لیزرهای گازی لیزر نئون هلیوم

لیزر هلیوم نئون - همراه با دیود یا نیمه هادی - یکی از پرکاربردترین و مقرون به صرفه ترین لیزرها برای ناحیه مرئی طیف است. قدرت سیستم های لیزری از این نوع که عمدتاً برای اهداف تجاری در نظر گرفته شده است، در محدوده 1 مگاوات تا چند ده مگاوات است. به خصوص لیزرهای He-Ne با قدرت کمتری با توان 1 مگاوات هستند که عمدتاً به عنوان دستگاه های نقل قول و همچنین برای حل مشکلات دیگر در زمینه فناوری اندازه گیری استفاده می شوند. در محدوده مادون قرمز و قرمز، لیزر هلیوم-نئون به طور فزاینده ای با لیزر دایود جایگزین می شود. لیزرهای He-Ne علاوه بر خطوط قرمز قادر به انتشار خطوط نارنجی، زرد و سبز هستند که به لطف آینه های انتخابی مناسب به دست می آید.

نمودار سطح انرژی

سطوح انرژی هلیوم و نئون که برای عملکرد لیزرهای He-Ne مهم هستند در شکل نشان داده شده است. 1. انتقال لیزر در اتم نئون رخ می دهد، با شدیدترین خطوط ناشی از انتقال با طول موج های 633، 1153، و 3391 (جدول 1 را ببینید).

پیکربندی الکترونیکی نئون در حالت پایه به این صورت است: 1s22s22p6 که در آن پوسته اول (n = 1) و پوسته دوم (n = 2) به ترتیب با دو و هشت الکترون پر شده اند. حالت های بالاتر مطابق شکل. 1 در نتیجه این واقعیت ایجاد می شود که در اینجا یک پوسته 1s22s22p5 وجود دارد و یک الکترون نورانی (نوری) مطابق این طرح برانگیخته می شود: 3s، 4s، 5s، ...، 3p، 4p، ... و غیره. بنابراین، ما در مورد حالت تک الکترونی صحبت می کنیم که ارتباط با پوسته را انجام می دهد. در طرح LS (راسل ساندرز) برای سطوح انرژی نئون، حالت تک الکترونی (به عنوان مثال، 5s) و همچنین تکانه کل مداری L (= S، P، D ...) نشان داده شده است. . در نماد S, P, D,...، شاخص پایین کل گشتاور مداری J را نشان می‌دهد و بالا نشان دهنده تعدد 2S + 1، به عنوان مثال، 5s1P1 است. اغلب، یک نامگذاری صرفاً پدیدارشناختی مطابق با Paschen استفاده می شود (شکل 1). در این حالت، سطوح فرعی حالت های الکترونیکی برانگیخته از 2 تا 5 (برای حالت های s) و از 1 تا 10 (برای حالت های p) شمارش می شود.

برنج. 1. طرح سطوح انرژی لیزر He-Ne. سطوح نئون بر اساس پاشن مشخص می شوند، یعنی: 3s2، 3s3، 3s4، 3s5 و غیره.

جدول 1. نشانه گذاری برای انتقال خطوط شدید یک لیزر He-Ne

برانگیختگی

محیط فعال لیزر هلیوم-نئون یک مخلوط گازی است که انرژی لازم در یک تخلیه الکتریکی به آن تامین می شود. سطوح بالای لیزر (2s و 2p مطابق با Paschen) به طور انتخابی بر اساس برخورد با اتم‌های هلیوم ناپایدار (23S1، 21S0) پر شده‌اند. در طی این برخوردها نه تنها تبادل انرژی جنبشی اتفاق می افتد، بلکه انتقال انرژی از اتم های هلیوم برانگیخته به اتم های نئون نیز صورت می گیرد. این فرآیند برخورد نوع دوم نامیده می شود:

He* + Ne -> He + Ne* + ΔE، (1)

که در آن ستاره (*) نماد حالت برانگیخته است. تفاوت انرژی در حالت تحریک سطح 2s به صورت زیر است: &DeltaE=0.05 eV. در یک برخورد، اختلاف موجود به انرژی جنبشی تبدیل می شود که سپس به شکل گرما توزیع می شود. برای سطح 3s، روابط یکسان برقرار می شود. چنین انتقال انرژی رزونانسی از هلیوم به نئون، فرآیند پمپاژ اصلی در ایجاد وارونگی جمعیت است. در این حالت، طول عمر طولانی حالت فراپایدار He تأثیر مطلوبی بر انتخاب پذیری جمعیت سطح لیزر بالایی دارد.

برانگیختگی اتم‌های He-اتم بر اساس برخورد الکترون‌ها، یا مستقیماً یا از طریق انتقال‌های آبشاری اضافی از سطوح بالاتر اتفاق می‌افتد. با توجه به حالت‌های فراپایدار طولانی مدت، چگالی اتم‌های هلیوم در این حالت‌ها بسیار بالا است. سطوح بالای لیزر 2s و 3s می توانند - با توجه به قوانین انتخاب برای انتقال داپلر الکتریکی - فقط به سطوح p پایین تر منتقل شوند. برای تولید موفقیت آمیز تابش لیزر، بسیار مهم است که طول عمر حالت های s (سطح لیزر بالایی) = تقریباً 100 ns از طول عمر حالت های p (سطح لیزر پایین تر) = 10 ns بیشتر شود.

طول موج ها

در مرحله بعد، با استفاده از شکل 1، مهمترین انتقال لیزر را با جزئیات بیشتری در نظر خواهیم گرفت. 1 و داده های جدول 1. معروف ترین خط در ناحیه قرمز طیف (0.63 میکرومتر) به دلیل انتقال 3s2 → 2p4 ظاهر می شود. سطح پایین در نتیجه انتشار خود به خود در طول 10 ns به سطح 1s تقسیم می شود (شکل 1). دومی در برابر انشعاب ناشی از تابش دوقطبی الکتریکی مقاوم است، به طوری که عمر طبیعی طولانی دارد. بنابراین، اتم ها در این حالت متمرکز می شوند که به نظر می رسد بسیار پرجمعیت است. در تخلیه گاز، اتم ها در این حالت با الکترون ها برخورد می کنند و سپس سطوح 2p و 3s دوباره برانگیخته می شوند. در این حالت وارونگی جمعیت کاهش می یابد که قدرت لیزر را محدود می کند. تخلیه حالت ls در لیزرهای هلیوم نئون عمدتاً به دلیل برخورد با دیواره لوله تخلیه گاز اتفاق می افتد و بنابراین با افزایش قطر لوله، بهره کاهش می یابد و راندمان کاهش می یابد. بنابراین، در عمل، قطر به حدود 1 میلی متر محدود می شود، که به نوبه خود، توان خروجی لیزر He-Ne را به چند ده مگاوات محدود می کند.

پیکربندی های الکترونیکی 2s، 3s، 2p، و 3p که در انتقال لیزر شرکت می کنند به سطوح فرعی متعددی تقسیم می شوند. برای مثال، این امر منجر به انتقال بیشتر در ناحیه مرئی طیف می شود، همانطور که از جدول 2 مشاهده می شود. بسیار بالا نمودار تراز (شکل 1) نشان می دهد که سطوح بالای لیزر تقریباً 20 eV بالاتر از حالت پایه هستند. انرژی تابش لیزر قرمز تنها 2 eV است.

جدول 2. طول موج λ، توان خروجی، و عرض خط Δ ƒ یک لیزر He-Ne (نماد گذار Paschen)

رنگ	λ نانومتر	انتقال (به گفته پاشن)	قدرت میلی وات	Δ ƒ مگاهرتز	کسب کردن %/m
فرو سرخ	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
فرو سرخ	1 523	2s2 → 2p1	1	625
فرو سرخ	1 153	2s2 → 2p4	1	825
قرمز	640	3s2 → 2p2
قرمز	635	3s2 → 2p3
قرمز	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
قرمز	629	3s2 → 2p5
نارنجی	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
نارنجی	604	3s2 → 2p7
رنگ زرد	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
رنگ زرد	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

تابش در محدوده مادون قرمز در حدود 1.157 میکرومتر از طریق انتقال 2s → 2p ایجاد می شود. همین امر در مورد خط کمی ضعیف تر در حدود 1.512 میکرومتر صدق می کند. هر دوی این خطوط مادون قرمز در لیزرهای تجاری کاربرد دارند.

یک ویژگی مشخصه خط در محدوده IR در 3.391 میکرومتر بهره بالا است. در منطقه سیگنال های ضعیف، یعنی با یک عبور سیگنال های نور ضعیف، حدود 20 دسی بل در متر است. این مربوط به ضریب 100 برای لیزر 1 متری است. سطح لیزر بالایی مانند انتقال قرمز شناخته شده (0.63 میکرومتر) است. بهره بالا، از یک سو، ناشی از طول عمر بسیار کوتاه در سطح 3p پایین است. از سوی دیگر، این به دلیل طول موج نسبتا طولانی و بر این اساس، فرکانس کم تابش است. معمولاً نسبت انتشارات تحریک شده و خود به خودی برای فرکانس‌های پایین افزایش می‌یابد. تقویت سیگنال های ضعیف g، به عنوان یک قاعده، متناسب با g ~ ƒ2 است.

بدون عناصر انتخابی، لیزر He-Ne در خط 3.39 میکرومتر و نه در ناحیه قرمز در 0.63 میکرومتر ساطع می‌کند. از تحریک خط مادون قرمز یا توسط آینه حفره انتخابی یا با جذب در پنجره های بروستر لوله تخلیه گاز جلوگیری می شود. به همین دلیل، آستانه تولید لیزر را می توان به سطحی برای تابش 3.39 میکرومتر افزایش داد، به طوری که تنها یک خط قرمز ضعیف تر در اینجا ظاهر می شود.

طرح

الکترون های لازم برای تحریک در یک تخلیه گاز تشکیل می شوند (شکل 2) که می تواند با ولتاژ حدود 12 کیلو ولت در جریان های 5 تا 10 میلی آمپر استفاده شود. طول معمولی تخلیه 10 سانتی متر یا بیشتر است، قطر مویرگ های تخلیه حدود 1 میلی متر است و مطابق با قطر پرتو لیزر ساطع شده است. با افزایش قطر لوله تخلیه گاز، راندمان کاهش می یابد، زیرا برای تخلیه سطح ls نیاز به برخورد با دیواره لوله است. برای توان خروجی بهینه، فشار پرکننده کل (p) استفاده می شود: p·D = 500 Pa·mm، که در آن D قطر لوله است. نسبت در مخلوط He/Ne به خط لیزر مورد نظر بستگی دارد. برای خط قرمز شناخته شده، He: Ne = 5:l، و برای خط فروسرخ حدود 1.15 میکرومتر - He:Ne=10:l داریم. یک جنبه مهم نیز بهینه سازی چگالی جریان است. راندمان برای خط 633 نانومتر حدود 0.1٪ است، زیرا فرآیند تحریک در این مورد بسیار کارآمد نیست. عمر مفید لیزر هلیوم-نئون حدود 20000 ساعت کارکرد است.

برنج. 2. طراحی لیزر He-Ne برای تشعشعات پلاریزه در محدوده mW

بهره در این شرایط در g=0.1 m-1 است، بنابراین استفاده از آینه های با انعکاس بالا ضروری است. برای خروج از پرتو لیزر فقط در یک طرف، یک آینه نیمه شفاف (به عنوان مثال، با R = 98٪) در آنجا نصب شده است، و در طرف دیگر - یک آینه با بالاترین بازتاب ممکن (~ 100٪). بهره برای سایر انتقال های قابل مشاهده بسیار کمتر است (جدول 2 را ببینید). برای اهداف تجاری، این خطوط تنها در سال های اخیر با کمک آینه هایی به دست آمده اند که با تلفات بسیار کم متمایز می شوند.

قبلاً در لیزر هلیوم نئون، پنجره‌های خروجی لوله تخلیه با رزین اپوکسی ثابت می‌شد و آینه‌ها در بیرون نصب می‌شدند. این باعث شد هلیوم از طریق چسب پخش شود و بخار آب وارد لیزر شود. امروزه این پنجره ها با جوش مستقیم فلز به شیشه بسته می شوند که نشت هلیوم را به حدود 1 Pa در سال کاهش می دهد. در مورد لیزرهای کوچک تولید انبوه، پوشش آینه مستقیماً روی پنجره های خروجی اعمال می شود که کل طراحی را بسیار ساده می کند.

ویژگی های پرتو

برای انتخاب جهت پلاریزاسیون، لامپ تخلیه گاز مجهز به دو پنجره با چیدمان اریب یا همانطور که در شکل نشان داده شده است، می باشد. 2، یک صفحه بروستر در تشدید کننده قرار می گیرد. انعکاس پذیری در یک سطح نوری از بین می رود اگر نور در به اصطلاح زاویه بروستر تابیده شود و موازی با صفحه تابش قطبی شود. بنابراین، تابش با این جهت قطبش بدون تلفات از پنجره بروستر عبور می کند. در عین حال، انعکاس مولفه قطبی شده عمود بر صفحه تابش بسیار زیاد است و در لیزر سرکوب می شود.

نسبت (درجه) پلاریزاسیون (نسبت توان در جهت قطبش به توان عمود بر این جهت) برای سیستم های تجاری معمولی 1000:1 است. هنگام کار با لیزر بدون صفحات بروستر با آینه های داخلی، تشعشعات غیرقطبی تولید می شود.

لیزر معمولاً در حالت TEM00 عرضی (پایین‌ترین حالت مرتبه) تولید می‌کند و چندین حالت طولی (محوری) به طور همزمان شکل می‌گیرد. هنگامی که فاصله بین آینه ها (طول تشدید کننده لیزر) L = 30 سانتی متر است، بازه فرکانس اینترمود Δ ƒ` = c/2L = 500 مگاهرتز است. فرکانس مرکزی در سطح 4.7 1014 هرتز است. از آنجایی که تقویت نور می تواند در محدوده Δ ƒ = 1500 مگاهرتز (عرض داپلر) رخ دهد، در L = 30 سانتی متر سه فرکانس مختلف ساطع می شود: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. هنگام استفاده از فاصله کمتر بین آینه ها (<= 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.

لیزرهای هلیوم نئون حدود 10 میلی وات اغلب در تداخل سنجی یا هولوگرافی استفاده می شوند. طول پیوستگی چنین لیزرهای تولید انبوه از 20 تا 30 سانتی متر است که برای هولوگرافی اجسام کوچک کاملاً کافی است. طول پیوستگی بزرگتر با استفاده از عناصر انتخابی فرکانس سریال به دست می آید.

هنگامی که فاصله نوری بین آینه ها در نتیجه اثرات حرارتی یا سایر اثرات تغییر می کند، فرکانس های طبیعی محوری تشدید کننده لیزر تغییر می کند. با تولید تک فرکانس، فرکانس تابش پایدار در اینجا به دست نمی آید - به طور غیرقابل کنترلی در محدوده پهنای خط 1500 مگاهرتز حرکت می کند. با کنترل الکترونیکی اضافی، تثبیت فرکانس را می توان فقط در مرکز خط به دست آورد (سیستم های تجاری می توانند ثبات فرکانس چند مگاهرتز داشته باشند). در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، گاهی اوقات امکان تثبیت لیزر هلیوم-نئون در محدوده کمتر از 1 هرتز وجود دارد.

با استفاده از آینه های مناسب، خطوط مختلف جدول 4.2 را می توان برای تولید نور لیزر تحریک کرد. متداول ترین خط قابل مشاهده در حدود 633 نانومتر با توان های معمولی چند میلی وات است. پس از سرکوب یک خط لیزر شدید حدود 633 نانومتر، خطوط دیگری در محدوده مرئی می توانند به دلیل استفاده از آینه ها یا منشورهای انتخابی در تشدید کننده ظاهر شوند (جدول 2 را ببینید). اما توان خروجی این خطوط تنها 10 درصد توان خروجی یک خط سنگین یا حتی کمتر است.

لیزرهای نئون هلیوم تجاری در طول موج های مختلف موجود هستند. علاوه بر آنها، لیزرهایی نیز وجود دارند که در خطوط بسیاری تولید می‌کنند و قادرند امواجی با طول‌موج‌های متعدد در ترکیب‌های مختلف ساطع کنند. در مورد لیزرهای He-Ne قابل تنظیم، انتخاب طول موج مورد نیاز با چرخاندن منشور پیشنهاد شده است.

لیزر نئون هلیوم

علاوه بر شاولوف، دو محقق دیگر آزمایشگاه بل در سال 1958 روی مشکل لیزر کار می کردند: علی جوان و جان سندرز. جوان ایرانی الاصل بود. او دکترای خود را در سال 1954 تحت نظر شهرها در موضوع طیف سنجی رادیویی دریافت کرد. او چهار سال در گروه تاونز ماند و روی طیف‌سنجی رادیویی و میزر کار کرد. پس از دفاع از پایان نامه خود، زمانی که تاو در پاریس و توکیو تعطیلات خود را نداشت، جوان بیشتر درگیر میزرها شد و قبل از اینکه گروه آزمایشگاه بل کار آزمایشی را در مورد این موضوع منتشر کند، ایده یک میزر سه سطحی را مطرح کرد. او روشی برای به دست آوردن افزایش جمعیت بدون وارونه یافت، به ویژه با استفاده از اثر رامان در یک سیستم سه سطحی، اما نتایج خود را دیرتر از گروه بل منتشر کرد.

در آوریل 1958، زمانی که او به دنبال کار در آزمایشگاه بل بود، با شاولوف صحبت کرد که به او درباره لیزر گفت. در آگوست 1958 در آزمایشگاه بل پذیرفته شد و در اکتبر تحقیقات سیستماتیک در مورد لیزر را آغاز کرد. او ابتدا در آنجا مشکلات اخلاقی داشت. RCA قبلاً سوابق خود را از میزر سه سطحی بررسی کرده است و تشخیص داده است که تاریخ های او قبل از تاریخ های گروه بل است. RCA به او 1000 دلار برای حقوق ثبت اختراع پرداخت کرد و با بل، جایی که جوان قبلاً در آنجا کار می کرد، اختلافی را آغاز کرد. جوان حدود شش ماه با وکلای RCA و Bell Labs سر و کار داشت. خوشبختانه، RCA تحقیقات بازار انجام داد و با متقاعد شدن به اینکه این تقویت کننده میزر سودآور نیست، کسب و کار را کنار گذاشت و ثبت اختراع را به آزمایشگاه Bell واگذار کرد.

بنابراین، جوان می‌توانست کاملاً خود را وقف لیزر کند. او به فکر ساخت آن با استفاده از گاز افتاد و طرح پیشنهادی خود را در Physical Review Letters در سال 1959 منتشر کرد. او تصمیم گرفت از گاز به عنوان محیط فعال استفاده کند، زیرا معتقد بود این ماده ساده تحقیقات را تسهیل می کند. با این حال، او فکر می‌کرد که استفاده از لامپ‌های پرقدرت برای پمپاژ مستقیم اتم‌ها به حالت برانگیخته غیرممکن است و برانگیختگی را یا از طریق برخورد مستقیم با الکترون‌ها در یک محیط نئونی خالص یا با برخوردهای نوع دوم در نظر گرفت. در مورد دوم، لوله تخلیه با دو گاز پر می شود، که به گونه ای انتخاب می شوند که اتم های گاز اول، برانگیخته شده از برخورد با الکترون ها در تخلیه الکتریکی، می توانند انرژی خود را به اتم های گاز دوم منتقل کنند و آنها را تحریک کنند. . برخی از مخلوط‌های گازها ساختار سطح انرژی داشتند که این شرایط را برآورده می‌کرد. در واقع لازم است که سطح انرژی گاز دوم دارای انرژی عملاً برابر با انرژی برانگیختگی گاز اول باشد. از میان ترکیبات احتمالی گازها، جوان ترکیبی از هلیوم و نئون را انتخاب کرد که سطوح آن در شکل 1 نشان داده شده است. 54. او معتقد بود که هر فرآیند فیزیکی تمایل به ایجاد توزیع بولتزمن انرژی بر سطوح دارد (یعنی جمعیت سطح پایین بیشتر از جمعیت سطح بالایی است). بنابراین، یک محیط با جمعیت معکوس را می توان در یک فرآیند ثابت تنها در نتیجه رقابت فرآیندهای فیزیکی مختلف که با سرعت های مختلف پیش می روند به دست آورد.

این را می توان با نگاه کردن به درختی با شاخه هایی (دو شاخه در شکل 55) که میمون ها روی آن نشسته اند، بهتر درک کرد. ابتدا جمعیت را طبق آمار بولتزمن در نظر بگیرید، به عنوان مثال، چهار میمون در شاخه بالایی (1)، پنج میمون در پایین (2)، و شش میمون روی زمین (3، سطح اصلی) می نشینند. از بین این سه سطح، سطح اصلی پرجمعیت‌ترین سطح است و هر چه سطح آن بالاتر باشد، جمعیت کمتری دارد. با این حال، میمون ها یک جا نمی نشینند، بلکه روی شاخه ها می پرند (به عنوان مثال، می توانیم فرض کنیم که هر دقیقه این اتفاق می افتد). در این حالت، جمعیت ها در سطوح در زمان ثابت می مانند (وضعیت تعادل). حالا فرض کنید که به پر کردن شاخه ها با همان سرعت (یک میمون در دقیقه) ادامه می دهیم، اما در همان زمان شاخه 2 را خیس کرده و آن را لغزنده می کنیم. اکنون میمون ها نمی توانند بیش از مثلاً 10 ثانیه روی آن بمانند. بنابراین، این شاخه به سرعت ته نشین می شود و به زودی تعداد میمون ها در شاخه 1 بیشتر از شاخه 2 است. بنابراین با توجه به اینکه زمان اقامت یک میمون در شاخه های مختلف متفاوت است، جمعیت معکوس به دست می آید. اگرچه اینها ملاحظات بسیار ابتدایی هستند، اما به درک ملاحظات جوان کمک می کنند.

انتخاب مخلوط هلیوم-نئون از طریق انتخاب دقیق انجام شد تا سیستمی را به دست آورد که نوید یک محیط بهینه را می داد و تنها موفقیت بعدی باعث شد تا اعتماد کامل پسینی در جوان به وجود بیاید. حتی پس از اینکه او متقاعد شد که هلیوم-نئون بهترین مخلوط است، بسیاری از شکاکان به او گفتند که تخلیه گاز بیش از حد آشفته است. آنها گفتند که ابهامات زیادی وجود داشت و تلاش های او مانند شکار غاز وحشی بود.

برنج. 54. سطوح انرژی هلیوم (He) و (Ne). انتقال لیزر اصلی نشان داده شده است

شکل 55. میمون های روی چمن طبق آمار بولتزمن توزیع می شوند. تعداد آنها روی زمین بیشتر است و با افزایش ارتفاع شاخه ها از تعداد آنها کاسته می شود.

جوان پول زیادی خرج کرد، اما خوشبختانه سیستم کار کرد، در غیر این صورت دولت آماده بود پروژه را تعطیل کند و آزمایش ها را متوقف کند. تا پایان این پروژه دو میلیون دلار برای این مطالعه هزینه شده است. اگرچه این مبلغ ظاهراً اغراق آمیز است، اما بدون شک این پروژه مستلزم هزینه های قابل توجهی بود.

در همین حال، جان سندرز، فیزیکدان تجربی در دانشگاه آکسفورد، به آزمایشگاه بل دعوت شد تا یک لیزر مادون قرمز را پیاده‌سازی کند. در طول کمتر از یک سالی که برای این مطالعه اختصاص داده شده بود، سندرز وقت خود را برای مطالعه نظری تلف نکرد، اما بلافاصله تصمیم گرفت هلیوم خالص را در یک لوله تخلیه با یک تشدید کننده Fabry-Pero در داخل آن تحریک کند. او سعی کرد اثر لیزر را از طریق آزمون و خطا بدست آورد و پارامترهای ترشح را تغییر داد. حداکثر فاصله ای که آینه ها را می توان در آن نصب کرد در حالی که همچنان موازی با یکدیگر باقی می ماندند 15 سانتی متر بود. سنباده ها از لوله های تخلیه طولانی تری استفاده نکردند. جوان این را یک محدودیت اساسی می دانست. او فرض کرد که بهره در گاز بسیار کم است و تشدید کننده سندرز کار نخواهد کرد. لوله ای که جوان استفاده می کرد بسیار طولانی تر بود و از آنجایی که تنظیم آینه های Fabry-Pero در چنین فاصله ای بسیار دشوار بود، تصمیم گرفت ابتدا پارامترهای مورد نیاز دستگاه کار را تعیین کند و سپس سعی کند آینه ها را به صورت آزمایشی تنظیم کند. خطا او اینگونه کار می کرد. بدون تمام کارهای اولیه در انتخاب حالت He-Ne برای به دست آوردن سود شناخته شده، موفقیت غیرممکن بود.

سندرز نامه ای به Physical Review Letters ارسال کرد و در آن گفت که به دست آوردن اتم های برانگیخته کافی با یک لامپ فلاش دشوار است و پیشنهاد کرد از برانگیختگی حاصل از برخورد الکترون استفاده شود. چنین تحریکی را می توان به راحتی با تخلیه الکتریکی در گاز یا بخار انجام داد. اگر ماده فعال دارای حالت‌های برانگیخته با طول عمر طولانی و همچنین حالت‌هایی با انرژی کمتر و طول عمر کوتاه باشد (همانطور که در مثال میمون در نظر گرفتیم) می‌توان یک وارونگی جمعیت به دست آورد.

بلافاصله پس از این مقاله، در همان شماره Physical Review Letters، ع. جوان مقاله خود را منتشر کرد که در آن به این مشکلات نیز توجه کرد و در میان دیگر طرح ها، طرحی بسیار بدیع را پیشنهاد کرد. حالتی با عمر طولانی در گاز را در نظر بگیرید. در شرایط دبی، این ایالت به دلیل طول عمر زیاد، می تواند به طور مناسب پر شود. اگر حالت برانگیخته گاز دوم انرژی بسیار نزدیک به این حالت طولانی مدت داشته باشد، احتمال اینکه برخورد انرژی را از اتم اول به اتم دوم منتقل کند که برانگیخته می شود. اگر این اتم حالت‌های انرژی پایین‌تر دیگری داشته باشد، آن‌ها برانگیخته نمی‌مانند و بنابراین ممکن است بین حالت انرژی بالا نسبت به حالت انرژی پایین جمعیت معکوس وجود داشته باشد. جوان در کار خود از مخلوط کریپتون و جیوه و همچنین مخلوطی از هلیوم و نئون نام برد. این اثر در Physical Review Letters در 3 ژوئن 1959 منتشر شد.

جاوان از نزدیک با ویلیام آر. یک سال تمام تا پاسی از شب کار کردند. در پاییز 1959، جوان از دونالد آر. هریوت، تکنسین نوری در آزمایشگاه بل، خواست تا در پروژه کمک کند. یکی از مشکلات اساسی این بود که لوله تخلیه با دو پنجره شفاف با کیفیت نوری بسیار بالا ارائه شود تا پرتو خروجی مخدوش نشود. همچنین نصب آینه های تشدید کننده الزامی بود. طرحی (شکل 56) با آینه هایی در داخل لوله تخلیه، مجهز به دستگاه های ویژه با پیچ های میکرومتر، ایجاد شد که تنظیم دقیق آینه ها در گوشه ها را ممکن می ساخت. در سپتامبر 1959، بنت از ییل به آزمایشگاه های بل نقل مکان کرد و به همراه جاوان، برنامه ای از تحقیقات فشرده و کامل، محاسبه و اندازه گیری خواص طیف سنجی مخلوط هلیوم-نئون در شرایط مختلف را آغاز کرد تا عوامل تعیین کننده را تعیین کند. تولید وارونگی آنها دریافتند که تحت بهترین شرایط، تنها یک سود بسیار کوچک، در حد 1.5٪، می تواند به دست آید. این بهره کم باعث شد تا تلفات به حداقل برسد و از آینه هایی با بالاترین انعکاس ممکن استفاده شود. چنین آینه هایی با رسوب گذاری بر روی سطح شفاف (شیشه) لایه های زیادی از مواد دی الکتریک مناسب (شفاف) با ضریب شکست متفاوت به دست می آیند. ضریب انعکاس بالایی به دلیل تداخل چند مسیره با بازتاب ها در مرزهای بین لایه ها به دست می آید. سه محقق توانستند از آینه هایی استفاده کنند که بازتابش 98.9 درصد در طول موج 1.15 میکرومتر داشتند.

برنج. 56. نمودار یک لیزر هلیوم نئون ساخته شده توسط Javan، Bennett و Heriott.

در سال 1960 جوان، بنت و هریوت سرانجام لیزر خود را آزمایش کردند. ابتدا سعی کردند با استفاده از یک مگنترون قدرتمند، یک تخلیه الکتریکی در یک لوله کوارتز حاوی مخلوط گاز انجام دهند، اما لوله ذوب شد. مجبور شدم تجهیزات را دوباره انجام دهم و تغییراتی ایجاد کنم. در 12 دسامبر 1960 آنها شروع به کار بر روی یک سازمان لوله و تخلیه جدید کردند. آنها سعی کردند آینه ها را به گونه ای تنظیم کنند که لیزر شوند، اما موفق نشدند. بعد ظهر هریوت این سیگنال را دید: «طبق معمول داشتم پیچ های میکرومتر یکی از آینه ها را می چرخاندم که ناگهان سیگنالی روی اسیلوسکوپ ظاهر شد. ما مونوکروماتور را راه اندازی کردیم و پیک سیگنال را در طول موج 1.153 میکرومتر ثبت کردیم، یعنی. در طول موج مورد انتظار اولین لیزر با استفاده از گاز به عنوان یک رسانه فعال و در حالت پیوسته متولد شد! تابش آن در محدوده مادون قرمز نزدیک بود و بنابراین برای چشم نامرئی بود. ثبت نیاز به گیرنده مناسب متصل به اسیلوسکوپ دارد.

و شش ماه قبل از آن، اد بالیک، تکنسینی که کمک کرد، بعداً از دانشگاه آکسفورد مدرک گرفت و در کانادا تدریس کرد، یک بطری شراب صد ساله خرید. برای یک لحظه بزرگ در نظر گرفته شده بود - به مناسبت عملیات لیزر. هنگامی که آزمایش های لیزر سرانجام به نتیجه رسید، چند روز بعد جوان با رئیس آزمایشگاه بل تماس گرفت و از او دعوت کرد تا مراسم را در شراب صدمین سالگرد غسل کند. او به شدت خوشحال شد، اما بعد فریاد زد: لعنت به علی. ما مشکل داریم!". صبح این اتفاق افتاد جوان و نفهمیدم مشکل چیست. اما ظهر، بخشنامه ای در اطراف آزمایشگاه منتشر شد که در آن بخشنامه قبلی که چند ماه قبل صادر شده بود، و ممنوعیت نوشیدن مشروبات الکلی در قلمرو مرکز علمی را روشن کرد. این توضیح، نوشیدن هر گونه الکلی را که کمتر از 100 سال سن داشته باشد، ممنوع کرده است. پس از آن بدون زیر پا گذاشتن قوانین عینک خود را برای موفقیت بالا بردند!

اولین لیزر در یک انتقال 1.15 میکرومتر، در محدوده نزدیک به IR عمل کرد. جوان از آینه هایی استفاده کرد که حداکثر بازتاب را در این طول موج داشتند که با یکی از انتقال های احتمالی نئون مطابقت دارد. او می دانست که طول موج های احتمالی دیگری نیز وجود دارد. او این طول موج را انتخاب کرد زیرا تحقیقات او نشان داد که بیشترین سود را می توان در آن انتظار داشت. برای استفاده از ترانزیشن ها در ناحیه مرئی، لوله ای با قطر کم مورد نیاز بود که تنظیم آینه های تختی که در آن زمان برای تشدید کننده Fabry-Pero استفاده می شد غیرممکن بود.

در لیزر جاوان، لوله تخلیه حاوی نئون و هلیوم به ترتیب با فشارهای 0.1 و 1 Torr بود (1 Torr تقریباً یک هزارم فشار یک اتمسفر است). لوله کوارتز ذوب شده 80 سانتی متر طول و 1.5 سانتی متر قطر داشت و در هر انتها یک حفره فلزی حاوی آینه های مسطح با بازتاب بالا وجود داشت. از آستین های انعطاف پذیر (دم) استفاده شد که امکان تنظیم (با کج کردن دقیق) آینه های فابری-پرو با پیچ های میکرومتری را فراهم می کرد. این امکان اطمینان از موازی بودن با دقت 6 ثانیه قوس را فراهم کرد. در انتها پنجره های شیشه ای مسطح با سطوح صیقلی با دقت بهتر از 100 A وجود داشت. آنها امکان ساطع پرتو تابشی را بدون اعوجاج فراهم می کردند. تخلیه الکتریکی با الکترودهای خارجی با استفاده از یک نوسانگر 28 مگاهرتز با توان 50 وات تحریک شد. آینه هایی با انعکاس زیاد با رسوب 13 لایه مواد دی الکتریک (MgF 2، ZnS) به دست آمد. بین 1.1 و 1.2 میکرومتر، بازتاب 98.9٪ بود. لیزر به طور مداوم کار می کرد و اولین لیزر از این نوع بود.

به پیروی از نمونه هیوز، آزمایشگاه بل همچنین در 14 دسامبر 1960 یک لیزر هلیوم-نئون را به نمایش گذاشت. برای نشان دادن اهمیت احتمالی ارتباطات، یک مکالمه تلفنی با استفاده از پرتوی از تابش لیزر که توسط یک تلفن مدوله شده بود مخابره شد. علامت.

این لیزر با استفاده از نمادهای شیمیایی اجزای آن به عنوان لیزر He-Ne شناخته شد. در 31 ژانویه 1961 به مطبوعات ارائه شد. مقاله ای که آن را توصیف می کند در 30 دسامبر 1960 در Physical Review Letters منتشر شد.

در حالی که جوان در بهار 1960 آزمایش‌هایی را انجام می‌داد، دو محقق آزمایشگاه بل به نام‌های A. Fox و T. Lee شروع به مطالعه این سوال کردند که چه حالت‌هایی در تشدیدگر Fabry-Pero وجود دارد. واقعیت این است که تشدید کننده Fabry-Pero به شکل حفره های بسته بسیار متفاوت از تشدید کننده های مایکروویو است. آنها شکل این حالت ها را تعیین کردند و نتیجه آنها سایر محققان آزمایشگاه بل، گری دی. باند، جیمز گوردون و هرویگ کوگلنیک را بر آن داشت تا راه حل های تحلیلی در مورد آینه های کروی بیابند. اهمیت مطالعه حفره های نوری برای توسعه لیزرهای گازی را نمی توان دست کم گرفت. قبل از به دست آمدن این نتایج، لیزر گازی در بهترین حالت، یک دستگاه حاشیه ای بود که تولید آن به شدت به تراز آینه های انتهایی وابسته بود. مطالعات تئوری تشدید کننده ها با آینه های کروی نشان داده است که می تواند پیکربندی هایی وجود داشته باشد که نسبتاً ضعیف به تراز آینه ها وابسته است و تلفات داخلی در تشدید کننده می تواند کمتر از تشدید کننده با آینه های تخت باشد. این اجازه می دهد تا از رسانه های فعال با سود بسیار کمتر از آنچه قبلا تصور می شد استفاده کنید. تشدید کننده با آینه های تخت عملاً رها شد و تمام اکتشافات لیزرهای گازی جدید با استفاده از تشدید کننده هایی با آینه های کروی انجام شد.

در سال 1961، یک برنامه تحقیقاتی لیزری بزرگ در آزمایشگاه بل آغاز شد. محققانی که با مشکلات دیگر مشغول بودند به موضوعات جدید هدایت شدند، کارمندان جدید استخدام شدند. تصمیم به استفاده از دو آینه کروی یکسان در تشدید کننده که در کانون آنها قرار دارند (این پیکربندی تشدید کننده کانفوکال نامیده می شود) نشان داد که جوان در صورت استفاده از چنین تشدید کننده ای می تواند از چه مشکلاتی جلوگیری کند. در نتیجه، ویلیام دبلیو. ریگرود، هرویگ کوگلنیک، دونالد آر. هریوت و دی. جی. برانگاسیو در بهار سال 1962 اولین تشدید کننده کانفوکال را با آینه های کروی ساختند که نور را به سمت محور لوله تخلیه متمرکز می کند، این آینه ها در خارج از لوله تخلیه قرار می گیرند. لوله این امر امکان تولید خط قرمز 6328 A را فراهم کرد. بخشی از نور به طور اجتناب ناپذیری در بازتاب های سطوح پنجره از بین می رود (بازتاب فرنل). با این حال، می توان با کج کردن پنجره ها در یک زاویه خاص، به نام زاویه بروستر، از این تلفات جلوگیری کرد. در این حالت، برای نور یک قطبش معین، تلفات عملاً صفر است. این پیکربندی لیزر جدید در شکل نشان داده شده است. 57.

برنج. 57. تشدید کننده نوری کانفوکال. لوله ای که در آن گاز توسط تخلیه الکتریکی تحریک می شود با پنجره هایی که به زاویه بروستر تمایل دارند بسته می شود. آینه های مقعر با شعاع انحنای مساوی در پشت لوله قرار می گیرند تا فاصله بین آنها برابر با شعاع انحنا باشد.

لیزر He-Ne قرمز به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است و هنوز هم به ویژه در پزشکی استفاده می شود. علاوه بر این، به درک تفاوت های اساسی بین نور لیزر (بسیار همدوس) و نور معمولی (ناهمدوس) کمک زیادی می کند. با این لیزر پدیده های تداخلی به راحتی مشاهده می شود و همچنین ساختار حالت پرتو لیزر که با یک شیب جزئی آینه تشدید کننده به راحتی و به وضوح تغییر می کند. توسعه انواع مختلف لیزرهای دیگر نیز تحریک شد.

یک لیزر مدرن He-Ne می تواند در یکی از چندین انتقال نشان داده شده در شکل. 54. برای این کار آینه های چند لایه با حداکثر بازتاب در طول موج مورد نظر ساخته می شوند. تولید در طول موج های 3.39 میکرومتر، 1.153 میکرومتر، 6328 A°، و حتی هنگام استفاده از آینه های خاص، در طول موج های 5433 A (خط سبز)، 5941 A° (خط زرد)، 6120 A° (خط نارنجی) به دست می آید.

از کتاب نویسنده

دومین لیزر حالت جامد در سپتامبر 1959، تاونز کنفرانسی را با عنوان "الکترونیک کوانتومی - پدیده های تشدید" ترتیب داد که در آن با وجود اینکه لیزر هنوز ایجاد نشده بود، بیشتر بحث های غیررسمی بر لیزر متمرکز بود. این کنفرانس با حضور پیتر برگزار شد.

از کتاب نویسنده

لیزر سزیوم 1961 سال اجرای دو لیزر دیگر بود که متخصصان از همان ابتدای پیدایش لیزر روی آن کار می کردند. یکی از آنها لیزر سزیوم بود. پس از اینکه تاونز و شاولوف مقاله خود را نوشتند، تصمیم گرفته شد که تاونز برای ساخت لیزر تلاش کند.

از کتاب نویسنده

لیزر نئودیمیم لیزر دیگری که در سال 1961 راه اندازی شد و هنوز یکی از اصلی ترین آنهاست، لیزر شیشه نئودیمیم است. در سال 1959-1960. شرکت اپتیکال آمریکا نیز به تحقیقات لیزری علاقه مند شد که توسط یکی از دانشمندان آن به نام الیاس اسنیتزر انجام شد. این

از کتاب نویسنده

آیا لیزر در طبیعت وجود دارد؟ به نظر می رسد که پاسخ مثبت است! تابش لیزر با طول موج حدود 10 میکرومتر (یک خط معمولی انتشار دی اکسید کربن، که لیزرهای پرقدرت CO2 را کار می کند، که به طور گسترده، به ویژه برای ماشینکاری مواد استفاده می شود)

از کتاب نویسنده

از کتاب نویسنده

آزمایشگاه لیزر و موون بل از یکی از اولین لیزرها برای مطالعه توپوگرافی سطح ماه استفاده کرد. در طی سفر آپولو 11 که در 21 ژوئیه 1969 به ماه فرستاده شد، فضانوردان دو بازتابنده گوشه ای را روی سطح آن نصب کردند که قادر به بازتاب نور لیزر بودند.

هدف از این کار بررسی ویژگی ها و پارامترهای اصلی یک لیزر گازی است که در آن از مخلوط گازهای هلیوم و نئون به عنوان ماده فعال استفاده می شود.

3.1. اصل عملکرد لیزر هلیوم نئون

لیزر هلیوم نئون معمولی ترین و رایج ترین لیزر گازی است. این به لیزرهای گاز اتمی تعلق دارد و محیط فعال آن مخلوطی از اتم های خنثی (غیر یونیزه) گازهای بی اثر - هلیوم و نئون است. نئون یک گاز فعال است و انتقال بین سطوح انرژی آن با انتشار تشعشعات الکترومغناطیسی منسجم رخ می دهد. هلیم نقش یک گاز کمکی را ایفا می کند و به تحریک نئون و ایجاد وارونگی جمعیت در آن کمک می کند.

برای شروع تولید در هر لیزری، دو شرط مهم باید رعایت شود:

1. بین سطوح لیزری کار باید وارونگی جمعیت وجود داشته باشد.

2. بهره در محیط فعال باید از تمام تلفات لیزر، از جمله تلفات "مفید" برای خروجی تابش بیشتر باشد.

اگر سیستم دارای دو سطح باشد E 1 و Eبه ترتیب 2 با تعداد ذرات روی هر یک از آنها ن 1 و ن 2 و درجه انحطاط g 1 و g 2، سپس وارونگی جمعیت زمانی رخ خواهد داد که جمعیت ن 2 /g 2 سطح بالا E 2 جمعیت بیشتری خواهد داشت ن 1 /g 1 سطح پایین تر E 1، یعنی درجه وارونگی Δ نمثبت خواهد بود:

اگر سطوح E 1 و E 2 غیر منحط هستند، پس برای اینکه وارونگی رخ دهد لازم است تعداد ذرات ن 2 در سطح بالا E 2 بیشتر از تعداد ذرات بود ن 1 در سطح پایین تر Eیکی . سطوحی که بین آنها ایجاد وارونگی جمعیت و وقوع انتقال اجباری با انتشار تابش الکترومغناطیسی منسجم امکان پذیر است، نامیده می شوند. سطوح کار لیزری.

حالت وارونگی جمعیت با استفاده از آن ایجاد می شود پمپاژ- تحریک اتم های گاز با روش های مختلف. به دلیل انرژی یک منبع خارجی، نامیده می شود منبع پمپاتم Ne از سطح انرژی زمین E 0، مربوط به حالت تعادل ترمودینامیکی، به حالت برانگیخته Ne* می رود. بسته به شدت پمپ، انتقال ممکن است به سطوح مختلف انرژی رخ دهد. سپس انتقال خود به خود یا اجباری به سطوح انرژی پایین تر وجود دارد.

در بیشتر موارد، لازم نیست همه انتقال‌های ممکن بین همه حالت‌های سیستم در نظر گرفته شود. این باعث می شود که از طرح های دو، سه و چهار سطح عملیات لیزر صحبت کنیم. نوع طرح عملیات لیزر با توجه به خواص محیط فعال و همچنین با روش پمپاژ مورد استفاده تعیین می شود.

لیزر هلیوم نئون در یک طرح سه سطحی عمل می کند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 3.1. در این حالت کانال های پمپاژ و تولید تشعشع تا حدی از هم جدا می شوند. پمپاژ ماده فعال باعث انتقال از سطح زمین می شود E 0 تا سطح هیجان زده E 2، که منجر به ظهور یک وارونگی جمعیت بین سطوح کاری می شود E 2 و Eیکی . محیط فعال که در حالت وارونگی جمعیت از سطوح کاری قرار دارد، قادر به تقویت تابش الکترومغناطیسی با فرکانس است.
به دلیل فرآیندهای انتشار تحریک شده

برنج. 3.1. نمودار سطوح انرژی گاز در حال کار و کمکی، توضیح عملکرد لیزر هلیوم نئون

از آنجایی که افزایش سطح انرژی در گازها کم است و نوارهای جذب وسیعی وجود ندارد، بدست آوردن جمعیت معکوس با استفاده از تابش نوری دشوار است. با این حال، روش های دیگر پمپاژ در گازها امکان پذیر است: تحریک الکترونیکی مستقیم و انتقال انرژی تشدید در هنگام برخورد اتم ها. تحریک اتم ها در برخورد با الکترون ها به آسانی می تواند در یک تخلیه الکتریکی انجام شود، جایی که الکترون ها توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند. می تواند انرژی جنبشی قابل توجهی کسب کند. در برخوردهای غیرالاستیک الکترون ها با اتم ها، اتم ها به حالت برانگیخته می روند E 2:

مهم است که فرآیند (3.4) دارای ویژگی تشدید باشد: احتمال انتقال انرژی حداکثر خواهد بود اگر حالت های انرژی برانگیخته اتم های مختلف منطبق باشند، یعنی در رزونانس باشند.

سطوح انرژی He و Ne و انتقال های کاری اصلی به تفصیل در شکل 1 نشان داده شده است. 3.2. انتقال مربوط به برهمکنش های غیر کشسان اتم های گاز با الکترون های سریع (3.2) و (3.3) با فلش های نقطه چین به سمت بالا نشان داده شده است. در نتیجه برخورد الکترون، اتم های هلیوم به سطوح 2 1 S 0 و 2 3 S 1 برانگیخته می شوند که ناپایدار هستند. انتقال تابشی در هلیوم به حالت پایه 1 S 0 توسط قوانین انتخاب ممنوع است. هنگامی که اتم های او برانگیخته با اتم های Ne در حالت پایه 1 S 0 برخورد می کنند، انتقال تحریک (3.4) امکان پذیر است و نئون به یکی از سطوح 2S یا 3S می رود. در این حالت، شرایط تشدید برآورده می شود، زیرا شکاف های انرژی بین زمین و حالت های برانگیخته در گاز کمکی و گاز کار به یکدیگر نزدیک هستند.

انتقال تشعشعی می تواند از سطوح 2S و 3S نئون به سطوح 2P و 3P رخ دهد. سطوح P نسبت به سطوح S بالایی جمعیت کمتری دارند، زیرا هیچ انتقال مستقیم انرژی از اتم های He به این سطوح وجود ندارد. علاوه بر این، سطوح Р طول عمر کوتاهی دارند و انتقال غیر تشعشعی Р → 1S سطوح Р. وارونگی جمعیت را خالی می کند، به این معنی که انتقال بین آنها می تواند برای تولید لیزر استفاده شود.

از آنجایی که تعداد سطوح S و P زیاد است، مجموعه بزرگی از انتقال کوانتومی مختلف بین آنها امکان پذیر است. به طور خاص، از چهار سطح 2S تا 10 سطح 2P، 30 انتقال مختلف توسط قوانین انتخاب مجاز است، که اکثر آنها تولید شده اند. قوی ترین خط انتشار در طول انتقال 2S → 2P خط 1.1523 میکرومتر (منطقه مادون قرمز طیف) است. برای انتقال 3S→2Р، مهمترین خط 0.6328 میکرومتر (ناحیه قرمز) و برای 3S→3Р - 3.3913 میکرومتر (ناحیه IR) است. انتشار خود به خود در تمام طول موج های ذکر شده رخ می دهد.

برنج. 3.2. سطوح انرژی اتم های هلیوم و نئون و طرح عملیات لیزر He-Ne

همانطور که قبلا ذکر شد، پس از انتقال تابشی به سطوح P، واپاشی تابشی غیر تشعشعی در طول انتقال P → 1S رخ می دهد. متأسفانه سطوح نئون 1S ناپایدار هستند و اگر مخلوط گاز حاوی ناخالصی های دیگر نباشد، تنها راه انتقال اتم های نئون به حالت پایه از سطح 1S، برخورد با دیواره های ظرف است. به همین دلیل با کاهش قطر لوله تخلیه، بهره سیستم افزایش می یابد. از آنجایی که حالت‌های 1S نئون به آرامی تخلیه می‌شوند، اتم‌های Ne در این حالت‌ها حفظ می‌شوند که بسیار نامطلوب است و تعدادی از ویژگی‌های این لیزر را تعیین می‌کند. به ویژه، با افزایش جریان پمپ بالاتر از مقدار آستانه jسپس یک افزایش سریع و سپس اشباع و حتی کاهش قدرت تابش لیزر وجود دارد که دقیقاً به دلیل تجمع ذرات فعال در سطوح 1S و سپس انتقال آنها به حالت های 2P یا 3P در هنگام برخورد با الکترون ها است. این امر دستیابی به توان تابش خروجی بالا را غیرممکن می کند.

وقوع جمعیت معکوس به فشار He و Ne در مخلوط و به دمای الکترون بستگی دارد. مقادیر بهینه فشار گاز 133 Pa برای He و 13 Pa برای Ne است. دمای الکترون توسط ولتاژ اعمال شده به مخلوط گاز داده می شود. معمولاً این ولتاژ در سطح 2…3 کیلو ولت حفظ می شود.

برای به دست آوردن تولید لیزر، لازم است که بازخورد مثبت در لیزر وجود داشته باشد، در غیر این صورت دستگاه فقط به عنوان یک تقویت کننده کار می کند. برای انجام این کار، محیط گازی فعال در یک تشدید کننده نوری قرار می گیرد. از تشدیدگر علاوه بر ایجاد بازخورد، برای انتخاب انواع نوسانات و انتخاب طول موج تولید استفاده می شود که برای آن از آینه های انتخابی مخصوص استفاده می شود.

در سطوح پمپ نزدیک به آستانه، لیزر بر روی یک نوع نوسان نسبتا آسان است. با افزایش سطح تحریک، اگر اقدامات خاصی انجام نشود، تعدادی حالت دیگر ایجاد می شود. در این حالت، تولید در فرکانس‌های نزدیک به فرکانس‌های تشدید کننده تشدیدکننده، که در عرض خط اتمی قرار دارند، رخ می‌دهد. در مورد انواع ارتعاشات محوری (حالت TEM 00)، فاصله فرکانس بین حداکثر مجاور
، جایی که Lطول تشدیدگر است. در نتیجه حضور همزمان چندین حالت، ضربات و ناهمگنی در طیف انتشار به وجود می آید. اگر فقط حالت های محوری وجود داشت، آنگاه طیف خطوط جداگانه ای بود که فاصله بین آنها برابر بود با ج / 2L. اما همچنین می توان انواع غیر محوری نوسانات را در تشدید کننده تحریک کرد، به عنوان مثال، حالت های TEM 10، که وجود آن به شدت به تنظیم آینه ها بستگی دارد. بنابراین، خطوط ماهواره ای اضافی در طیف انتشار ظاهر می شوند که به طور متقارن در فرکانس در هر دو طرف انواع محوری نوسانات قرار دارند. ظهور انواع جدیدی از نوسانات با افزایش سطح پمپ به راحتی با مشاهده بصری ساختار میدان تابش مشخص می شود. همچنین می توان به صورت بصری تأثیر هم ترازی تشدید کننده را بر ساختار حالت های تابش منسجم مشاهده کرد.

گازها نسبت به محیط های متراکم همگن ترند. بنابراین پرتو نور در گاز کمتر اعوجاج و پراکنده می شود و تابش لیزر هلیوم-نئون با ثبات فرکانس خوب و جهت دهی بالا مشخص می شود که به دلیل پدیده های پراش به حد خود می رسد. حد پراش واگرایی برای تشدید کننده هم کانونی

,

که در آن λ طول موج است. د 0 قطر پرتو نور در باریک ترین قسمت آن است.

تابش لیزر هلیوم-نئون با درجه بالایی از تک رنگی و پیوستگی مشخص می شود. عرض خطوط انتشار چنین لیزری بسیار باریکتر از عرض "طبیعی" خط طیفی است و چندین مرتبه کوچکتر از درجه محدود تفکیک طیف سنج های مدرن است. بنابراین، برای تعیین آن، طیف ضربان حالت های مختلف در تابش اندازه گیری می شود. علاوه بر این، تابش این لیزر به دلیل استفاده از پنجره هایی که در زاویه بروستر نسبت به محور نوری تشدید کننده قرار دارند، پلاریزه می شود.

گواه انسجام تشعشعات می تواند مشاهده الگوی پراش در روی هم قرار گرفتن تابش دریافتی از نقاط مختلف منبع باشد. به عنوان مثال، انسجام را می توان با مشاهده تداخل از یک سیستم چند اسلات تخمین زد. از تجربه یانگ مشخص است که برای مشاهده تداخل نور از یک منبع "کلاسیک" معمولی، تابش ابتدا از یک شکاف و سپس از دو شکاف عبور داده می شود و سپس حاشیه های تداخلی روی صفحه ایجاد می شود. در مورد استفاده از تابش لیزر، شکاف اول غیر ضروری است. این شرایط اساسی است. علاوه بر این، فاصله بین دو شکاف و عرض آنها می تواند به طور غیرقابل مقایسه ای بیشتر از آزمایش های کلاسیک باشد. در پنجره خروجی لیزر گازی دو شکاف وجود دارد که فاصله بین آنها 2 می باشد آ. در موردی که تابش تابشی منسجم است، روی صفحه ای که در فاصله ای قرار دارد داز شکاف ها، یک الگوی تداخل مشاهده خواهد شد. در این حالت فاصله بین حداکثر (حداقل) باندها

.

رایج ترین لیزر گازی هلیوم-نئون است. او-نه) لیزر (لیزر اتم خنثی) که بر روی مخلوط هلیوم و نئون به نسبت 10:1 عمل می کند. این لیزر نیز اولین لیزر پیوسته است.

طرح انرژی سطوح هلیوم و نئون را در نظر بگیرید (شکل 3.4). تولید بین سطوح نئون انجام می شود و هلیوم برای انجام فرآیند پمپاژ اضافه می شود. همانطور که از شکل مشخص است، سطوح 2 3 S 1و 2 1 S 0هلیوم به ترتیب نزدیک به سطوح قرار دارند 2 ثانیهو 3sنه او زیرا سطح هلیوم 2 3 S 1و 2 1 S 0ناپایدار هستند، سپس هنگامی که اتم های هلیوم برانگیخته ناپایدار با اتم های نئون برخورد می کنند، یک انتقال انرژی تشدید به اتم های نئون وجود خواهد داشت (برخورد نوع دوم).

بنابراین سطوح 2 ثانیهو 3sنئون را می توان پر کرد و بنابراین، تولید می تواند از این سطوح انجام شود. طول عمر س-ایالت ها ( تی اس» 100 ns) طول عمر بسیار بیشتر آر-ایالت ها ( t p»10 ns)، بنابراین شرایط زیر برای عملکرد لیزر بر اساس طرح چهار سطحی برآورده می شود:

1 1 S z (3s, 2s) z(3p,2p) z 1s .

تولید لیزر در یکی از انتقال ها امکان پذیر است آ, ب, جبا توجه به طول موج l a= 3.39 میکرومتر، پوند=0.633 میکرومتر، l s 1.15 میکرومتر = که با انتخاب ضریب انعکاس آینه های تشدید کننده و یا با وارد کردن عناصر پراکنده به تشدید کننده به دست می آید.

برنج. 3.4. طرح سطوح انرژی هلیوم و نئون.

اجازه دهید ویژگی نسل چنین لیزری را در نظر بگیریم.

شکل 3.5. ویژگی نسل لیزر هلیوم نئون.

افزایش اولیه در توان خروجی با افزایش جریان پمپ با وارونگی جمعیت توضیح داده می شود. پس از رسیدن به حداکثر توان، منحنی با افزایش بیشتر در جریان پمپ شروع به کاهش می کند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که سطوح 2p و 1s زمانی برای استراحت ندارند. الکترون ها زمان رفتن به سطح انرژی پایین را ندارند و تعداد الکترون ها در سطوح 2p و 1s همسایه یکسان می شود. در این حالت وارونگی وجود ندارد.

راندمان لیزرهای هلیوم-نئون در حد 0.1 درصد است که با چگالی حجمی کم ذرات برانگیخته توضیح داده می شود. توان خروجی معمولی او-نه– لیزر پ~5-50 میلی وات، واگرایی q~ 1 میلی گرم

لیزر آرگون

اینها قوی ترین لیزرهای موج پیوسته در ناحیه طیفی مرئی و نزدیک به فرابنفش مربوط به لیزرهای گاز یونی هستند. سطح بالایی لیزر در گاز کار به دلیل دو برخورد متوالی الکترون ها در حین تخلیه الکتریکی پر شده است. در برخورد اول، یون ها از اتم های خنثی تشکیل می شوند و در برخورد دوم، این یون ها برانگیخته می شوند. بنابراین پمپاژ یک فرآیند دو مرحله ای است که راندمان هر کدام متناسب با چگالی جریان است. برای پمپاژ کارآمد، چگالی جریان به اندازه کافی بالا مورد نیاز است.

نمودار سطح انرژی لیزر روشن است Ar+در شکل نشان داده شده است. 3.3. انتشار لیزر در خطوط بین 454.5 نانومتر تا 528.7 نانومتر زمانی رخ می دهد که گروهی از سطوح پر شده باشند. 4pتوسط برانگیختگی توسط برخورد الکترون زمین یا حالت های ناپایدار Ar + .

لیزر CO 2 3.5

مولکولی CO 2-لیزرها قوی ترین لیزرهای cw در بین لیزرهای گازی هستند که به دلیل بالاترین راندمان تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی تشعشعی (15-20%) می باشد. تولید لیزر در انتقال‌های ارتعاشی-چرخشی رخ می‌دهد و خطوط انتشار این لیزرها در ناحیه مادون قرمز دور است که در طول موج‌های 9.4 میکرومتر و 10.4 میکرومتر قرار دارند.

AT CO 2لیزر از مخلوطی از گازها استفاده می کند CO 2, N 2و او. پمپاژ مستقیماً در هنگام برخورد مولکول ها انجام می شود CO 2با الکترون ها و مولکول های برانگیخته ارتعاشی N 2. هدایت حرارتی بالای He در مخلوط باعث خنک شدن می شود CO 2، که منجر به تخلیه سطح لیزر پایین تر در نتیجه تحریک حرارتی می شود. پس حضور N 2در مخلوط به جمعیت بالای سطح لیزر فوقانی و حضور کمک می کند او- کاهش سطح پایین و در نتیجه با هم منجر به افزایش وارونگی جمعیت می شود. نمودار سطح انرژی CO 2لیزر در شکل نشان داده شده است. 3.4. تولید لیزر در طول انتقال بین حالت های ارتعاشی مولکول انجام می شود CO 2 n 3 1 ژوئنیا n 3 2 ژوئنبا تغییر حالت چرخشی

برنج. 3.4. نمودار سطح انرژی N 2و CO 2که در CO 2– لیزر

CO 2لیزر می تواند در دو حالت پیوسته و پالسی کار کند. در حالت پیوسته، توان خروجی آن می تواند به چند کیلووات برسد.