كرويتين متطابقتين في الرنان الموجود في بؤرهما (يُطلق على هذا التكوين مرنان متحد البؤر) الصعوبات التي يمكن أن يتجنبها جافان إذا استخدم مثل هذا الرنان. نتيجة لذلك ، بنى ويليام و. الة النفخ. هذا جعل من الممكن الحصول على توليد على الخط الأحمر 6328. يتم فقد جزء من الضوء حتما في الانعكاسات من أسطح النوافذ (انعكاس فرينل). ومع ذلك ، يمكن تجنب هذه الخسائر عن طريق إمالة النوافذ بزاوية معينة تسمى زاوية بروستر. في هذه الحالة ، في ضوء استقطاب معين ، تكون الخسائر عمليا صفرا. يظهر تكوين الليزر الجديد هذا في الشكل. 57.

أرز. 57. مرنان بصري متحد البؤر. يتم إغلاق الأنبوب الذي يتم فيه إثارة الغاز بفعل تفريغ كهربائي بنوافذ مائلة بزاوية بروستر. توضع المرايا المقعرة ذات نصف قطر الانحناء المتساوي خلف الأنبوب بحيث تكون المسافة بينهما مساوية لنصف قطر الانحناء

أصبح ليزر He-Ne الأحمر مستخدمًا على نطاق واسع ، ولا يزال يستخدم على وجه الخصوص في الطب. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يساهم بشكل كبير في فهم الاختلافات الأساسية بين ضوء الليزر (شديد التماسك) والضوء العادي (غير المتماسك). باستخدام هذا الليزر ، يمكن ملاحظة ظواهر التداخل بسهولة ، فضلاً عن بنية وضع شعاع الليزر ، والتي يمكن تغييرها بسهولة وبشكل واضح عن طريق إمالة طفيفة لمرآة الرنان. كما تم تحفيز تطوير أنواع أخرى عديدة من الليزر.

يمكن أن يولد ليزر He-Ne الحديث في أحد التحولات العديدة الموضحة في الشكل. 54. للقيام بذلك ، يتم عمل مرايا متعددة الطبقات بأقصى قدر من الانعكاس عند الطول الموجي المطلوب. يتم الحصول على التوليد بأطوال موجية تبلغ 3.39 ميكرومتر ، 1.153 ميكرومتر ، 6328 درجة ، وحتى عند استخدام المرايا الخاصة ، بأطوال موجية 5433 ألف (خط أخضر) ، 5941 درجة (خط أصفر) ، 6120 درجة (خط برتقالي).

من كتاب المؤلف

ليزر الحالة الصلبة الثاني في سبتمبر 1959 ، نظمت تاونز مؤتمرًا حول "إلكترونيات الكم - ظواهر الرنين" حيث ، على الرغم من أن الليزر لم يتم إنشاؤه بعد ، ركزت معظم المناقشات غير الرسمية على الليزر. وحضر هذا المؤتمر بيتر

من كتاب المؤلف

كان ليزر السيزيوم عام 1961 عام تطبيق نوعين آخرين من الليزر ، والذي كان المتخصصون يعملون فيهما منذ بداية مفهوم الليزر. واحد منهم كان ليزر السيزيوم. بعد أن كتب تاونز وشافلوف ورقتهما البحثية ، تقرر أن يحاول Townes بناء ليزر.

من كتاب المؤلف

ليزر النيوديميوم هو نوع آخر من الليزر ، أطلق في عام 1961 ولا يزال أحد الليزر الرئيسي ، وهو ليزر زجاج النيوديميوم. في 1959-1960. أصبحت شركة البصريات الأمريكية أيضًا مهتمة بأبحاث الليزر ، والتي أجراها أحد علمائها ، إلياس سنيتسر. هذه

من كتاب المؤلف

هل يوجد ليزر في الطبيعة؟ يبدو أن الإجابة نعم! كان إشعاع الليزر بطول موجة يبلغ حوالي 10 ميكرومتر (خط انبعاث ثاني أكسيد الكربون النموذجي ، والذي يشغل ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة ، والذي يستخدم على نطاق واسع ، لا سيما لتصنيع المواد) كان

من كتاب المؤلف

من كتاب المؤلف

استخدم كل من Laser and Moon Bell Labs واحدة من أولى أنواع الليزر لدراسة تضاريس سطح القمر. أثناء رحلة أبولو 11 ، التي أُرسلت إلى القمر في 21 يوليو 1969 ، قام رواد الفضاء بتركيب عاكسين زاويتين على سطحه قادران على عكس ضوء الليزر ،

الهدف من هذا العمل هو دراسة الخصائص والمعلمات الرئيسية لليزر الغازي ، حيث يتم استخدام خليط من غازات الهيليوم والنيون كمادة فعالة.

3.1. مبدأ تشغيل ليزر الهليوم نيون

ليزر الهليوم نيون هو ليزر الغاز النموذجي والأكثر شيوعًا. إنه ينتمي إلى ليزر الغاز الذري ووسطه النشط عبارة عن مزيج من الذرات المحايدة (غير المتأينة) من الغازات الخاملة - الهيليوم والنيون. النيون هو غاز عامل ، وتحدث انتقالات بين مستويات طاقته مع انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي متماسك. يلعب الهيليوم دور الغاز المساعد ويساهم في إثارة النيون وخلق انعكاس سكاني فيه.

لبدء التوليد بأي ليزر ، يجب استيفاء شرطين مهمين:

1. يجب أن يكون هناك انعكاس سكاني بين مستويات الليزر العاملة.

2. يجب أن يتجاوز الكسب في الوسط النشط جميع الخسائر في الليزر ، بما في ذلك الخسائر "المفيدة" لخرج الإشعاع.

إذا كان النظام يحتوي على مستويين ه 1 و ه 2 مع عدد الجسيمات على كل منها ، على التوالي ن 1 و ن 2 ـ درجة الانحطاط ز 1 و ز 2 ، ثم انقلاب السكان سيحدث عند السكان ن 2 /ز 2 أعلى المستويات ه 2 سيكون هناك المزيد من السكان ن 1 /ز 1 مستوى أدنى ه 1 ، أي درجة الانقلاب Δ نستكون ايجابية:

إذا كانت المستويات ه 1 و ه 2 غير متدهورة ، ثم لكي يحدث الانعكاس من الضروري أن يكون عدد الجسيمات ن 2 في المستوى الأعلى ه 2 كان أكثر من عدد الجسيمات ن 1 في المستوى الأدنى هواحد . تسمى المستويات التي يمكن من خلالها تكوين انعكاس سكاني وحدوث انتقالات قسرية مع انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي متماسك مستويات الليزر العاملة.

يتم إنشاء حالة انعكاس السكان باستخدام ضخ- إثارة ذرات الغاز بطرق مختلفة. بسبب طاقة مصدر خارجي يسمى مصدر المضخة، ذرة النيون من مستوى طاقة الأرض ه 0 ، الموافق لحالة التوازن الديناميكي الحراري ، يمر إلى الحالة المثارة Ne *. يمكن أن تحدث التحولات إلى مستويات طاقة مختلفة اعتمادًا على كثافة المضخة. ثم هناك انتقالات عفوية أو قسرية إلى مستويات طاقة منخفضة.

في معظم الحالات ، ليس من الضروري مراعاة جميع التحولات الممكنة بين جميع الدول في النظام. هذا يجعل من الممكن التحدث عن مخططات من مستويين وثلاثة وأربعة مستويات لعملية الليزر. يتم تحديد نوع مخطط تشغيل الليزر من خلال خصائص الوسيط النشط ، وكذلك بواسطة طريقة الضخ المستخدمة.

يعمل ليزر الهليوم-نيون في مخطط ثلاثي المستويات ، كما هو موضح في الشكل. 3.1. في هذه الحالة ، يتم فصل قنوات الضخ وتوليد الإشعاع جزئيًا. يؤدي ضخ المادة الفعالة إلى حدوث انتقالات من مستوى الأرض ه 0 إلى مستوى متحمس ه 2 ، مما يؤدي إلى ظهور انعكاس سكاني بين مستويات العمل ه 2 و هواحد . الوسط النشط ، الذي يكون في حالة انعكاس سكاني لمستويات العمل ، قادر على تضخيم الإشعاع الكهرومغناطيسي بتردد
بسبب عمليات الانبعاث المحفزة.

أرز. 3.1. رسم تخطيطي لمستويات الطاقة لغاز العمل والغاز المساعد ، يشرح تشغيل ليزر الهليوم نيون

نظرًا لأن توسيع مستويات الطاقة في الغازات صغير ولا توجد نطاقات امتصاص واسعة ، فمن الصعب الحصول على مجموعة عكسية باستخدام الإشعاع الضوئي. ومع ذلك ، هناك طرق أخرى للضخ ممكنة في الغازات: الإثارة الإلكترونية المباشرة ونقل طاقة الرنين عند اصطدام الذرات. يمكن القيام بإثارة الذرات عند الاصطدام بالإلكترونات بسهولة أكبر في التفريغ الكهربائي ، حيث يتم تسريع الإلكترونات بواسطة المجال الكهربائي يمكن أن تكتسب طاقة حركية كبيرة. في التصادمات غير المرنة للإلكترونات مع الذرات ، تنتقل الأخيرة إلى حالة مثارة ه 2:

من المهم أن يكون للعملية (3.4) صفة الرنين: سيكون احتمال نقل الطاقة بحد أقصى إذا تزامنت حالات الطاقة المثارة لذرات مختلفة ، أي في حالة الرنين.

مستويات الطاقة لـ He و Ne وتحولات العمل الرئيسية موضحة بالتفصيل في الشكل 1. 3.2 يتم عرض التحولات المقابلة للتفاعلات غير المرنة لذرات الغاز مع الإلكترونات السريعة (3.2) و (3.3) بواسطة الأسهم المنقطة لأعلى. نتيجة لتأثير الإلكترون ، تتحمس ذرات الهيليوم إلى مستويين 2 1 S 0 و 2 3 S 1 ، وهما مستقران. التحولات الإشعاعية في الهيليوم إلى الحالة الأرضية 1 S 0 ممنوعة بواسطة قواعد الاختيار. عندما تتصادم ذرات He المتحمسة مع ذرات Ne في الحالة الأرضية 1 S 0 ، يكون نقل الإثارة (3.4) ممكنًا ، ويمر النيون إلى أحد مستويات 2S أو 3S. في هذه الحالة ، يتم استيفاء حالة الرنين ، نظرًا لأن فجوات الطاقة بين الأرض والحالات المثارة في الغاز الإضافي والعمل قريبة من بعضها البعض.

يمكن أن تحدث التحولات الإشعاعية من مستويات 2S و 3S من النيون إلى مستويات 2P و 3P. تكون مستويات P أقل كثافة سكانية من مستويات S العليا ، حيث لا يوجد نقل مباشر للطاقة من ذرات He إلى هذه المستويات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المستويات P لها عمر قصير ، والانتقال غير الإشعاعي P → 1S يفرغ المستويات P. وهكذا ، تنشأ الحالة (3.1) عندما يكون عدد سكان المستويات العليا S أعلى من سكان المستويات الأدنى P ، أي بين المستويين S و P يوجد انعكاس سكاني ، مما يعني أنه يمكن استخدام الانتقالات بينهما لتوليد الليزر.

نظرًا لأن عدد مستويات S و P كبير ، فمن الممكن وجود مجموعة كبيرة من الانتقالات الكمية المختلفة بينهما. على وجه الخصوص ، من أربعة مستويات 2S إلى عشرة مستويات 2P ، تسمح قواعد الاختيار بـ 30 انتقالًا مختلفًا ، والتي تم إنشاء معظمها. أقوى خط انبعاث خلال انتقالات 2S → 2P هو خط 1.1523 ميكرومتر (منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف). بالنسبة للانتقالات 3S → 2P ، فإن الخط الأكثر أهمية هو 0.6328 ميكرومتر (المنطقة الحمراء) ، و 3S → 3P - 3.3913 ميكرومتر (منطقة الأشعة تحت الحمراء). يحدث الانبعاث التلقائي في جميع الأطوال الموجية المدرجة.

أرز. 3.2 مستويات طاقة ذرات الهليوم والنيون ونظام تشغيل ليزر He-Ne

كما ذكرنا سابقًا ، بعد التحولات الإشعاعية إلى مستويات P ، يحدث التحلل الإشعاعي غير الإشعاعي أثناء انتقالات P → 1S. لسوء الحظ ، تكون مستويات النيون 1S ثابتة ، وإذا كان خليط الغاز لا يحتوي على شوائب أخرى ، فإن الطريقة الوحيدة لانتقال ذرات النيون إلى الحالة الأرضية من المستوى 1S هي عن طريق الاصطدام بجدران الوعاء. لهذا السبب ، يزداد مكاسب النظام مع انخفاض قطر أنبوب التفريغ. نظرًا لاستنفاد حالات 1S من النيون ببطء ، يتم الاحتفاظ بذرات Ne في هذه الحالات ، وهو أمر غير مرغوب فيه للغاية ويحدد عددًا من ميزات هذا الليزر. على وجه الخصوص ، حيث يزيد تيار المضخة فوق قيمة العتبة يثم هناك زيادة سريعة ، ثم التشبع وحتى انخفاض في قوة إشعاع الليزر ، والذي يرجع تحديدًا إلى تراكم جزيئات العمل عند مستويات 1S ثم نقلها إلى حالات 2P أو 3P عند الاصطدام بالإلكترونات. هذا يجعل من المستحيل الحصول على قوى إشعاع عالية الإخراج.

يعتمد حدوث مجموعة عكسية على ضغط He و Ne في الخليط وعلى درجة حرارة الإلكترون. القيم المثلى لضغط الغاز هي 133 Pa لـ He و 13 Pa لـ Ne. تُعطى درجة حرارة الإلكترون بالجهد المطبق على خليط الغاز. عادة يتم الحفاظ على هذا الجهد عند مستوى 2 ... 3 كيلو فولت.

للحصول على توليد الليزر ، من الضروري وجود ردود فعل إيجابية في الليزر ، وإلا فإن الجهاز سيعمل فقط كمكبر للصوت. للقيام بذلك ، يتم وضع الوسيط الغازي النشط في مرنان بصري. بالإضافة إلى إنشاء التغذية الراجعة ، يتم استخدام الرنان لتحديد أنواع التذبذبات واختيار الطول الموجي للجيل الذي تستخدم فيه مرايا انتقائية خاصة.

في مستويات المضخة القريبة من العتبة ، يكون الليزر على نوع واحد من التذبذب أمرًا سهلاً نسبيًا. مع زيادة مستوى الإثارة ، إذا لم يتم اتخاذ تدابير خاصة ، يظهر عدد من الأوضاع الأخرى. في هذه الحالة ، يحدث التوليد بترددات قريبة من الترددات الرنانة للرنان ، والموجودة ضمن عرض الخط الذري. في حالة الأنواع المحورية للاهتزازات (TEM 00 -mode) ، مسافة التردد بين الحد الأقصى المجاور
، أين إلهو طول الرنان. نتيجة للوجود المتزامن لعدة أوضاع ، تنشأ الضربات وعدم التجانس في طيف الانبعاث. إذا وجدت الأنماط المحورية فقط ، فسيكون الطيف عبارة عن خطوط منفصلة ، والمسافة بينهما ستكون مساوية ج / 2إل. ولكن من الممكن أيضًا إثارة أنواع غير محورية من التذبذبات في الرنان ، على سبيل المثال ، أوضاع TEM 10 ، التي يعتمد وجودها بشدة على ضبط المرايا. لذلك ، تظهر خطوط أقمار صناعية إضافية في طيف الانبعاث ، وتقع بشكل متماثل في التردد على جانبي الأنواع المحورية للاهتزازات. يتم تحديد ظهور أنواع جديدة من التذبذبات مع زيادة مستوى المضخة بسهولة من خلال الملاحظة المرئية لهيكل مجال الإشعاع. من الممكن أيضًا أن نلاحظ بصريًا تأثير محاذاة الرنان على بنية أنماط الإشعاع المتماسكة.

الغازات أكثر تجانسا من الوسائط المكثفة. لذلك فإن شعاع الضوء في الغاز أقل تشوهًا وتناثرًا ، كما أن إشعاع ليزر الهيليوم-نيون يتميز باستقرار تردد جيد واتجاهية عالية تصل إلى حدها بسبب ظاهرة الانعراج. حد الانعراج للرنان متحد البؤر

,

أين λ هو الطول الموجي ؛ د 0 هو قطر شعاع الضوء في أضيق جزء منه.

يتميز إشعاع ليزر الهليوم-نيون بدرجة عالية من أحادية اللون والتماسك. عرض خطوط الانبعاث لمثل هذا الليزر هو أضيق بكثير من العرض "الطبيعي" للخط الطيفي والعديد من أوامر الحجم أقل من الدرجة المحددة لاستبانة أجهزة قياس الطيف الحديثة. لذلك ، لتحديد ذلك ، يتم قياس طيف النبضات لأنماط مختلفة في الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إشعاع هذا الليزر مستقطب مستوي بسبب استخدام النوافذ الموجودة بزاوية بروستر على المحور البصري للرنان.

يمكن أن يكون الدليل على تماسك الإشعاع هو ملاحظة نمط الانعراج في تراكب الإشعاع المتلقى من نقاط مختلفة من المصدر. على سبيل المثال ، يمكن تقدير التماسك من خلال مراقبة التداخل من نظام متعدد الفواصل الزمنية. من المعروف من تجربة يونغ أنه من أجل مراقبة تداخل الضوء من مصدر "كلاسيكي" عادي ، يتم تمرير الإشعاع أولاً من خلال شق واحد ، ثم من خلال شقين ، ثم يتم تشكيل هامش تداخل على الشاشة. في حالة استخدام إشعاع الليزر ، يتبين أن الشق الأول غير ضروري. هذا الظرف أساسي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون المسافة بين الشقين وعرضهما أكبر بشكل غير قابل للقياس مما كانت عليه في التجارب الكلاسيكية. عند نافذة خروج ليزر الغاز ، يوجد شقان ، المسافة بينهما 2 أ. في الحالة التي يكون فيها الإشعاع الساقط متماسكًا ، على شاشة تقع على مسافة دمن الشقوق ، سيتم ملاحظة نمط التداخل. في هذه الحالة ، المسافة بين الحدود القصوى (الدنيا) للنطاقات

.

الليزر الغازي الأكثر شيوعًا هو الهيليوم نيون ( هي-ني) ليزر (ليزر ذرة محايد) ، يعمل على مزيج من الهيليوم والنيون بنسبة 10: 1. هذا الليزر هو أيضًا أول ليزر مستمر.

ضع في اعتبارك مخطط الطاقة لمستويات الهيليوم والنيون (الشكل 3.4). يحدث التوليد بين مستويات النيون ، ويضاف الهيليوم لتنفيذ عملية الضخ. كما يتضح من الشكل ، المستويات 2 3 ق 1و 2 1 ق 0توجد الهيليوم ، على التوالي ، بالقرب من المستويات 2 ثانيةو 3 ثانيةليست هي. لأن مستويات الهيليوم 2 3 ق 1و 2 1 ق 0تكون غير مستقرة ، فعندما تصطدم ذرات الهيليوم المثارة المنتشرة مع ذرات النيون ، سيكون هناك انتقال طنين للطاقة إلى ذرات النيون (تصادمات من النوع الثاني).

لذا فإن المستويات 2 ثانيةو 3 ثانيةيمكن أن يسكن النيون ، وبالتالي ، يمكن أن ينطلق التوليد من هذه المستويات. حياة س-تنص على ( ر»100 نانوثانية) عمر أطول بكثير ص-تنص على ( ر ص»10 نانوثانية) ، لذلك يتم استيفاء الشرط التالي حتى يعمل الليزر وفقًا لمخطط من أربعة مستويات:

1 1 S z (3s، 2s) z (3p، 2p) z 1s .

يمكن توليد الليزر في إحدى التحولات أ, ب, جحسب الأطوال الموجية ل= 3.39 ميكرومتر ، رطل= 0.633 ميكرومتر ، ل s= 1.15 ميكرومتر ، ويمكن الحصول عليها عن طريق اختيار معامل الانعكاس لمرايا الرنان أو عن طريق إدخال عناصر مشتتة في الرنان.

أرز. 3.4. مخطط مستويات طاقة الهليوم والنيون.

دعونا نفكر في الجيل المميز لمثل هذا الليزر.

الشكل 3.5. خصائص التوليد لليزر الهيليوم-نيون.

يتم تفسير الزيادة الأولية في طاقة الخرج مع زيادة تيار المضخة من خلال الانعكاس السكاني. بعد الوصول إلى الطاقة القصوى ، يبدأ المنحنى في الانخفاض مع زيادة أخرى في تيار المضخة. ويفسر ذلك حقيقة أن مستويي 2p و 1 ليس لديهما وقت للاسترخاء ؛ ليس لدى الإلكترونات وقت للانتقال إلى مستوى طاقة منخفض ويصبح عدد الإلكترونات في المستويين المجاورين 2p و 1s كما هو. في هذه الحالة ، لا يوجد انعكاس.

تبلغ كفاءة ليزر الهليوم-نيون 0.1٪ ، وهو ما يفسره كثافة الحجم المنخفض للجسيمات المُثارة. طاقة الإخراج نموذجية هي-ني- ليزر ص~ 5-50 ميغاواط ، الاختلاف ف~ 1 مراد.

ليزر الأرجون

هذه هي أقوى أشعة الليزر ذات الموجة المستمرة في المنطقة الطيفية فوق البنفسجية المرئية والقريبة المتعلقة بليزر الغاز الأيوني. يتم ملء مستوى الليزر العلوي في غاز العمل بسبب تصادمين متتاليين للإلكترونات أثناء التفريغ الكهربائي. في الاصطدام الأول ، تتشكل الأيونات من ذرات متعادلة ، وفي التصادم الثاني تكون هذه الأيونات متحمسة. لذلك ، فإن الضخ هو عملية من مرحلتين ، وتتناسب كفاءة كل منهما مع كثافة التيار. مطلوب كثافات تيار عالية بما فيه الكفاية لضخ فعال.

تم تشغيل مخطط مستوى طاقة الليزر Ar +هو مبين في الشكل. 3.3 يحدث انبعاث الليزر في الخطوط بين 454.5 نانومتر و 528.7 نانومتر عند ملء مجموعة من المستويات 4 صعن طريق الإثارة عن طريق تأثير الإلكترون على الأرض أو الحالات المستقرة Ar +.

3.5 ليزر ثاني أكسيد الكربون

جزيئي ثاني أكسيد الكربون 2- يعتبر الليزر من أقوى أنواع الليزرات الغازية بسبب أعلى كفاءة في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاعية (15-20٪). يحدث توليد الليزر في التحولات الاهتزازية الدورانية وتوجد خطوط انبعاث هذه الليزرات في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، والتي تقع عند أطوال موجية تبلغ 9.4 ميكرومتر و 10.4 ميكرومتر.

في ثاني أكسيد الكربون 2يستخدم الليزر مزيجًا من الغازات ثاني أكسيد الكربون 2, العدد 2و هو. يتم الضخ مباشرة أثناء تصادم الجزيئات ثاني أكسيد الكربون 2مع الإلكترونات والجزيئات المثارة اهتزازيًا العدد 2. الموصلية الحرارية العالية لـ He في الخليط تعزز التبريد ثاني أكسيد الكربون 2مما يؤدي إلى استنفاد مستوى الليزر الأدنى المأهول نتيجة الإثارة الحرارية. إذن الوجود العدد 2في الخليط يساهم في ارتفاع عدد سكان مستوى الليزر العلوي ووجوده هو- استنزاف المستوى الأدنى ، ونتيجة لذلك ، تؤدي معًا إلى زيادة الانقلاب السكاني. مخطط مستوى الطاقة ثاني أكسيد الكربون 2- يظهر الليزر في الشكل. 3.4. يتم توليد الليزر أثناء الانتقال بين الحالات الاهتزازية للجزيء ثاني أكسيد الكربون ن 3 يونيو 1أو ن 3 يونيو 2مع تغيير في حالة الدوران.

أرز. 3.4. مخطط مستوى الطاقة العدد 2و ثاني أكسيد الكربون 2في ثاني أكسيد الكربون 2- ليزر.

ثاني أكسيد الكربون 2يمكن أن يعمل الليزر في الوضعين المستمر والنبضي. في الوضع المستمر ، يمكن أن تصل طاقة الخرج إلى عدة كيلووات.