գազի լազերներ. Հելիումի նեոնային լազեր

Հելիում-նեոնային լազերը, դիոդի կամ կիսահաղորդչի հետ միասին, սպեկտրի տեսանելի շրջանի համար առավել հաճախ օգտագործվող և մատչելի լազերներից է: Այս տեսակի լազերային համակարգերի հզորությունը, որը նախատեսված է հիմնականում առևտրային նպատակներով, տատանվում է 1 մՎտ-ից մինչև մի քանի տասնյակ մՎտ: Հատկապես տարածված են 1 մՎտ կարգի պակաս հզոր He-Ne լազերները, որոնք օգտագործվում են հիմնականում որպես մեջբերում սարքեր, ինչպես նաև չափման տեխնոլոգիայի ոլորտում այլ խնդիրներ լուծելու համար։ Ինֆրակարմիր և կարմիր տիրույթներում հելիում-նեոնային լազերը գնալով փոխարինվում է դիոդային լազերով: He-Ne լազերները, բացի կարմիր գծերից, ունակ են արձակել նարնջագույն, դեղին և կանաչ գծեր, ինչը ձեռք է բերվում համապատասխան ընտրովի հայելիների շնորհիվ։

Էներգիայի մակարդակի դիագրամ

Հելիումի և նեոնի էներգիայի մակարդակները, որոնք ամենակարևորն են He-Ne լազերների աշխատանքի համար, ներկայացված են Նկ. 1. Լազերային անցումները տեղի են ունենում նեոնի ատոմում, ընդ որում ամենաինտենսիվ գծերը առաջանում են 633, 1153 և 3391 ալիքների երկարություններով անցումներից (տես Աղյուսակ 1):

Նեոնի էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիան հիմնական վիճակում ունի հետևյալ տեսքը. 1s22s22p6, որտեղ առաջին թաղանթը (n = 1) և երկրորդը (n = 2) լցված են համապատասխանաբար երկու և ութ էլեկտրոններով: Ավելի բարձր վիճակներ՝ ըստ նկ. 1-ն առաջանում է այն բանի արդյունքում, որ այստեղ կա 1s22s22p5 թաղանթ, և լուսավոր (օպտիկական) էլեկտրոնը գրգռվում է ըստ սխեմայի՝ 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p, ... և այլն։ Խոսքը, հետևաբար, մեկ էլեկտրոնային վիճակի մասին է, որն իրականացնում է կեղևի հետ կապը։ LS (Russell-Saunders) սխեմայում համար էներգիայի մակարդակներընեոնը նշվում է մեկ էլեկտրոնային վիճակով (օրինակ՝ 5s), ինչպես նաև ստացված ընդհանուր ուղեծրային իմպուլս L (= S, P, D...): S, P, D,... նշումներում ստորին ցուցիչը ցույց է տալիս ընդհանուր ուղեծրային պահը J, իսկ վերինը՝ 2S + 1 բազմապատկությունը, օրինակ՝ 5s1P1։ Հաճախ օգտագործվում է զուտ ֆենոմենոլոգիական նշանակում՝ ըստ Paschen-ի (նկ. 1): Այս դեպքում գրգռված էլեկտրոնային վիճակների ենթամակարդակները հաշվվում են 2-ից 5-ը (s- վիճակների համար) և 1-ից 10-ը (p- վիճակների համար):

Բրինձ. 1. He-Ne լազերի էներգիայի մակարդակների սխեման. Նեոնային մակարդակները նշվում են ըստ Փաշենի, այսինքն՝ 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 և այլն։

Աղյուսակ 1. Նշումներ He-Ne լազերի ինտենսիվ գծերի անցումների համար

Գրգռվածություն

Հելիում-նեոնային լազերի ակտիվ միջավայրն է գազի խառնուրդ, որին անհրաժեշտ էներգիան մատակարարվում է էլեկտրական լիցքաթափմամբ։ Լազերային վերին մակարդակները (2s և 2p ըստ Paschen-ի) ընտրովի են բնակեցված հելիումի մետակայուն ատոմների հետ բախումների հիման վրա (23S1, 21S0): Այս բախումների ժամանակ տեղի է ունենում ոչ միայն կինետիկ էներգիայի փոխանակում, այլև հելիումի գրգռված ատոմներից էներգիայի փոխանցում նեոնի ատոմներին։ Այս գործընթացը կոչվում է երկրորդ տեսակի բախում.

He* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)

որտեղ աստղանիշը (*) խորհրդանշում է հուզված վիճակը: Էներգիայի տարբերությունը 2s մակարդակի գրգռման դեպքում կազմում է՝ &DeltaE=0,05 eV։ Բախման ժամանակ գոյություն ունեցող տարբերությունը վերածվում է կինետիկ էներգիայի, որն այնուհետեւ բաշխվում է ջերմության տեսքով։ 3-րդ մակարդակի համար տեղի են ունենում նույնական հարաբերություններ: Այսպիսի ռեզոնանսային էներգիայի փոխանցումը հելիումից նեոն հիմնական պոմպային գործընթացն է բնակչության ինվերսիայի ստեղծման գործում: Այս դեպքում, մետակայուն վիճակի երկար կյանքը Նա բարենպաստ ազդեցություն ունի վերին լազերային մակարդակի բնակչության ընտրողականության վրա:

He-ատոմների գրգռումը տեղի է ունենում էլեկտրոնների բախման հիման վրա՝ ուղղակիորեն կամ ավելի բարձր մակարդակներից լրացուցիչ կասկադային անցումների միջոցով։ Երկարատև մետակայուն վիճակների պատճառով հելիումի ատոմների խտությունը այս վիճակներում շատ բարձր է: 2-րդ և 3-րդ լազերային վերին մակարդակները կարող են անցնել միայն ստորին p-մակարդակներին, էլեկտրական դոպլեր անցումների ընտրության կանոններին համապատասխան: Լազերային ճառագայթման հաջող առաջացման համար չափազանց կարևոր է, որ s վիճակների (վերին լազերային մակարդակ) = մոտավորապես 100 նս-ը գերազանցի p- վիճակների (ստորին լազերային մակարդակ) = 10 նս-ի կյանքի տևողությունը:

Ալիքի երկարություններ

Հաջորդը, մենք ավելի մանրամասն կքննարկենք ամենակարևոր լազերային անցումները՝ օգտագործելով Նկ. 1 և տվյալները Աղյուսակ 1-ից: Սպեկտրի կարմիր շրջանում ամենահայտնի գիծը (0,63 մկմ) հայտնվում է 3s2 → 2p4 անցման շնորհիվ: Ստորին մակարդակը 10 վրկ-ի ընթացքում ինքնաբուխ արտանետման արդյունքում բաժանվում է 1s մակարդակի (նկ. 1): Վերջինս դիմացկուն է էլեկտրական դիպոլային ճառագայթման հետևանքով ճեղքվելու համար, որպեսզի երկար բնական կյանք ունենա։ Հետեւաբար, ատոմները կենտրոնացված են այս վիճակում, որը պարզվում է, որ շատ բնակեցված է։ Գազի արտանետման ժամանակ այս վիճակում գտնվող ատոմները բախվում են էլեկտրոնների հետ, իսկ հետո 2p և 3s մակարդակները կրկին գրգռվում են: Այս դեպքում բնակչության ինվերսիան նվազում է, ինչը սահմանափակում է լազերային հզորությունը։ ls- վիճակի սպառումը տեղի է ունենում հելիում-նեոնային լազերներում հիմնականում գազի արտանետման խողովակի պատի հետ բախումների պատճառով, և, հետևաբար, խողովակի տրամագծի մեծացմամբ նկատվում է շահույթի նվազում և արդյունավետության նվազում: Հետևաբար, գործնականում տրամագիծը սահմանափակվում է մոտ 1 մմ-ով, ինչը, իր հերթին, սահմանափակում է He-Ne լազերների ելքային հզորությունը մինչև մի քանի տասնյակ մՎտ:

Լազերային անցմանը մասնակցող 2s, 3s, 2p և 3p էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիաները բաժանված են բազմաթիվ ենթամակարդակների: Սա հանգեցնում է, օրինակ, սպեկտրի տեսանելի հատվածում հետագա անցումների, ինչպես երևում է Աղյուսակ 2-ից: He-Ne լազերի բոլոր տեսանելի գծերի համար քվանտային արդյունավետությունը 10%-ի կարգի է, ինչը չի համապատասխանում: շատ բարձր. Մակարդակների դիագրամը (նկ. 1) ցույց է տալիս, որ վերին լազերային մակարդակները գտնվում են հիմնական վիճակից մոտավորապես 20 էՎ-ով: Կարմիր լազերային ճառագայթման էներգիան ընդամենը 2 էՎ է։

Աղյուսակ 2. He-Ne լազերի ալիքի երկարություններ λ, ելքային հզորություններ և գծերի լայնություններ Δ ƒ (Paschen անցումային նշում)

Գույն	λ նմ	Անցում (ըստ Փաշենի)	Ուժ մՎտ	Δ ƒ ՄՀց	Շահույթ %/մ
Ինֆրակարմիր	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Ինֆրակարմիր	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Ինֆրակարմիր	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Կարմիր	640	3s2 → 2p2
Կարմիր	635	3s2 → 2p3
Կարմիր	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Կարմիր	629	3s2 → 2p5
Նարնջագույն	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Նարնջագույն	604	3s2 → 2p7
Դեղին	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Դեղին	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

Շուրջ 1,157 մկմ ինֆրակարմիր տիրույթում ճառագայթումը առաջանում է 2s → 2p անցումների միջոցով: Նույնը վերաբերում է մի փոքր ավելի թույլ գծին՝ մոտ 1,512 մկմ: Այս երկու ինֆրակարմիր գծերն էլ օգտագործում են առևտրային լազերներում:

3.391 մկմ IR միջակայքում գծի բնորոշ առանձնահատկությունը բարձր շահույթն է: Թույլ ազդանշանների գոտում, այսինքն, թույլ լուսային ազդանշանների մեկ անցումով, այն կազմում է մոտ 20 դԲ / մ: Սա համապատասխանում է 100 գործակցի 1 մետր երկարությամբ լազերի համար: Լազերային վերին մակարդակը նույնն է, ինչ հայտնի կարմիր անցման դեպքում (0,63 մկմ): Բարձր շահույթը, մի կողմից, պայմանավորված է ցածր 3p մակարդակի չափազանց կարճ կյանքով: Մյուս կողմից, դա պայմանավորված է համեմատաբար երկար ալիքի երկարությամբ և, համապատասխանաբար, ճառագայթման ցածր հաճախականությամբ։ Սովորաբար գրգռված և ինքնաբուխ արտանետումների հարաբերակցությունը բարձրանում է ցածր հաճախականությունների դեպքում: Թույլ ազդանշանների g-ի ուժեղացումը, որպես կանոն, համաչափ է g ~ƒ2-ին։

Առանց ընտրովի տարրերի, He-Ne լազերը արձակում է 3,39 մկմ գծի վրա, և ոչ կարմիր հատվածում՝ 0,63 մկմ: Ինֆրակարմիր գծի գրգռումը կանխվում է կամ ընտրովի խոռոչի հայելու միջոցով կամ գազի արտանետման խողովակի Brewster պատուհաններում կլանման միջոցով: Դրա շնորհիվ լազերային գեներացման շեմը կարող է բարձրացվել 3,39 մկմ ճառագայթման համար բավարար մակարդակի, որպեսզի այստեղ հայտնվի միայն ավելի թույլ կարմիր գիծ։

Դիզայն

Գրգռման համար անհրաժեշտ էլեկտրոնները ձևավորվում են գազի արտանետման մեջ (նկ. 2), որը կարող է օգտագործվել մոտ 12 կՎ լարման դեպքում 5-ից մինչև 10 մԱ հոսանքների դեպքում։ Արտահոսքի բնորոշ երկարությունը 10 սմ կամ ավելի է, արտանետման մազանոթների տրամագիծը մոտ 1 մմ է և համապատասխանում է արտանետվող լազերային ճառագայթի տրամագծին: Գազի արտանետման խողովակի տրամագծի ավելացմամբ, գործակիցը օգտակար գործողություննվազում է, քանի որ խողովակի պատին բախումներ են պահանջվում ls մակարդակը դատարկելու համար: Օպտիմալ ելքային հզորության համար օգտագործվում է լցման ընդհանուր ճնշումը (p)՝ p·D = 500 Pa·mm, որտեղ D-ը խողովակի տրամագիծն է: Հարաբերակցությունը He/Ne խառնուրդում կախված է ցանկալի լազերային գծից: Հայտնի կարմիր գծի համար մենք ունենք Նա՝ Ne = 5:l, իսկ մոտ 1,15 մկմ ինֆրակարմիր գծի համար՝ He:Ne=10:l: Կարևոր ասպեկտ է նաև ընթացիկ խտության օպտիմալացումը։ 633 նմ գծի արդյունավետությունը կազմում է մոտ 0,1%, քանի որ գրգռման գործընթացը այս դեպքում այնքան էլ արդյունավետ չէ: Հելիում-նեոնային լազերի ծառայության ժամկետը կազմում է մոտ 20000 աշխատանքային ժամ:

Բրինձ. 2. ՄՎտ տիրույթում բևեռացված ճառագայթման He-Ne լազերի ձևավորում

Այս պայմաններում ավելացումը g=0,1 մ-1 է, ուստի անհրաժեշտ է օգտագործել բարձր արտացոլող հայելիներ: Լազերային ճառագայթից դուրս գալու համար այնտեղ տեղադրվում է մասնակի հաղորդիչ (կիսաթափանցիկ) հայելի (օրինակ՝ R = 98%) միայն մի կողմից, իսկ մյուս կողմից՝ առավելագույն հնարավոր անդրադարձողությամբ հայելի (~ 100%): Այլ տեսանելի անցումների շահույթը շատ ավելի քիչ է (տես Աղյուսակ 2): Առևտրային նպատակներով այս տողերը ձեռք են բերվել միայն ք վերջին տարիներըօգտագործելով չափազանց ցածր կորուստներով հայելիներ:

Նախկինում հելիում-նեոնային լազերում արտանետվող խողովակի ելքային պատուհանները ամրացվում էին էպոքսիդային խեժով, իսկ հայելիները տեղադրվում էին դրսում: Դրա պատճառով հելիումը ցրվեց սոսինձի միջով, և ջրի գոլորշիները մտան լազեր: Այսօր այս պատուհանները ամրացվում են մետաղի ուղղակի եռակցման միջոցով ապակու հետ, ինչը նվազեցնում է հելիումի արտահոսքը տարեկան մոտ 1 Պա: Փոքր, զանգվածային արտադրության լազերների դեպքում հայելային ծածկույթը կիրառվում է անմիջապես ելքային պատուհանների վրա, ինչը մեծապես հեշտացնում է ամբողջ դիզայնը:

Ճառագայթի հատկությունները

Բևեռացման ուղղությունը ընտրելու համար գազի արտանետման լամպը հագեցած է երկու թեք դասավորված պատուհաններով կամ, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 2, Բրյուսթերի ափսեը տեղադրվում է ռեզոնատորի մեջ: Օպտիկական մակերևույթի վրա անդրադարձողությունը անհետանում է, եթե լույսը դիպչում է այսպես կոչված Բրյուսթերի անկյան տակ և բևեռացվում է անկման հարթությանը զուգահեռ: Այսպիսով, բևեռացման այս ուղղությամբ ճառագայթումն առանց կորստի անցնում է Բրյուսթերի պատուհանով։ Միևնույն ժամանակ, անկման հարթությանը ուղղահայաց բևեռացված բաղադրիչի ռեֆլեկտիվությունը բավականին բարձր է և ճնշված է լազերում:

Բևեռացման հարաբերակցությունը (աստիճանը) (հզորության հարաբերակցությունը բևեռացման ուղղությամբ այս ուղղությամբ ուղղահայաց հզորությանը) 1000:1 է սովորական առևտրային համակարգերի համար։ Երբ լազերը գործում է առանց ներքին հայելիներով Brewster թիթեղների, առաջանում է չբևեռացված ճառագայթում:

Լազերը սովորաբար առաջացնում է լայնակի TEM00 ռեժիմում (ամենացածր կարգի ռեժիմ), և միանգամից ձևավորվում են մի քանի երկայնական (առանցքային) ռեժիմներ: Երբ հայելիների միջև հեռավորությունը (լազերային ռեզոնատորի երկարությունը) L = 30 սմ է, միջմոդի հաճախականության միջակայքը Δ ƒ` = c/2L = 500 ՄՀց է: Կենտրոնական հաճախականությունը գտնվում է 4,7 1014 Հց մակարդակում։ Քանի որ լույսի ուժեղացումը կարող է տեղի ունենալ Δ ƒ = 1500 ՄՀց միջակայքում (Դոպլերի լայնություն), երեք տարբեր հաճախականություններ են արտանետվում L = 30CM՝ Δ ƒ/Δ ƒ`= 3: Հայելիների միջև ավելի փոքր հեռավորություն օգտագործելիս (<= 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.

Մոտ 10 մՎտ հզորությամբ հելիում-նեոնային լազերները հաճախ օգտագործում են ինտերֆերոմետրիայի կամ հոլոգրաֆիայի մեջ: Նման զանգվածային արտադրության լազերների համակցվածության երկարությունը 20-ից 30 սմ է, ինչը միանգամայն բավարար է փոքր առարկաների հոլոգրաֆիայի համար: Ավելի մեծ համահունչ երկարություններ ձեռք են բերվում սերիական հաճախականությամբ ընտրող տարրերի օգտագործմամբ:

Երբ հայելիների միջև օպտիկական հեռավորությունը փոխվում է ջերմային կամ այլ ազդեցությունների հետևանքով, լազերային ռեզոնատորի առանցքային բնական հաճախականությունները տեղաշարժվում են: Մեկ հաճախականությամբ գեներացիայի դեպքում այստեղ ճառագայթման կայուն հաճախականություն չի ստացվում. այն անվերահսկելիորեն շարժվում է գծի լայնության 1500 ՄՀց միջակայքում: Լրացուցիչ էլեկտրոնային հսկողության միջոցով հաճախականության կայունացումը կարող է իրականացվել հենց գծի կենտրոնում (առևտրային համակարգերը կարող են ունենալ մի քանի ՄՀց հաճախականության կայունություն): Հետազոտական ​​լաբորատորիաներում երբեմն հնարավոր է կայունացնել հելիում-նեոնային լազերը 1 Հց-ից պակաս տիրույթում:

Օգտագործելով համապատասխան հայելիներ՝ Աղյուսակ 4.2-ի տարբեր գծերը կարող են գրգռվել՝ առաջացնելով լազերային լույս: Առավել հաճախ օգտագործվող տեսանելի գիծը մոտ 633 նմ է՝ մի քանի միլվատտ բնորոշ հզորությամբ: Մոտ 633 նմ ինտենսիվ լազերային գծի ճնշումից հետո տեսանելի տիրույթի այլ գծեր կարող են հայտնվել ռեզոնատորում՝ ընտրովի հայելիների կամ պրիզմաների օգտագործման շնորհիվ (տես Աղյուսակ 2): Այնուամենայնիվ, այս գծերի ելքային հզորությունները կազմում են ծանր գծի ելքային հզորության միայն 10%-ը կամ նույնիսկ ավելի քիչ:

Առևտրային հելիումի նեոնային լազերները հասանելի են տարբեր ալիքների երկարությամբ: Դրանցից բացի կան նաև լազերներ, որոնք առաջանում են բազմաթիվ գծերի վրա և ունակ են արձակել բազմաթիվ ալիքների երկարության ալիքներ տարբեր համակցություններով։ Կարգավորվող He-Ne լազերների դեպքում առաջարկվում է ընտրել անհրաժեշտ ալիքի երկարությունը՝ պտտելով պրիզմաը։

Հելիումի նեոնային լազեր

Բացի Շավլովից, Bell Labs-ի երկու այլ հետազոտողներ 1958 թվականին աշխատում էին լազերային խնդրի վրա՝ Ալի Ջավան և Ջոն Սանդերսը: Ջավան ծագումով իրանցի էր։ Նա իր PhD է ստացել 1954 թվականին Թաունսի բաժնում ռադիոսպեկտրոսկոպիայի թեմայով: Նա չորս տարի մնաց Թաունսի խմբում՝ աշխատելով ռադիո սպեկտրոսկոպիայի և մասերների վրա։ Իր ատենախոսությունը պաշտպանելուց հետո, երբ Տաուն շաբաթօրյակ չէր լինում Փարիզում և Տոկիոյում, Ջավան ավելի շատ ներգրավվեց մասերների մեջ և առաջ քաշեց երեք մակարդակի մասերի գաղափարը, նախքան Bell Labs խումբը հրապարակեց փորձարարական աշխատանքը թեմայի շուրջ: Նա գտավ մի մեթոդ՝ անշրջելի պոպուլյացիայի ավելացում ստանալու համար՝ օգտագործելով հատկապես Ռամանի էֆեկտը երեք մակարդակի համակարգում, բայց նա իր արդյունքները հրապարակեց ավելի ուշ, քան Bell խումբը։

1958 թվականի ապրիլին, երբ նա աշխատանք էր փնտրում Bell Labs-ում, նա խոսեց Շավլովի հետ, որը նրան պատմեց լազերների մասին։ 1958 թվականի օգոստոսին նա ընդունվեց Bell Labs, իսկ հոկտեմբերին սկսեց համակարգված հետազոտություններ լազերների վերաբերյալ։ Սկզբում նա այնտեղ էթիկական դժվարություններ ուներ։ RCA-ն նախկինում ուսումնասիրել է եռաստիճան մասերի իր գրառումները և որոշել, որ նրա ամսաթվերը նախորդում են Bell խմբի թվերին: RCA-ն նրան վճարեց 1000 դոլար արտոնագրի իրավունքների համար, և վեճ սկսեց Բելի հետ, որտեղ Ջավան արդեն աշխատում էր։ Մոտ վեց ամիս Ջավանը գործ է ունեցել RCA-ի և Bell Labs-ի իրավաբանների հետ: Բարեբախտաբար, RCA-ն շուկայի որոշ հետազոտություններ կատարեց և, համոզվելով, որ այս maser ուժեղացուցիչը շահութաբեր չէ, հրաժարվեց բիզնեսից՝ արտոնագիրը թողնելով Bell Labs-ին:

Այսպիսով, Ջավան կարող էր ամբողջությամբ նվիրվել լազերին։ Նա մտածեց այն կառուցել գազերի միջոցով և 1959 թվականին հրապարակեց իր առաջարկած դիզայնը Physical Review Letters-ում: Նա որոշեց գազ օգտագործել որպես ակտիվ միջավայր, քանի որ կարծում էր, որ այս պարզ նյութը կհեշտացնի հետազոտությունը: Այնուամենայնիվ, նա կարծում էր, որ անհնար է օգտագործել հզոր լամպեր՝ ատոմները ուղղակիորեն դեպի գրգռված վիճակ մղելու համար, և դիտարկեց գրգռումը կա՛մ մաքուր նեոնային միջավայրում էլեկտրոնների հետ ուղիղ բախումներով, կա՛մ երկրորդ տեսակի բախումներով: Վերջին դեպքում լիցքաթափման խողովակը լցվում է երկու գազով, որոնք ընտրված են այնպես, որ առաջին գազի ատոմները, հուզված էլեկտրական լիցքաթափման ժամանակ էլեկտրոնների հետ բախումներից, կարող են իրենց էներգիան փոխանցել երկրորդ գազի ատոմներին՝ գրգռելով դրանք։ . Գազերի որոշ խառնուրդներ ունեին էներգիայի մակարդակի կառուցվածք, որը բավարարում էր այս պայմաններին: Փաստորեն, անհրաժեշտ է, որ երկրորդ գազի էներգիայի մակարդակն ունենա էներգիա, որը գործնականում հավասար է առաջին գազի գրգռման էներգիային: Գազերի հնարավոր համակցություններից Ջավանն ընտրել է հելիումի և նեոնի համակցությունը, որի մակարդակները ներկայացված են Նկ. 54. Նա կարծում էր, որ ցանկացած ֆիզիկական գործընթաց հակված է հաստատել էներգիայի Բոլցմանի բաշխումը մակարդակների վրա (այսինքն՝ ստորին մակարդակի բնակչությունն ավելի մեծ է, քան վերինի բնակչությունը): Հետևաբար, հակադարձ պոպուլյացիա ունեցող միջավայրը կարելի է ձեռք բերել անշարժ գործընթացում միայն տարբեր արագությամբ ընթացող տարբեր ֆիզիկական գործընթացների մրցակցության արդյունքում:

Սա կարելի է ավելի լավ հասկանալ՝ նայելով ճյուղերով ծառին (նկար 55-ում երկուսը), որի վրա նստած են կապիկները: Դիտարկենք սկզբում բնակչությունը ըստ Բոլցմանի վիճակագրության, այսինքն, ասենք, չորս կապիկներ նստած են վերին ճյուղի վրա (1), հինգը ներքևում (2), և վեցը գետնին (3, հիմնական մակարդակ): Այս երեք մակարդակներից հիմնականն ամենաբնակեցվածն է, իսկ որքան բարձր է, այնքան քիչ է բնակեցված։ Այնուամենայնիվ, կապիկները տեղում չեն նստում, այլ ցատկում են ճյուղերի վրա (օրինակ, կարելի է ենթադրել, որ դա տեղի է ունենում ամեն րոպե): Այս դեպքում մակարդակներում պոպուլյացիաները մնում են նույնը ժամանակի ընթացքում (հավասարակշռության իրավիճակ): Ենթադրենք, հիմա մենք շարունակում ենք ճյուղերը բնակեցնել նույն արագությամբ (րոպեում մեկ կապիկ), բայց միևնույն ժամանակ թրջում ենք 2-րդ ճյուղը և դարձնում այն ​​սայթաքուն: Այժմ կապիկները չեն կարող դրա վրա մնալ, ասենք, 10 վայրկյանից ավելի։ Հետևաբար, այս ճյուղը արագորեն տարածվում է, և շուտով 1-ին ճյուղում ավելի շատ կապիկներ կան, քան 2-րդ ճյուղերում: Այսպիսով, հակադարձ պոպուլյացիա է ստացվում այն ​​պատճառով, որ կապիկի բնակության ժամանակը տարբեր ճյուղերում տարբեր է: Չնայած սրանք շատ պարզունակ նկատառումներ են, բայց օգնում են հասկանալ Ջավանի նկատառումները։

Հելիում-նեոնային խառնուրդի ընտրությունն անցել է մանրակրկիտ ընտրության միջով, որպեսզի ստանանք օպտիմալ միջավայր խոստացող համակարգ, և միայն հետագա հաջողությունները հետին լիարժեք վստահություն բերեցին Ջավանին: Նույնիսկ այն բանից հետո, երբ նա համոզվեց, որ հելիում-նեոնը լավագույն խառնուրդն է, շատ թերահավատներ կային, ովքեր նրան ասացին, որ գազի արտանետումը չափազանց քաոսային է: Անորոշությունները չափազանց շատ էին, ասում էին, և նրա փորձերը նման էին վայրի սագ որսալու։

Բրինձ. 54. Հելիումի (He) և (Ne) էներգիայի մակարդակները: Ցուցադրված են հիմնական լազերային անցումները

Նկ.55. Խոտածածկի վրա գտնվող կապիկները բաշխված են ըստ Բոլցմանի վիճակագրության: Գետնի վրա դրանք ավելի շատ են, իսկ ճյուղերի բարձրության հետ նրանց թիվը նվազում է։

Ջավանը մեծ գումարներ ծախսեց, բայց, բարեբախտաբար, համակարգը աշխատեց, հակառակ դեպքում ադմինիստրացիան պատրաստ էր փակել նախագիծը և դադարեցնել փորձարկումները։ Ծրագրի ավարտին այս ուսումնասիրության վրա ծախսվել էր երկու միլիոն դոլար։ Չնայած այս գումարը, ըստ երեւույթին, չափազանցված է, նախագիծն անկասկած զգալի ծախսեր էր պահանջում:

Միևնույն ժամանակ, Օքսֆորդի համալսարանի փորձարար ֆիզիկոս Ջոն Սանդերսը հրավիրվեց Bell Labs՝ փորձելու ինֆրակարմիր լազեր կիրառել: Այս ուսումնասիրության համար հատկացված մեկ տարուց պակաս ժամանակահատվածում Սանդերսը ժամանակ չկորցրեց տեսական ուսումնասիրության վրա, այլ անմիջապես որոշեց գրգռել մաքուր հելիումը արտանետվող խողովակի մեջ, որի ներսում գտնվում էր Fabry-Pero ռեզոնատորը: Նա փորձել է լազերային էֆեկտ ստանալ փորձության և սխալի միջոցով՝ փոփոխելով արտանետման պարամետրերը։ Առավելագույն հեռավորությունը, որով հայելիները կարող էին տեղադրվել՝ միաժամանակ մնալով միմյանց զուգահեռ, 15 սմ էր: Սանդերսը չօգտագործեց արտանետման ավելի երկար խողովակներ: Ջավան սա համարեց հիմնարար սահմանափակում։ Նա ենթադրել է, որ գազի ավելացումը շատ փոքր է, և Սանդերսի ռեզոնատորը չի աշխատի։ Ջավանի օգտագործած խողովակը շատ ավելի երկար էր, և քանի որ չափազանց դժվար էր կարգավորել Fabry-Pero հայելիները նման հեռավորության վրա, նա որոշեց նախ որոշել աշխատանքային սարքի համար պահանջվող պարամետրերը, այնուհետև փորձել կարգավորել հայելիները և փորձել կարգավորել հայելիները: սխալ. Նա այդպես էր աշխատում։ Առանց բոլոր նախնական աշխատանքի He-Ne ռեժիմն ընտրելու համար հայտնի շահույթ ստանալու համար անհնար էր հաջողության հասնել:

Սանդերսը նամակ ուղարկեց Physical Review Letters-ին, որում ասվում էր, որ բռնկման լամպով բավականաչափ գրգռված ատոմներ ստանալը դժվար է և առաջարկել է օգտագործել էլեկտրոնի ազդեցությամբ առաջացած գրգռումը: Նման գրգռումը հեշտությամբ կարող է իրականացվել գազի կամ գոլորշու էլեկտրական լիցքաթափման միջոցով: Պոպուլյացիայի ինվերսիա կարելի է ձեռք բերել, եթե ակտիվ նյութը պարունակում է գրգռված վիճակներ երկար կյանքով, ինչպես նաև ավելի ցածր էներգիայով և կարճ կյանքով վիճակներ (ինչպես մենք դիտարկեցինք կապիկների օրինակում):

Այս հոդվածից անմիջապես հետո, Physical Review Letters-ի նույն համարում, Ա. Ջավանը հրապարակեց իր հոդվածը, որտեղ նա նույնպես դիտարկեց այս խնդիրները, և ի թիվս այլ սխեմաների նա առաջարկեց մեկ շատ օրիգինալ: Դիտարկենք գազի երկարատև վիճակ: Լիցքաթափման պայմաններում այս նահանգը կարող է պատշաճ կերպով բնակեցվել իր երկար կյանքի շնորհիվ: Եթե ​​երկրորդ գազի այժմ գրգռված վիճակն ունի այս երկարակյաց վիճակին շատ մոտ էներգիա, ապա շատ հավանական է, որ բախման ժամանակ էներգիան առաջին ատոմից կտեղափոխվի երկրորդ, որը կդառնա գրգռված: Եթե ​​այս ատոմն ունի ավելի ցածր էներգիայի այլ վիճակներ, ապա դրանք կմնան չգրգռված և, հետևաբար, կարող է լինել հակադարձ բնակչություն բարձր էներգիայի վիճակի միջև ցածր էներգիայի վիճակի նկատմամբ: Իր աշխատության մեջ Ջավան նշել է կրիպտոնի և սնդիկի խառնուրդներ, ինչպես նաև հելիումի և նեոնի խառնուրդներ։ Այս աշխատանքը տպագրվել է Physical Review Letters-ում 1959 թվականի հունիսի 3-ին։

Ջավանը սերտորեն համագործակցում էր Յեյլի համալսարանի սպեկտրոսկոպիստ Ուիլյամ Ռ. Բենեթ կրտսերի հետ, ով Ջավանի ընկերն էր Կոլումբիայում: Մի ամբողջ տարի աշխատել են մինչև ուշ գիշեր։ 1959 թվականի աշնանը Ջավանը խնդրեց Դոնալդ Ռ. Հերիոտին՝ Bell Labs-ի օպտիկական տեխնիկ, օգնել նախագծին: Հիմնարար խնդիրներից մեկն էր լիցքաթափող խողովակին ապահովել շատ բարձր օպտիկական որակի երկու թափանցիկ պատուհաններով, որպեսզի չխեղաթյուրեն ելքային ճառագայթը: Պահանջվում էր տեղադրել նաև ռեզոնատոր հայելիներ։ Մշակվել է սխեմա (նկ. 56)՝ արտանետվող խողովակի ներսում հայելիներով, որոնք հագեցած են միկրոմետրիկ պտուտակներով հատուկ սարքերով, որոնք հնարավորություն են տվել անկյուններում հայելիները լավ կարգավորել։ 1959 թվականի սեպտեմբերին Բենեթը Յեյլից տեղափոխվեց Bell Labs և Ջավանի հետ միասին սկսեց ինտենսիվ և մանրակրկիտ հետազոտությունների ծրագիր՝ հաշվարկելով և չափելով հելիում-նեոնային խառնուրդների սպեկտրոսկոպիկ հատկությունները տարբեր պայմաններում՝ որոշելու այն գործոնները, որոնք որոշում են ինվերսիայի արտադրություն. Նրանք պարզել են, որ լավագույն պայմաններում կարելի է ձեռք բերել միայն շատ փոքր շահույթ՝ 1,5%-ի սահմաններում: Այս ցածր շահույթը բացարձակապես անհրաժեշտ է դարձրել նվազագույնի հասցնել կորուստները և օգտագործել հնարավոր ամենաբարձր արտացոլողությամբ հայելիներ: Նման հայելիներ ստացվում են թափանցիկ մակերեսի (ապակի) վրա դնելով հարմար (թափանցիկ) դիէլեկտրական նյութերի բազմաթիվ շերտեր՝ տարբեր բեկման ինդեքսներով։ Բարձր արտացոլման գործակիցը ստացվում է շերտերի միջև սահմաններում արտացոլումների հետ բազմակողմանի միջամտության շնորհիվ: Երեք հետազոտողներ կարողացել են օգտագործել հայելիներ, որոնք ունեին 98,9% անդրադարձում 1,15 մկմ ալիքի երկարության վրա:

Բրինձ. 56. Հելիում-նեոնային լազերի դիագրամ, որը կառուցվել է Ջավանի, Բենեթի և Հերիոտի կողմից

1960 թվականին Ջավան Բենեթը և Հերիոտը վերջապես փորձարկեցին իրենց լազերը: Նախ, նրանք փորձեցին էլեկտրական լիցքաթափում իրականացնել քվարցային խողովակում, որը պարունակում էր գազային խառնուրդ՝ օգտագործելով հզոր մագնետրոն, սակայն խողովակը հալվեց։ Ես ստիպված էի վերափոխել սարքավորումները և փոփոխություններ կատարել: 1960 թվականի դեկտեմբերի 12-ին նրանք սկսեցին աշխատել նոր խողովակի և արտանետման կազմակերպության վրա: Նրանք փորձել են հարմարեցնել հայելիները, որպեսզի լազինգ ստանան, բայց անհաջող։ Հետո կեսօրին Հերիոտը տեսավ ազդանշանը. «Ես սովորականի պես պտտում էի հայելիներից մեկի միկրոմետրի պտուտակները, երբ հանկարծ օսցիլոսկոպի վրա ազդանշան հայտնվեց։ Մենք ստեղծեցինք մոնոխրոմատորը և գրանցեցինք ազդանշանի գագաթնակետը 1,153 մկմ ալիքի երկարությամբ, այսինքն. սպասվող ալիքի երկարությամբ: Ծնվեց առաջին լազերը, որն օգտագործում էր գազը որպես ակտիվ միջավայր և աշխատում էր շարունակական ռեժիմով: Նրա ճառագայթումը մոտ ինֆրակարմիր տիրույթում էր և հետևաբար անտեսանելի էր աչքի համար: Գրանցման համար անհրաժեշտ էր համապատասխան ընդունիչ, որը միացված է օսցիլոսկոպին:

Եվ դրանից վեց ամիս առաջ Էդ Բալիկը, տեխնիկը, ով օգնում էր, հետագայում Օքսֆորդի համալսարանից դիպլոմ ստացավ և դասավանդում Կանադայում, գնեց հարյուր տարվա շիշ գինի: Այն նախատեսված էր հանդիսավոր պահի համար՝ լազերի շահագործման կապակցությամբ։ Երբ լազերային փորձերը վերջապես ավարտվեցին, մի քանի օր անց Ջավան զանգահարեց Bell Labs-ի ղեկավարին և հրավիրեց նրան միջոցառումը ողողել հարյուրամյա գինով: Նա ահավոր հիացած էր, բայց հետո բացականչեց. «Անիծյալ, Ալի: Մենք խնդիր ունենք»: Սա տեղի ունեցավ առավոտյան, Ջավան, և չհասկացա, թե որն է խնդիրը: Սակայն կեսօրին լաբորատորիայի շուրջ շրջաբերական է շրջանառվել, որը պարզաբանում է նախորդը՝ մի քանի ամիս առաջ հրապարակված, գիտական ​​կենտրոնի տարածքում ալկոհոլ օգտագործելն արգելող։ Պարզաբանմամբ արգելվում էր 100 տարեկանից ցածր ցանկացած ալկոհոլ օգտագործել։ Դրանից հետո նրանք բարձրացրին իրենց ակնոցները հաջողության համար՝ չխախտելով կանոնները։

Առաջին լազերը գործել է 1,15 մկմ անցումով, մոտ IR միջակայքում: Ջավանն օգտագործել է հայելիներ, որոնք ունեին առավելագույն արտացոլում այս ալիքի երկարությամբ, ինչը համապատասխանում է նեոնի հնարավոր անցումներից մեկին։ Նա գիտեր, որ ալիքի այլ հնարավոր երկարություններ կան։ Նա ընտրեց այս ալիքի երկարությունը, քանի որ նրա հետազոտությունը ցույց տվեց, որ ամենամեծ շահույթը կարելի է ակնկալել դրանում: Տեսանելի հատվածում անցումներ օգտագործելու համար պահանջվում էր այնպիսի փոքր տրամագծով խողովակ, որ անհնար էր կարգավորել հարթ հայելիները, որոնք այն ժամանակ օգտագործվում էին Fabry-Pero ռեզոնատորի համար:

Ճավանական լազերային լազերային արտանետման խողովակը պարունակում էր նեոն և հելիում, համապատասխանաբար 0,1 և 1 Torr ճնշումներով (1 Torr-ը մեկ մթնոլորտի ճնշման գրեթե հազարերորդն է)։ Միաձուլված քվարցային խողովակն ուներ 80 սմ երկարություն և 1,5 սմ տրամագիծ, յուրաքանչյուր ծայրում մետաղական խոռոչ էր, որը պարունակում էր բարձր արտացոլող հարթ հայելիներ: Օգտագործվել են ճկուն թևեր (փչակներ), որոնք հնարավորություն են տվել կարգավորել (ճշգրիտ թեքմամբ) Fabry-Pero հայելիները միկրոմետրային պտուտակներով։ Սա հնարավորություն տվեց ապահովել զուգահեռականություն 6 աղեղային վայրկյան ճշգրտությամբ։ Ծայրամասերում կային հարթ ապակե պատուհաններ, որոնց մակերեսները փայլեցված էին 100 Ա-ից ավելի ճշգրտությամբ։ Դրանք հնարավորություն էին տալիս առանց աղավաղումների ճառագայթման ճառագայթ արձակել։ Էլեկտրական լիցքաթափումը գրգռվել է արտաքին էլեկտրոդներով՝ օգտագործելով 28 ՄՀց հաճախականությամբ 50 Վտ հզորությամբ տատանվող: Բարձր արտացոլմամբ հայելիներ ստացվել են դիէլեկտրական նյութերի 13 շերտերի նստեցմամբ (MgF 2, ZnS): 1.1-ից 1.2 մկմ-ի միջև արտացոլումը կազմել է 98.9%: Լազերը գործել է անընդհատ և եղել է այս տեսակի առաջին լազերը։

Հետևելով Հյուզի օրինակին, Bell Labs-ը նաև ցուցադրեց հելիում-նեոնային լազերի հանրային ցուցադրությունը 1960թ. դեկտեմբերի 14-ին: Հաղորդակցության հնարավոր կարևորությունը ցույց տալու համար հեռախոսազրույցը փոխանցվեց լազերային ճառագայթման միջոցով, որը մոդուլավորվում էր հեռախոսով: ազդանշան.

Այս լազերը հայտնի դարձավ որպես He-Ne լազեր՝ անվանման համար օգտագործելով իր բաղադրիչների քիմիական նշանները։ Այն ներկայացվել է մամուլին 1961 թվականի հունվարի 31-ին: Այն նկարագրող հոդվածը հրապարակվել է 1960 թվականի դեկտեմբերի 30-ին Physical Review Letters-ում:

Մինչ Ջավանը փորձեր էր կատարում 1960 թվականի գարնանը, Bell Labs-ի երկու հետազոտողներ՝ Ա. Ֆոքսը և Թ. Լին, սկսեցին ուսումնասիրել այն հարցը, թե ինչ ռեժիմներ կան Ֆաբրի-Պերոյի ռեզոնատորում։ Փաստն այն է, որ Fabry-Pero ռեզոնատորը շատ է տարբերվում միկրոալիքային ռեզոնատորներից փակ խոռոչների տեսքով: Նրանք որոշեցին այս ռեժիմների ձևը, և ​​դրանց արդյունքը դրդեց այլ Bell Labs հետազոտողներին՝ Գարի Դ. Բոնդին, Ջեյմս Գորդոնին և Հերվիգ Կոգելնիկին, գտնել վերլուծական լուծումներ գնդաձև հայելիների դեպքում: Օպտիկական խոռոչների ուսումնասիրության կարևորությունը գազային լազերների ստեղծման համար չի կարելի թերագնահատել։ Մինչ այս արդյունքների ձեռքբերումը, գազային լազերը լավագույն դեպքում մարգինալ սարք էր, որի արտադրությունը մեծապես կախված էր վերջին հայելիների դասավորվածությունից: Գնդաձև հայելիներով ռեզոնատորների տեսական ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ կարող են լինել կոնֆիգուրացիաներ, որոնք համեմատաբար թույլ կախված են հայելիների դասավորվածությունից, և ռեզոնատորի ներքին կորուստները կարող են ավելի փոքր լինել, քան հարթ հայելիներով ռեզոնատորում: Սա թույլ է տալիս օգտագործել ակտիվ լրատվամիջոցներ՝ զգալիորեն ավելի ցածր շահույթով, քան նախկինում ենթադրվում էր: Հարթ հայելիներով ռեզոնատորը գործնականում լքված էր, և նոր գազային լազերների բոլոր հայտնագործությունները կատարվել են գնդաձև հայելիներով ռեզոնատորների միջոցով:

1961 թվականին Bell Labs-ում սկսվեց լազերային հետազոտությունների հիմնական ծրագիր: Այլ խնդիրներով զբաղված հետազոտողները վերակողմնորոշվել են նոր թեմաների վրա, աշխատանքի են ընդունվել նոր աշխատակիցներ։ Նրանց կիզակետերում տեղակայված ռեզոնատորում երկու նույնական գնդաձև հայելիներ օգտագործելու որոշումը (այս կոնֆիգուրացիան կոչվում է կոնֆոկալ ռեզոնատոր) ցույց տվեց, թե ինչ դժվարություններից կարող էր խուսափել Ջավանը, եթե օգտագործեր այդպիսի ռեզոնատոր: Արդյունքում, Ուիլյամ Վ. Ռայգրոդը, Հերվիգ Կոգելնիկը, Դոնալդ Ռ. Հերիոտը և Դ. Ջ. Բրանգասիոն 1962 թվականի գարնանը կառուցեցին առաջին համաֆոկալ ռեզոնատորը գնդաձև հայելիներով, որոնք լույսը կենտրոնացնում են արտանետման խողովակի առանցքի վրա, և այդ հայելիները տեղադրվում էին ելքային խողովակի առանցքի վրա: խողովակ. Սա հնարավորություն տվեց ստանալ սերունդ 6328 A կարմիր գծի վրա: Լույսի մի մասը անխուսափելիորեն կորչում է պատուհանների մակերեսների արտացոլանքների մեջ (Fresnel արտացոլումը): Այս կորուստներից, սակայն, կարելի է խուսափել՝ պատուհանները թեքելով որոշակի անկյան տակ, որը կոչվում է Բրյուսթերի անկյուն։ Այս դեպքում որոշակի բևեռացման լույսի դեպքում կորուստները գործնականում զրոյական են: Այս նոր լազերային կոնֆիգուրացիան ներկայացված է Նկ. 57.

Բրինձ. 57. Կոնֆոկալ օպտիկական ռեզոնատոր: Խողովակը, որում գազը գրգռվում է էլեկտրական լիցքաթափմամբ, փակված է Բրյուսթերի անկյան տակ թեքված պատուհաններով։ Խողովակի ետևում տեղադրվում են գոգավոր հայելիներ՝ հավասար կորության շառավղով, որպեսզի նրանց միջև հեռավորությունը հավասար լինի կորության շառավղին

Կարմիր He-Ne լազերը լայն տարածում է գտել և մինչ օրս կիրառվում է, մասնավորապես, բժշկության մեջ։ Բացի այդ, այն մեծապես նպաստում է լազերային (բարձր համահունչ) և սովորական (անկոհերենտ) լույսի հիմնարար տարբերությունների ըմբռնմանը: Այս լազերի միջոցով հեշտությամբ նկատվում են ինտերֆերենցիային երեւույթներ, ինչպես նաև լազերային ճառագայթի ռեժիմի կառուցվածքը, որը հեշտությամբ և հստակորեն փոխվում է ռեզոնատորի հայելու մի փոքր թեքությամբ։ Խթանվեց նաև այլ, բազմաթիվ տեսակի լազերների մշակումը։

Ժամանակակից He-Ne լազերը կարող է առաջացնել մի քանի անցումներից մեկի վրա, որոնք ներկայացված են Նկ. 54. Դրա համար բազմաշերտ հայելիները պատրաստվում են ցանկալի ալիքի երկարությամբ առավելագույն արտացոլմամբ: Սերունդը ստացվում է 3,39 մկմ, 1,153 մկմ, 6328 Ա° ալիքի երկարություններում և նույնիսկ հատուկ հայելիներ օգտագործելիս՝ 5433 Ա (կանաչ գիծ), 5941 Ա° (դեղին գիծ), 6120 Ա° (նարնջագույն գիծ) ալիքի երկարություններում։

Հեղինակի գրքից

Երկրորդ պինդ վիճակի լազերը 1959 թվականի սեպտեմբերին Թաունսը կազմակերպեց կոնֆերանս «Քվանտային էլեկտրոնիկա՝ ռեզոնանսային երևույթներ» թեմայով, որին, թեև լազերը դեռ չէր ստեղծվել, ոչ պաշտոնական քննարկումների մեծ մասը կենտրոնացած էր լազերների վրա։ Այս կոնֆերանսին մասնակցում էր Փիթերը։

Հեղինակի գրքից

Ցեզիումի լազերը 1961 թվականը եղել է ևս երկու լազերի ներդրման տարի, որոնց վրա մասնագետները աշխատել են լազերային հայեցակարգի հենց սկզբից։ Դրանցից մեկը ցեզիումի լազեր էր: Այն բանից հետո, երբ Թաունսն ու Շավլովը գրեցին իրենց թերթը, որոշվեց, որ Թաունսը կփորձի լազեր կառուցել:

Հեղինակի գրքից

Նեոդիմումային լազեր Մեկ այլ լազեր, որը գործարկվել է 1961 թվականին և մինչ օրս գլխավորներից մեկն է, նեոդիմումային ապակու լազերն է: 1959-1960 թթ. Ամերիկյան օպտիկական ընկերությունը նույնպես հետաքրքրվել է լազերային հետազոտություններով, որոնք իրականացրել է նրա գիտնականներից մեկը՝ Էլիաս Սնիցերը։ Սա

Հեղինակի գրքից

Լազերը գոյություն ունի՞ բնության մեջ: Պատասխանը կարծես թե այո է։ Մոտ 10 մկմ ալիքի երկարությամբ լազերային ճառագայթում (ածխածնի երկօքսիդի արտանետման տիպիկ գիծ, ​​որն աշխատում է բարձր հզորության CO2 լազերներով, որոնք լայնորեն օգտագործվում են, մասնավորապես, նյութերի մշակման համար)

Հեղինակի գրքից

Հեղինակի գրքից

Laser and the Moon Bell լաբորատորիաներն օգտագործել են առաջին լազերներից մեկը՝ Լուսնի մակերեսի տեղագրությունը ուսումնասիրելու համար։ 1969 թվականի հուլիսի 21-ին Լուսին ուղարկված Apollo 11 արշավի ժամանակ տիեզերագնացները նրա մակերեսին տեղադրեցին երկու անկյունային արտացոլիչներ, որոնք կարող էին արտացոլել լազերային լույսը,

Այս աշխատանքի նպատակն է ուսումնասիրել գազային լազերի հիմնական բնութագրերն ու պարամետրերը, որում որպես ակտիվ նյութ օգտագործվում է հելիումի և նեոնային գազերի խառնուրդ։

3.1. Հելիում-նեոնային լազերի շահագործման սկզբունքը

Հելիումի նեոնային լազերը բնորոշ և ամենատարածված գազային լազերն է: Այն պատկանում է ատոմային գազային լազերներին և նրա ակտիվ միջավայրը իներտ գազերի չեզոք (ոչ իոնացված) ատոմների խառնուրդ է՝ հելիում և նեոն։ Նեոնը աշխատող գազ է, և դրա էներգիայի մակարդակների միջև տեղի են ունենում անցումներ՝ կապված էլեկտրամագնիսական ճառագայթման արտանետման հետ: Հելիումը կատարում է օժանդակ գազի դեր և նպաստում է նեոնի գրգռմանը և նրանում պոպուլյացիայի ինվերսիայի ստեղծմանը։

Ցանկացած լազերային արտադրություն սկսելու համար պետք է պահպանվեն երկու կարևոր պայմաններ.

1. Աշխատանքային լազերային մակարդակների միջև պետք է լինի բնակչության ինվերսիա:

2. Ակտիվ միջավայրում շահույթը պետք է գերազանցի լազերի բոլոր կորուստները, ներառյալ ճառագայթման ելքի համար «օգտակար» կորուստները:

Եթե ​​համակարգը ունի երկու մակարդակ Ե 1 և Ե 2՝ դրանցից յուրաքանչյուրի մասնիկների քանակով, համապատասխանաբար Ն 1 և Ն 2 և այլասերվածության աստիճանը է 1 և է 2, ապա բնակչության ինվերսիա տեղի կունենա, երբ բնակչությունը Ն 2 /է 2 բարձր մակարդակ Ե 2 կլինի ավելի շատ բնակչություն Ն 1 /է 1 ցածր մակարդակ Ե 1, այսինքն՝ ինվերսիայի Δ աստիճանը Նդրական կլինի.

Եթե ​​մակարդակները Ե 1 և Ե 2-ը ոչ դեգեներատիվ են, ապա ինվերսիան տեղի ունենալու համար անհրաժեշտ է, որ մասնիկների թիվը Ն 2 վերին մակարդակում Ե 2-ը մասնիկների քանակից շատ էր Ն 1 ստորին մակարդակում Եմեկ . Այն մակարդակները, որոնց միջև հնարավոր է պոպուլյացիայի ինվերսիայի ձևավորումը և համակցված էլեկտրամագնիսական ճառագայթման արտանետմամբ հարկադիր անցումների առաջացումը կոչվում են. աշխատանքային լազերային մակարդակներ.

Բնակչության ինվերսիայի վիճակը ստեղծվում է օգտագործելով պոմպային- գազի ատոմների գրգռում տարբեր մեթոդներով. Արտաքին աղբյուրի էներգիայի շնորհիվ կոչված պոմպի աղբյուր, Ne ատոմը գետնի էներգիայի մակարդակից Ե 0 , որը համապատասխանում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակին, անցնում է գրգռված Ne* վիճակի։ Անցումներ կարող են տեղի ունենալ էներգիայի տարբեր մակարդակների վրա՝ կախված պոմպի ինտենսիվությունից: Այնուհետև տեղի են ունենում ինքնաբուխ կամ հարկադիր անցումներ դեպի ցածր էներգիայի մակարդակներ:

Շատ դեպքերում անհրաժեշտ չէ դիտարկել բոլոր հնարավոր անցումները համակարգի բոլոր պետությունների միջև: Սա թույլ է տալիս խոսել լազերային աշխատանքի երկու, երեք և չորս մակարդակի սխեմաների մասին: Լազերային շահագործման սխեմայի տեսակը որոշվում է ակտիվ միջավայրի հատկություններով, ինչպես նաև օգտագործվող պոմպային մեթոդով:

Հելիում-նեոնային լազերը գործում է երեք մակարդակի սխեմայով, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 3.1. Այս դեպքում պոմպային և ճառագայթման առաջացման ուղիները մասամբ առանձնացված են: Ակտիվ նյութը մղելը հողի մակարդակից անցումներ է առաջացնում Ե 0-ից մինչև հուզված մակարդակ Ե 2, ինչը հանգեցնում է աշխատանքային մակարդակների միջև բնակչության ինվերսիայի առաջացմանը Ե 2 և Եմեկ . Ակտիվ միջավայրը, որը գտնվում է աշխատանքային մակարդակների պոպուլյացիայի ինվերսիայի վիճակում, կարող է ուժեղացնել էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը հաճախականությամբ.
խթանված արտանետումների գործընթացների պատճառով:

Բրինձ. 3.1. Աշխատանքային և օժանդակ գազի էներգիայի մակարդակների դիագրամ, որը բացատրում է հելիում-նեոնային լազերի աշխատանքը

Քանի որ գազերում էներգիայի մակարդակների ընդլայնումը փոքր է, և չկան լայն կլանման գոտիներ, դժվար է ստանալ հակադարձ պոպուլյացիա՝ օգտագործելով օպտիկական ճառագայթումը: Այնուամենայնիվ, գազերում հնարավոր են մղման այլ մեթոդներ՝ ուղղակի էլեկտրոնային գրգռում և ռեզոնանսային էներգիայի փոխանցում ատոմների բախման ժամանակ: Էլեկտրոնների հետ բախվելիս ատոմների գրգռումը ամենահեշտությամբ կարող է իրականացվել էլեկտրական լիցքաթափման ժամանակ, որտեղ էլեկտրոնները արագանում են էլեկտրական դաշտի միջոցով: կարող է ձեռք բերել զգալի կինետիկ էներգիա: Ատոմների հետ էլեկտրոնների ոչ առաձգական բախումների ժամանակ վերջիններս անցնում են գրգռված վիճակի Ե 2:

Կարևոր է, որ պրոցեսը (3.4) ունենա ռեզոնանսային բնույթ. էներգիայի փոխանցման հավանականությունը կլինի առավելագույնը, եթե տարբեր ատոմների գրգռված էներգիայի վիճակները համընկնեն, այսինքն՝ ռեզոնանսի մեջ են:

He-ի և Ne-ի էներգիայի մակարդակները և հիմնական աշխատանքային անցումները մանրամասն ներկայացված են Նկար 1-ում: 3.2. Արագ էլեկտրոնների (3.2) և (3.3) հետ գազի ատոմների ոչ առաձգական փոխազդեցություններին համապատասխանող անցումները ցույց են տրվում դեպի վեր կետավոր սլաքներով: Էլեկտրոնի ազդեցության արդյունքում հելիումի ատոմները գրգռվում են մինչև 2 1 S 0 և 2 3 S 1 մակարդակները, որոնք մետակայուն են։ Հելիումի ճառագայթային անցումները 1 S 0 հիմնական վիճակին արգելված են ընտրության կանոններով: Երբ գրգռված He ատոմները բախվում են Ne ատոմների հետ հիմնական վիճակում 1 S 0, գրգռման փոխանցումը (3.4) հնարավոր է, և նեոնն անցնում է 2S կամ 3S մակարդակներից մեկը: Այս դեպքում ռեզոնանսային պայմանը բավարարվում է, քանի որ օժանդակ և աշխատանքային գազում հողի և գրգռված վիճակների միջև էներգիայի բացերը մոտ են միմյանց:

Ճառագայթային անցումներ կարող են տեղի ունենալ նեոնի 2S և 3S մակարդակներից մինչև 2P և 3P մակարդակներ: P մակարդակները ավելի քիչ են բնակեցված, քան S-ի վերին մակարդակները, քանի որ He-ի ատոմներից էներգիայի ուղղակի փոխանցում չկա այդ մակարդակներին: Բացի այդ, P մակարդակները կարճ կյանք ունեն, և ոչ ճառագայթային անցումը P → 1S դատարկում է P մակարդակները։ այսինքն, S և P մակարդակների միջև տեղի է ունենում բնակչության ինվերսիա, ինչը նշանակում է, որ դրանց միջև անցումները կարող են օգտագործվել լազերային գեներացիայի համար:

Քանի որ S և P մակարդակների թիվը մեծ է, հնարավոր է դրանց միջև տարբեր քվանտային անցումների մեծ շարք: Մասնավորապես, չորս 2S մակարդակներից մինչև տասը 2P մակարդակներ, ընտրության կանոններով թույլատրվում է 30 տարբեր անցում, որոնց մեծ մասը գեներացվել է: 2S → 2P անցումների ժամանակ ամենաուժեղ արտանետման գիծը 1,1523 մկմ գիծն է (սպեկտրի ինֆրակարմիր շրջան)։ 3S→2Р անցումների համար առավել նշանակալից գիծը 0,6328 մկմ է (կարմիր շրջան), իսկ 3S→3Р – 3,3913 մկմ (IR շրջան): Ինքնաբուխ արտանետումը տեղի է ունենում բոլոր թվարկված ալիքների երկարություններում:

Բրինձ. 3.2. Հելիումի և նեոնի ատոմների էներգիայի մակարդակները և He-Ne լազերի շահագործման սխեման

Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, ճառագայթային անցումներից հետո դեպի P մակարդակներ, P → 1S անցումների ժամանակ տեղի է ունենում ոչ ճառագայթային ճառագայթային քայքայումը: Ցավոք, նեոնի 1S մակարդակները մետաստաբիլ են, և եթե գազային խառնուրդը չի պարունակում այլ կեղտեր, ապա 1S մակարդակից նեոնի ատոմների հիմնական վիճակին անցնելու միակ միջոցը նավի պատերի հետ բախումն է: Այս պատճառով, համակարգի շահույթը մեծանում է, քանի որ արտանետվող խողովակի տրամագիծը նվազում է: Քանի որ նեոնի 1S վիճակները կամաց-կամաց սպառվում են, Ne ատոմները պահպանվում են այդ վիճակներում, ինչը խիստ անցանկալի է և որոշում է այս լազերի մի շարք առանձնահատկություններ: Մասնավորապես, քանի որ պոմպի հոսանքը բարձրանում է շեմային արժեքից ժայնուհետև տեղի է ունենում արագ աճ, այնուհետև հագեցվածություն և նույնիսկ լազերային ճառագայթման հզորության նվազում, ինչը պայմանավորված է հենց 1S մակարդակներում աշխատանքային մասնիկների կուտակմամբ, այնուհետև էլեկտրոնների հետ բախվելիս դրանց տեղափոխմամբ 2P կամ 3P վիճակներ: Սա անհնարին է դարձնում բարձր ելքային ճառագայթման հզորություն ստանալը:

Հակադարձ պոպուլյացիայի առաջացումը կախված է խառնուրդում He-ի և Ne-ի ճնշումից և էլեկտրոնի ջերմաստիճանից: Գազի ճնշման օպտիմալ արժեքներն են 133 Պա He-ի համար և 13 Pa-ի համար Ne-ի համար: Էլեկտրոնի ջերմաստիճանը տրվում է գազային խառնուրդի վրա կիրառվող լարման միջոցով: Սովորաբար այս լարումը պահպանվում է 2…3 կՎ մակարդակում:

Լազերային արտադրություն ստանալու համար անհրաժեշտ է, որ լազերում դրական արձագանք լինի, հակառակ դեպքում սարքը կաշխատի միայն որպես ուժեղացուցիչ: Դրա համար ակտիվ գազային միջավայրը տեղադրվում է օպտիկական ռեզոնատորի մեջ: Բացի հետադարձ կապ ստեղծելուց, ռեզոնատորն օգտագործվում է տատանումների տեսակների ընտրության և առաջացման ալիքի երկարության ընտրության համար, որի համար օգտագործվում են հատուկ ընտրովի հայելիներ։

Շեմին մոտ պոմպի մակարդակներում տատանումների մեկ տեսակի վրա լազելը համեմատաբար հեշտ է: Գրգռման մակարդակի բարձրացմամբ, եթե հատուկ միջոցներ չեն ձեռնարկվում, առաջանում են մի շարք այլ ռեժիմներ։ Այս դեպքում գեներացիան տեղի է ունենում ռեզոնատորի ռեզոնանսային հաճախականություններին մոտ հաճախականություններով, որոնք պարունակվում են ատոմային գծի լայնության մեջ։ Թրթռումների առանցքային տեսակների դեպքում (TEM 00-ռեժիմ), հաճախականության հեռավորությունը հարակից մաքսիմումների միջև.
, որտեղ Լռեզոնատորի երկարությունն է: Մի քանի ռեժիմների միաժամանակյա առկայության արդյունքում արտանետումների սպեկտրում առաջանում են հարվածներ և անհամասեռություններ։ Եթե ​​գոյություն ունենային միայն առանցքային ռեժիմներ, ապա սպեկտրը կլիներ առանձին գծեր, որոնց միջև հեռավորությունը հավասար կլիներ. գ / 2Լ. Բայց ռեզոնատորում հնարավոր է նաև գրգռել ոչ առանցքային տիպի տատանումներ, օրինակ՝ TEM 10 ռեժիմները, որոնց առկայությունը մեծապես կախված է հայելիների թյունինգից։ Հետևաբար, արտանետումների սպեկտրում հայտնվում են լրացուցիչ արբանյակային գծեր, որոնք գտնվում են սիմետրիկ հաճախականությամբ թրթռումների առանցքային տեսակների երկու կողմերում: Պոմպի մակարդակի բարձրացմամբ տատանումների նոր տեսակների տեսքը հեշտությամբ որոշվում է ճառագայթային դաշտի կառուցվածքի տեսողական դիտարկմամբ: Հնարավոր է նաև տեսողականորեն դիտարկել ռեզոնատորի հավասարեցման ազդեցությունը կոհերենտ ճառագայթման ռեժիմների կառուցվածքի վրա:

Գազերն ավելի միատարր են, քան խտացված միջավայրերը։ Հետևաբար, գազի լույսի ճառագայթն ավելի քիչ է աղավաղված և ցրված, իսկ հելիում-նեոնային լազերի ճառագայթումը բնութագրվում է հաճախականության լավ կայունությամբ և բարձր ուղղորդությամբ, որը հասնում է իր սահմանին դիֆրակցիոն երևույթների պատճառով։ Կոնֆոկալ ռեզոնատորի դիֆրակցիոն շեղման սահմանը

,

որտեղ λ-ն ալիքի երկարությունն է; դ 0-ը լույսի ճառագայթի տրամագիծն է իր ամենացածր մասում:

Հելիում-նեոնային լազերի ճառագայթումը բնութագրվում է մոնոխրոմատիկության և համահունչության բարձր աստիճանով: Նման լազերի արտանետման գծերի լայնությունը շատ ավելի նեղ է, քան սպեկտրային գծի «բնական» լայնությունը և մեծության շատ կարգեր ավելի քիչ, քան ժամանակակից սպեկտրոմետրերի թույլատրելիության սահմանափակող աստիճանը։ Հետևաբար, այն որոշելու համար չափվում է ճառագայթման տարբեր ռեժիմների հարվածների սպեկտրը։ Բացի այդ, այս լազերի ճառագայթումը հարթ բևեռացված է ռեզոնատորի օպտիկական առանցքի նկատմամբ Բրյուսթերի անկյան տակ գտնվող պատուհանների օգտագործման պատճառով:

Ճառագայթման փոխկապակցվածության վկայությունը կարող է լինել աղբյուրի տարբեր կետերից ստացվող ճառագայթման վերադրման մեջ դիֆրակցիոն օրինաչափության դիտարկումը։ Օրինակ, համահունչությունը կարելի է գնահատել՝ դիտարկելով միջամտությունը մի քանի սլոտների համակարգից: Յանգի փորձից հայտնի է, որ սովորական «դասական» աղբյուրից լույսի միջամտությունը դիտարկելու համար ճառագայթումը սկզբում անցնում է մեկ ճեղքով, իսկ հետո երկու ճեղքերով, իսկ հետո էկրանի վրա առաջանում են ինտերֆերենցիալ ծոպեր։ Լազերային ճառագայթման կիրառման դեպքում առաջին ճեղքն ավելորդ է ստացվում։ Այս հանգամանքը հիմնարար է. Բացի այդ, երկու ճեղքերի միջև հեռավորությունը և դրանց լայնությունը կարող են անհամեմատ ավելի մեծ լինել, քան դասական փորձերում: Գազային լազերի ելքի պատուհանում կան երկու ճեղքեր, որոնց միջև հեռավորությունը 2 է ա. Այն դեպքում, երբ ընկնող ճառագայթումը համահունչ է, հեռավորության վրա գտնվող էկրանին դճեղքերից կնկատվի միջամտության օրինաչափություն։ Այս դեպքում գոտիների առավելագույն (նվազագույն) միջև հեռավորությունը

.

Ամենատարածված գազային լազերը հելիում-նեոնն է ( Հե-Նե) լազեր (չեզոք ատոմ լազեր), որը գործում է հելիումի և նեոնի խառնուրդի վրա՝ 10։1 հարաբերակցությամբ։ Այս լազերը նաև առաջին շարունակական լազերն է։

Դիտարկենք հելիումի և նեոնի մակարդակների էներգետիկ սխեման (նկ. 3.4): Սերունդը տեղի է ունենում նեոնային մակարդակների միջև, և հելիումը ավելացվում է պոմպային գործընթացն իրականացնելու համար: Ինչպես երևում է նկարից, մակարդակները 2 3 Ս 1և 2 1 Ս 0հելիումը գտնվում են համապատասխանաբար մակարդակներին մոտ 2 վրկև 3 վրկոչ նա: Քանի որ հելիումի մակարդակը 2 3 Ս 1և 2 1 Ս 0մետակայուն են, այնուհետև, երբ հելիումի գրգռված մետակայուն ատոմները բախվում են նեոնի ատոմներին, տեղի կունենա ռեզոնանսային էներգիայի փոխանցում դեպի նեոնի ատոմներ (երկրորդ տեսակի բախումներ):

Այսպիսով, մակարդակները 2 վրկև 3 վրկնեոնը կարող է բնակեցվել և, հետևաբար, սերունդը կարող է առաջանալ այս մակարդակներից: Կյանքի տևողություն ս- պետություններ ( տ ս» 100 ns) շատ ավելի երկար կյանք Ռ- պետություններ ( t p»10 ns), ուստի լազերային չորս մակարդակի սխեմայի համաձայն գործելու համար բավարար է հետևյալ պայմանը.

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

Լազերային գեներացումը հնարավոր է անցումներից մեկում ա, բ, գըստ ալիքի երկարությունների լ ա=3,39 մկմ, լբ=0,633 մկմ, լ ս=1,15 մկմ, որը կարելի է ստանալ ռեզոնատորի հայելիների անդրադարձման գործակից ընտրելով կամ ռեզոնատորի մեջ ցրող տարրեր ներմուծելով։

Բրինձ. 3.4. Հելիումի և նեոնի էներգիայի մակարդակների սխեման.

Դիտարկենք նման լազերի բնորոշ սերունդը։

Նկ.3.5. Հելիում-նեոնային լազերի բնորոշ սերունդ:

Պոմպի հոսանքի աճով ելքային հզորության սկզբնական աճը բացատրվում է բնակչության ինվերսիայով: Առավելագույն հզորության հասնելուց հետո կորը սկսում է նվազել պոմպի հոսանքի հետագա աճով: Սա բացատրվում է նրանով, որ 2p և 1s մակարդակները ժամանակ չունեն հանգստանալու; էլեկտրոնները ժամանակ չունեն գնալու ցածր էներգիայի մակարդակի, և էլեկտրոնների թիվը հարևան 2p և 1s մակարդակներում դառնում է նույնը: Այս դեպքում ինվերսիա չկա։

Հելիում-նեոնային լազերների արդյունավետությունը 0,1% է, ինչը բացատրվում է գրգռված մասնիկների ցածր ծավալային խտությամբ։ Բնորոշ ելքային հզորություն Հե-Նե- լազերային Պ~5-50 մՎտ, դիվերգենցիա ք~ 1 գրադ.

Արգոն լազեր

Սրանք ամենահզոր շարունակական ալիքային լազերներն են տեսանելի և մոտ ուլտրամանուշակագույն սպեկտրային շրջանում՝ կապված իոնային գազի լազերների հետ: Աշխատանքային գազի վերին լազերային մակարդակը բնակեցված է էլեկտրական լիցքաթափման ժամանակ էլեկտրոնների երկու հաջորդական բախումների պատճառով: Առաջին բախման ժամանակ իոնները առաջանում են չեզոք ատոմներից, իսկ երկրորդում՝ այդ իոնները գրգռվում են։ Հետևաբար, պոմպացումը երկաստիճան գործընթաց է, որոնցից յուրաքանչյուրի արդյունավետությունը համաչափ է ընթացիկ խտությանը: Արդյունավետ մղման համար պահանջվում է բավականաչափ բարձր հոսանքի խտություն:

Լազերային էներգիայի մակարդակի դիագրամը միացված է Ար+ցույց է տրված նկ. 3.3. Լազերային արտանետումը 454,5 նմ-ից 528,7 նմ գծերում տեղի է ունենում, երբ մակարդակների խումբը բնակեցված է 4pհողի կամ մետակայուն վիճակների էլեկտրոնի ազդեցությամբ գրգռվածությամբ Ար + .

3.5 CO 2 լազեր

Մոլեկուլային CO 2-Լազերները գազային լազերների մեջ ամենահզոր cw լազերն են, ինչը պայմանավորված է էլեկտրական էներգիան ճառագայթային էներգիայի վերածելու ամենաբարձր արդյունավետությամբ (15-20%): Լազերային գեներացիան տեղի է ունենում թրթռումային-պտույտային անցումների վրա, և այդ լազերների արտանետման գծերը գտնվում են հեռավոր ինֆրակարմիր շրջանում, որոնք գտնվում են 9,4 մկմ և 10,4 մկմ ալիքի երկարություններում:

AT CO 2Լազերը օգտագործում է գազերի խառնուրդ CO 2, N 2և Նա. Պոմպումը կատարվում է անմիջապես մոլեկուլների բախումների ժամանակ CO 2էլեկտրոններով և թրթռումով գրգռված մոլեկուլներով N 2. Խառնուրդում He-ի բարձր ջերմային հաղորդունակությունը նպաստում է սառեցմանը CO 2, ինչը հանգեցնում է ջերմային գրգռման արդյունքում բնակեցված ստորին լազերային մակարդակի նվազմանը։ Այսպիսով, ներկայությունը N 2խառնուրդում նպաստում է լազերային վերին մակարդակի բարձր պոպուլյացիային և առկայությանը Նա– ստորին մակարդակի սպառում, և արդյունքում դրանք միասին հանգեցնում են բնակչության ինվերսիայի աճին։ Էներգիայի մակարդակի դիագրամ CO 2- լազերը ներկայացված է Նկ. 3.4. Լազերային գեներացիան իրականացվում է մոլեկուլի թրթռումային վիճակների միջև անցման ժամանակ CO 2 n 3 Հունիս 1կամ n 3 հունիսի 2ռոտացիոն վիճակի փոփոխությամբ։

Բրինձ. 3.4. Էներգիայի մակարդակի դիագրամ N 2և CO 2մեջ CO 2- լազերային.

CO 2Լազերը կարող է աշխատել ինչպես շարունակական, այնպես էլ իմպուլսային ռեժիմներով: Շարունակական ռեժիմում նրա ելքային հզորությունը կարող է հասնել մի քանի կՎտ: