laser gas. Laser neon helium

Laser helium-neon - bersama dengan dioda atau semikonduktor - adalah salah satu laser yang paling umum digunakan dan paling terjangkau untuk wilayah spektrum yang terlihat. Kekuatan sistem laser jenis ini, yang ditujukan terutama untuk tujuan komersial, berkisar dari 1 mW hingga beberapa puluh mW. Yang sangat populer adalah laser He-Ne yang kurang kuat dengan urutan 1 mW, yang digunakan terutama sebagai perangkat kutipan, serta untuk memecahkan masalah lain di bidang teknologi pengukuran. Dalam rentang inframerah dan merah, laser helium-neon semakin digantikan oleh laser dioda. Laser He-Ne mampu memancarkan garis oranye, kuning dan hijau selain garis merah, yang dicapai berkat cermin selektif yang sesuai.

Diagram Tingkat Energi

Tingkat energi helium dan neon yang paling penting untuk fungsi laser He-Ne ditunjukkan pada Gambar. 1. Transisi laser terjadi pada atom neon, dengan garis paling intens yang dihasilkan dari transisi dengan panjang gelombang 633, 1153, dan 3391 (lihat Tabel 1).

Konfigurasi elektronik neon dalam keadaan dasar terlihat seperti ini: 1s22s22p6 di mana kulit pertama (n = 1) dan kulit kedua (n = 2) masing-masing diisi dengan dua dan delapan elektron. Negara bagian yang lebih tinggi menurut gambar. 1 muncul sebagai akibat dari fakta bahwa ada kulit 1s22s22p5 di sini, dan elektron bercahaya (optik) tereksitasi menurut skema: 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p, ... dll. Oleh karena itu, kita berbicara tentang keadaan satu elektron, yang melakukan hubungan dengan kulit. Dalam skema LS (Russell-Saunders) untuk tingkat energi neon ditunjukkan oleh keadaan satu elektron (misalnya 5s), serta momentum orbital total yang dihasilkan L (= S, P, D...). Pada notasi S, P, D,..., indeks bawah menunjukkan momen orbital total J, dan indeks atas menunjukkan multiplisitas 2S + 1, misalnya 5s1P1. Seringkali, sebutan fenomenologis murni menurut Paschen digunakan (Gbr. 1). Dalam hal ini, sublevel keadaan elektronik tereksitasi dihitung dari 2 hingga 5 (untuk keadaan s) dan dari 1 hingga 10 (untuk keadaan p).

Beras. 1. Skema tingkat energi laser He-Ne. Level neon ditandai menurut Pashen, yaitu: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5, dst.

Tabel 1. Notasi untuk transisi garis intens laser He-Ne

Perangsangan

Media aktif dari laser helium-neon adalah campuran gas, di mana energi yang diperlukan disuplai dalam pelepasan listrik. Tingkat laser atas (2s dan 2p menurut Paschen) secara selektif diisi berdasarkan tumbukan dengan atom helium metastabil (23S1, 21S0). Selama tumbukan ini, tidak hanya terjadi pertukaran energi kinetik, tetapi juga transfer energi dari atom helium yang tereksitasi ke atom neon. Proses ini disebut tumbukan jenis kedua:

Dia* + Ne -> Dia + Ne* + E, (1)

di mana tanda bintang (*) melambangkan keadaan tereksitasi. Perbedaan energi dalam kasus eksitasi tingkat 2s adalah: &DeltaE=0,05 eV. Dalam tumbukan, perbedaan yang ada diubah menjadi energi kinetik, yang kemudian didistribusikan dalam bentuk panas. Untuk level 3s, hubungan yang identik terjadi. Transfer energi resonansi seperti itu dari helium ke neon adalah proses pemompaan utama dalam menciptakan inversi populasi. Dalam hal ini, umur panjang dari keadaan metastabil He memiliki efek yang menguntungkan pada selektivitas populasi tingkat laser atas.

Eksitasi atom He terjadi atas dasar tumbukan elektron, baik secara langsung atau melalui transisi kaskade tambahan dari tingkat yang lebih tinggi. Karena keadaan metastabil berumur panjang, kerapatan atom helium dalam keadaan ini sangat tinggi. Level laser atas 2s dan 3s dapat - tunduk pada aturan pemilihan untuk transisi Doppler elektrik - hanya lolos ke level-p yang lebih rendah. Untuk keberhasilan pembangkitan radiasi laser, sangat penting bahwa masa hidup status-s (tingkat laser atas) = sekitar 100 ns melebihi masa hidup keadaan-p (tingkat laser yang lebih rendah) = 10 ns.

Panjang gelombang

Selanjutnya, kami akan mempertimbangkan transisi laser yang paling penting secara lebih rinci, menggunakan Gambar. 1 dan data dari Tabel 1. Garis paling terkenal di wilayah spektrum merah (0,63 m) muncul karena transisi 3s2 → 2p4. Tingkat yang lebih rendah dibagi sebagai akibat dari emisi spontan selama 10 ns ke tingkat 1s (Gbr. 1). Yang terakhir ini tahan terhadap pemecahan akibat radiasi dipol listrik, sehingga memiliki umur alami yang panjang. Oleh karena itu, atom terkonsentrasi dalam keadaan ini, yang ternyata sangat padat. Dalam pelepasan gas, atom dalam keadaan ini bertabrakan dengan elektron, dan kemudian level 2p dan 3s kembali tereksitasi. Dalam hal ini, inversi populasi menurun, yang membatasi daya laser. Penipisan keadaan ls terjadi pada laser helium-neon terutama karena tabrakan dengan dinding tabung pelepasan gas, dan oleh karena itu, dengan peningkatan diameter tabung, penurunan gain dan penurunan efisiensi diamati. Oleh karena itu, dalam praktiknya, diameter dibatasi hingga sekitar 1 mm, yang, pada gilirannya, membatasi daya keluaran laser He-Ne hingga beberapa puluh mW.

Konfigurasi elektronik 2s, 3s, 2p, dan 3p yang berpartisipasi dalam transisi laser dibagi menjadi beberapa sublevel. Ini mengarah, misalnya, ke transisi lebih lanjut di wilayah spektrum yang terlihat, seperti yang dapat dilihat dari Tabel 2. Untuk semua garis laser He-Ne yang terlihat, efisiensi kuantum berada pada urutan 10%, yang tidak sangat tinggi. Diagram level (Gbr. 1) menunjukkan bahwa level laser atas kira-kira 20 eV di atas keadaan dasar. Energi radiasi laser merah hanya 2 eV.

Tabel 2. Panjang gelombang , daya keluaran, dan lebar garis dari laser He-Ne (notasi transisi Paschen)

Warna	λ nm	Transisi (menurut Pashen)	Kekuasaan mW	Δ ƒ MHz	Memperoleh %/m
Inframerah	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Inframerah	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Inframerah	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Merah	640	3s2 → 2p2
Merah	635	3s2 → 2p3
Merah	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Merah	629	3s2 → 2p5
Oranye	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Oranye	604	3s2 → 2p7
Kuning	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Kuning	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

Radiasi dalam kisaran inframerah sekitar 1,157 m muncul melalui transisi 2s → 2p. Hal yang sama berlaku untuk garis yang sedikit lebih lemah sekitar 1,512 m. Kedua garis inframerah ini digunakan dalam laser komersial.

Fitur karakteristik garis dalam kisaran IR pada 3,391 m adalah gain yang tinggi. Di zona sinyal lemah, yaitu, dengan satu jalur sinyal cahaya lemah, sekitar 20 dB / m. Ini sesuai dengan faktor 100 untuk laser sepanjang 1 meter. Level laser atas sama dengan transisi merah yang diketahui (0,63 m). Gain yang tinggi, di satu sisi, disebabkan oleh masa pakai yang sangat singkat pada level 3p yang lebih rendah. Di sisi lain, ini disebabkan oleh panjang gelombang yang relatif panjang dan, karenanya, frekuensi radiasi yang rendah. Biasanya rasio emisi terstimulasi dan spontan meningkat untuk frekuensi rendah . Amplifikasi sinyal lemah g, sebagai aturan, sebanding dengan g ~ƒ2.

Tanpa elemen selektif, laser He-Ne akan terpancar pada garis 3,39 m dan bukan pada daerah merah pada 0,63 m. Eksitasi garis inframerah dicegah baik oleh cermin rongga selektif atau dengan penyerapan di jendela Brewster dari tabung pelepasan gas. Karena ini, ambang batas generasi laser dapat dinaikkan ke tingkat yang cukup untuk radiasi 3,39 m, sehingga hanya garis merah yang lebih lemah yang muncul di sini.

Rancangan

Elektron yang diperlukan untuk eksitasi terbentuk dalam pelepasan gas (Gbr. 2), yang dapat digunakan dengan tegangan sekitar 12 kV pada arus dari 5 hingga 10 mA. Panjang khas pelepasan adalah 10 cm atau lebih, diameter kapiler pelepasan sekitar 1 mm dan sesuai dengan diameter sinar laser yang dipancarkan. Dengan peningkatan diameter tabung pelepasan gas, koefisien tindakan yang bermanfaat berkurang, karena tumbukan dengan dinding tabung diperlukan untuk mengosongkan level ls. Untuk keluaran daya yang optimal, tekanan pengisian total (p) digunakan: p·D = 500 Pa·mm, di mana D adalah diameter tabung. Rasio dalam campuran He/Ne tergantung pada garis laser yang diinginkan. Untuk garis merah yang diketahui, kita memiliki He: Ne = 5:l, dan untuk garis inframerah sekitar 1,15 m - He:Ne=10:l. Aspek penting juga adalah optimalisasi kerapatan arus. Efisiensi untuk saluran 633 nm adalah sekitar 0,1%, karena proses eksitasi dalam hal ini tidak terlalu efisien. Masa pakai laser helium-neon adalah sekitar 20.000 jam operasi.

Beras. 2. Desain laser He-Ne untuk radiasi terpolarisasi dalam kisaran mW

Gain dalam kondisi ini adalah pada g=0,1 m-1, jadi perlu menggunakan cermin yang sangat reflektif. Untuk keluar dari sinar laser, cermin sebagian transmissive (semitransparan) (misalnya, dengan R = 98%) dipasang di satu sisi saja, dan di sisi lain, cermin dengan reflektifitas setinggi mungkin (~ 100%). Keuntungan untuk transisi terlihat lainnya jauh lebih sedikit (lihat Tabel 2). Untuk tujuan komersial, garis-garis ini diperoleh hanya dalam tahun-tahun terakhir menggunakan cermin dengan kerugian yang sangat rendah.

Sebelumnya, dalam laser helium-neon, jendela keluaran tabung pelepasan dipasang dengan resin epoksi, dan cermin dipasang di luar. Hal ini menyebabkan helium berdifusi melalui perekat dan uap air memasuki laser. Saat ini, jendela ini diikat dengan pengelasan langsung dari logam ke kaca, yang mengurangi kebocoran helium menjadi sekitar 1 Pa per tahun. Dalam kasus laser kecil yang diproduksi secara massal, lapisan cermin diterapkan langsung ke jendela keluaran, yang sangat menyederhanakan seluruh desain.

Properti Balok

Untuk memilih arah polarisasi, lampu pelepasan gas dilengkapi dengan dua jendela yang disusun miring atau, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, pelat Brewster dimasukkan ke dalam resonator. Reflektivitas pada permukaan optik menghilang jika cahaya datang pada apa yang disebut sudut Brewster dan terpolarisasi sejajar dengan bidang datang. Jadi, radiasi dengan arah polarisasi ini lewat tanpa kehilangan melalui jendela Brewster. Pada saat yang sama, reflektifitas komponen terpolarisasi tegak lurus terhadap bidang datang cukup tinggi dan ditekan dalam laser.

Rasio (derajat) polarisasi (rasio daya dalam arah polarisasi dengan daya yang tegak lurus terhadap arah ini) adalah 1000:1 untuk sistem komersial konvensional. Ketika laser beroperasi tanpa pelat Brewster dengan cermin internal, radiasi tidak terpolarisasi dihasilkan.

Laser biasanya menghasilkan dalam mode TEM00 melintang (mode urutan terendah), dan beberapa mode longitudinal (aksial) terbentuk sekaligus. Ketika jarak antara cermin (panjang resonator laser) L = 30 cm, interval frekuensi intermode adalah ` = c/2L = 500 MHz. Frekuensi pusat berada pada level 4,7 1014 Hz. Karena penguatan cahaya dapat terjadi dalam rentang = 1500 MHz (lebar Doppler), tiga frekuensi berbeda dipancarkan pada L = 30CM: /Δ `= 3. Saat menggunakan jarak yang lebih kecil antara cermin (<= 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.

Laser helium-neon sekitar 10 mW sering digunakan dalam interferometri atau holografi. Panjang koherensi laser yang diproduksi secara massal tersebut adalah dari 20 hingga 30 cm, yang cukup memadai untuk holografi objek kecil. Panjang koherensi yang lebih besar diperoleh dengan menggunakan elemen selektif frekuensi serial.

Ketika jarak optik antara cermin berubah sebagai akibat dari efek termal atau lainnya, frekuensi alami aksial resonator laser digeser. Dengan pembangkitan frekuensi tunggal, frekuensi radiasi yang stabil tidak diperoleh di sini - ia bergerak tak terkendali dalam kisaran lebar garis 1500 MHz. Dengan kontrol elektronik tambahan, stabilisasi frekuensi dapat dicapai hanya di tengah saluran (sistem komersial dapat memiliki stabilitas frekuensi beberapa MHz). Di laboratorium penelitian, kadang-kadang dimungkinkan untuk menstabilkan laser helium-neon ke kisaran kurang dari 1 Hz.

Dengan menggunakan cermin yang sesuai, garis yang berbeda dari Tabel 4.2 dapat dieksitasi untuk menghasilkan sinar laser. Garis tampak yang paling umum digunakan adalah sekitar 633 nm dengan kekuatan khas beberapa miliwatt. Setelah penekanan garis laser intens sekitar 633 nm, garis lain dalam rentang yang terlihat dapat muncul di resonator karena penggunaan cermin atau prisma selektif (lihat Tabel 2). Namun, daya keluaran saluran ini hanya 10% dari daya keluaran saluran berat atau bahkan kurang.

Laser neon helium komersial tersedia dalam berbagai panjang gelombang. Selain itu, ada juga laser yang menghasilkan banyak garis dan mampu memancarkan gelombang dengan banyak panjang gelombang dalam berbagai kombinasi. Dalam kasus laser He-Ne yang dapat disetel, diusulkan untuk memilih panjang gelombang yang diperlukan dengan memutar prisma.

Laser neon helium

Selain Shavlov, dua peneliti Bell Labs lainnya sedang mengerjakan masalah laser pada tahun 1958: Ali Javan dan John Sanders. Javan berasal dari Iran. Dia menerima gelar PhD pada tahun 1954 di bawah Towns pada subjek radiospektroskopi. Dia tetap bersama kelompok Towns selama empat tahun, mengerjakan spektroskopi radio dan maser. Setelah mempertahankan disertasinya, ketika Tau sedang tidak cuti di Paris dan Tokyo, Javan menjadi lebih terlibat dalam maser dan muncul dengan ide maser tiga tingkat sebelum kelompok Bell Labs menerbitkan karya eksperimental tentang topik tersebut. Dia menemukan sebuah metode untuk mendapatkan pertambahan populasi yang tidak dapat dibalik, menggunakan khususnya efek Raman dalam sistem tiga tingkat, tetapi dia mempublikasikan hasilnya lebih lambat dari grup Bell.

Pada bulan April 1958, ketika dia sedang mencari pekerjaan di Bell Labs, dia berbicara dengan Shavlov, yang memberitahunya tentang laser. Pada bulan Agustus 1958 ia diterima di Bell Labs, dan pada bulan Oktober memulai penelitian sistematis tentang laser. Awalnya, dia mengalami kesulitan etika di sana. RCA sebelumnya telah memeriksa catatannya tentang maser tiga tingkat dan menentukan bahwa tanggalnya mendahului orang-orang dari kelompok Bell. RCA membayarnya $1.000 untuk hak paten, dan memulai perselisihan dengan Bell, di mana Javan sudah bekerja. Selama sekitar enam bulan Javan berurusan dengan pengacara dari RCA dan Bell Labs. Untungnya, RCA melakukan riset pasar dan, yakin bahwa penguat maser ini tidak menguntungkan, membatalkan bisnisnya, menyerahkan paten kepada Bell Labs.

Jadi, Javan bisa mengabdikan dirinya sepenuhnya untuk laser. Dia berpikir untuk membangunnya menggunakan gas, dan menerbitkan rancangan yang diusulkannya dalam Physical Review Letters pada tahun 1959. Dia memutuskan untuk menggunakan gas sebagai media aktif, karena dia percaya bahwa zat sederhana ini akan memudahkan penelitian. Namun, dia berpikir bahwa tidak mungkin menggunakan lampu yang kuat untuk memompa atom secara langsung ke keadaan tereksitasi, dan mempertimbangkan eksitasi baik dengan tumbukan langsung dengan elektron dalam media neon murni, atau dengan tumbukan jenis kedua. Dalam kasus terakhir, tabung pelepasan diisi dengan dua gas, yang dipilih sehingga atom-atom gas pertama, yang tereksitasi oleh tumbukan dengan elektron dalam pelepasan listrik, dapat mentransfer energinya ke atom-atom gas kedua, menariknya. . Beberapa campuran gas memiliki struktur tingkat energi yang memenuhi kondisi ini. Faktanya, tingkat energi gas kedua harus memiliki energi yang hampir sama dengan energi eksitasi gas pertama. Dari kemungkinan kombinasi gas, Javan memilih kombinasi helium dan neon, yang kadarnya ditunjukkan pada Gambar. 54. Dia percaya bahwa setiap proses fisik cenderung menetapkan distribusi energi Boltzmann di atas tingkat (yaitu, populasi tingkat yang lebih rendah lebih besar daripada populasi tingkat atas). Oleh karena itu, media dengan populasi terbalik dapat diperoleh dalam proses stasioner hanya sebagai hasil dari kompetisi berbagai proses fisik yang berlangsung pada tingkat yang berbeda.

Hal ini dapat dipahami dengan lebih baik dengan melihat pohon dengan cabang (dua di Gambar 55) di mana monyet duduk. Pertimbangkan terlebih dahulu populasi menurut statistik Boltzmann, yaitu, katakanlah, empat monyet duduk di cabang atas (1), lima di bawah (2), dan enam di tanah (3, tingkat utama). Dari ketiga level ini, yang utama adalah yang paling banyak penduduknya, dan semakin tinggi levelnya, semakin sedikit penduduknya. Namun, monyet tidak duduk diam, tetapi melompat ke dahan (misalnya, kita dapat mengasumsikan bahwa ini terjadi setiap menit). Dalam hal ini, populasi pada tingkat-tingkat tersebut tetap sama dalam waktu (situasi ekuilibrium). Misalkan sekarang kita terus mengisi cabang dengan kecepatan yang sama (satu monyet per menit), tetapi pada saat yang sama kita membasahi cabang 2 dan membuatnya licin. Sekarang monyet-monyet itu tidak bisa bertahan lebih dari, katakanlah, 10 detik. Oleh karena itu, cabang ini menyebar dengan cepat, dan segera ada lebih banyak monyet di cabang 1 daripada di cabang 2. Jadi, populasi terbalik diperoleh karena fakta bahwa waktu tinggal monyet di cabang yang berbeda berbeda. Meskipun ini adalah pertimbangan yang sangat primitif, mereka membantu untuk memahami pertimbangan Javan.

Pemilihan campuran helium-neon melalui seleksi yang cermat untuk mendapatkan sistem yang menjanjikan lingkungan yang optimal, dan hanya keberhasilan berikutnya yang membawa kepercayaan penuh posteriori pada Javan. Bahkan setelah dia yakin bahwa helium-neon adalah campuran terbaik, ada banyak skeptis yang mengatakan kepadanya bahwa pelepasan gas terlalu kacau. Terlalu banyak ketidakpastian, kata mereka, dan usahanya seperti berburu angsa liar.

Beras. 54. Tingkat energi helium (He) dan (Ne). Transisi laser utama ditampilkan

Gbr.55. Monyet-monyet di rumput didistribusikan menurut statistik Boltzmann. Ada lebih banyak dari mereka di tanah, dan jumlahnya berkurang dengan ketinggian cabang.

Javan menghabiskan banyak uang, tetapi, untungnya, sistemnya berfungsi, jika tidak, administrasi siap untuk menutup proyek dan menghentikan eksperimen. Pada akhir proyek, dua juta dolar telah dihabiskan untuk penelitian ini. Meskipun jumlah ini tampaknya berlebihan, proyek ini tidak diragukan lagi membutuhkan biaya yang signifikan.

Sementara itu, John Sanders, fisikawan eksperimental di Universitas Oxford, diundang ke Bell Labs untuk mencoba menerapkan laser inframerah. Selama kurang dari satu tahun yang dialokasikan untuk penelitian ini, Sanders tidak membuang waktu untuk studi teoritis, tetapi segera memutuskan untuk membangkitkan helium murni dalam tabung pelepasan dengan resonator Fabry-Perot di dalamnya. Dia mencoba untuk mendapatkan efek laser melalui trial and error, memvariasikan parameter debit. Jarak maksimum di mana cermin dapat dipasang sambil tetap sejajar satu sama lain adalah 15 cm. Sanders tidak menggunakan tabung pelepasan yang lebih panjang. Javan menganggap ini sebagai batasan mendasar. Dia berasumsi bahwa keuntungan dalam gas sangat kecil dan resonator Sanders tidak akan bekerja. Tabung yang digunakan Javan jauh lebih panjang, dan karena sangat sulit untuk menyesuaikan cermin Fabry-Perot pada jarak seperti itu, ia memutuskan untuk terlebih dahulu menentukan parameter yang diperlukan untuk perangkat yang berfungsi, dan kemudian mencoba menyesuaikan cermin dengan percobaan dan kesalahan. Begitulah cara dia bekerja. Tanpa semua pekerjaan awal dalam memilih mode He-Ne untuk mendapatkan keuntungan yang diketahui, mustahil untuk berhasil.

Sanders mengirim surat ke Physical Review Letters yang menyatakan bahwa sulit untuk mendapatkan cukup atom tereksitasi dengan lampu flash dan menyarankan menggunakan eksitasi yang dihasilkan oleh tumbukan elektron. Eksitasi seperti itu dapat dengan mudah dilakukan dengan pelepasan listrik dalam gas atau uap. Inversi populasi dapat diperoleh jika bahan aktif mengandung keadaan tereksitasi dengan masa hidup yang panjang, serta keadaan dengan energi yang lebih rendah dan masa hidup yang pendek (seperti yang kita pertimbangkan dalam contoh monyet).

Segera setelah artikel ini, dalam edisi yang sama dari Physical Review Letters, A. Javan menerbitkan artikelnya di mana dia juga mempertimbangkan masalah-masalah ini, dan di antara skema-skema lainnya dia mengusulkan satu skema yang sangat orisinal. Pertimbangkan keadaan berumur panjang dalam gas. Dalam kondisi debit, keadaan ini dapat diisi dengan tepat karena umurnya yang panjang. Jika keadaan tereksitasi sekarang dari gas kedua memiliki energi yang sangat dekat dengan keadaan berumur panjang ini, maka sangat mungkin bahwa dalam tumbukan energi akan ditransfer dari atom pertama ke atom kedua, yang akan menjadi tereksitasi. Jika atom ini memiliki tingkat energi lain yang lebih rendah, maka mereka akan tetap tidak tereksitasi dan dengan demikian mungkin ada populasi terbalik antara keadaan energi tinggi sehubungan dengan keadaan energi yang lebih rendah. Dalam karyanya, Javan menyebutkan campuran kripton dan merkuri, serta campuran helium dan neon. Karya ini diterbitkan dalam Physical Review Letters 3 Juni 1959.

Javan bekerja sama dengan William R. Bennett, Jr., seorang spektroskopi Universitas Yale yang merupakan teman Javan di Columbia. Mereka bekerja sampai larut malam selama satu tahun penuh. Pada musim gugur 1959, Javan meminta Donald R. Herriot, seorang teknisi optik di Bell Labs, untuk membantu proyek tersebut. Salah satu masalah mendasar adalah menyediakan tabung pelepasan dengan dua jendela transparan dengan kualitas optik yang sangat tinggi agar tidak mendistorsi sinar keluaran. Itu juga diperlukan untuk memasang cermin resonator. Skema dikembangkan (Gbr. 56) dengan cermin di dalam tabung pelepasan, dilengkapi dengan perangkat khusus dengan sekrup mikrometri, yang memungkinkan untuk menyempurnakan cermin di sudut. Pada bulan September 1959, Bennett pindah dari Yale ke Bell Labs dan, bersama dengan Javan, memulai program penelitian intensif dan menyeluruh, menghitung dan mengukur sifat spektroskopi campuran helium-neon dalam berbagai kondisi, untuk menentukan faktor-faktor yang menentukan produksi inversi. Mereka menemukan bahwa dalam kondisi terbaik, hanya keuntungan yang sangat kecil, pada urutan 1,5%, yang dapat diperoleh. Gain rendah ini membuatnya mutlak diperlukan untuk meminimalkan kerugian dan menggunakan cermin dengan reflektifitas setinggi mungkin. Cermin semacam itu diperoleh dengan meletakkan pada permukaan transparan (kaca) banyak lapisan bahan dielektrik (transparan) yang sesuai dengan indeks bias yang berbeda. Koefisien refleksi yang tinggi diperoleh karena interferensi multipath dengan refleksi pada batas antar lapisan. Tiga peneliti mampu menggunakan cermin yang memiliki reflektansi 98,9% pada panjang gelombang 1,15 m.

Beras. 56. Diagram laser helium-neon yang dibuat oleh Javan, Bennett dan Heriott

Pada tahun 1960 Javan, Bennett dan Heriott akhirnya menguji laser mereka. Pertama, mereka mencoba melakukan pelepasan listrik dalam tabung kuarsa yang berisi campuran gas menggunakan magnetron yang kuat, tetapi tabung itu meleleh. Saya harus mengulang peralatan dan membuat perubahan. Pada 12 Desember 1960, mereka mulai mengerjakan organisasi tabung dan pelepasan baru. Mereka mencoba menyesuaikan cermin untuk mendapatkan penguat, tetapi tidak berhasil. Kemudian, pada siang hari, Heriott melihat sinyal: “Saya sedang memutar sekrup mikrometer di salah satu cermin, seperti biasa, ketika, tiba-tiba, sebuah sinyal muncul di osiloskop. Kami mengatur monokromator dan merekam puncak sinyal pada panjang gelombang 1,153 m, mis. pada panjang gelombang yang diharapkan. Laser pertama lahir, menggunakan gas sebagai media aktif, dan beroperasi dalam mode berkelanjutan! Radiasinya berada dalam kisaran inframerah dekat dan karenanya tidak terlihat oleh mata. Registrasi membutuhkan penerima yang sesuai yang terhubung ke osiloskop.

Dan enam bulan sebelumnya, Ed Ballick, seorang teknisi yang membantu, kemudian memperoleh gelar dari Universitas Oxford dan mengajar di Kanada, membeli sebotol anggur berusia seratus tahun. Itu dimaksudkan untuk momen khusyuk - pada kesempatan pengoperasian laser. Ketika eksperimen laser akhirnya membuahkan hasil, beberapa hari kemudian Javan memanggil kepala Bell Labs dan mengundangnya untuk memandikan acara itu dengan anggur seratus tahun. Dia sangat senang, tetapi kemudian berseru: “Sialan, Ali. Kami mempunyai masalah!". Ini terjadi di pagi hari, Javan, dan tidak mengerti apa masalahnya. Tetapi pada siang hari, sebuah surat edaran diedarkan di sekitar laboratorium, mengklarifikasi yang sebelumnya, dikeluarkan beberapa bulan sebelumnya, dan melarang minum alkohol di wilayah pusat ilmiah. Klarifikasi tersebut melarang minum alkohol apa pun yang berusia di bawah 100 tahun. Setelah itu, mereka mengangkat kacamata mereka untuk sukses tanpa melanggar aturan!

Laser pertama dioperasikan pada transisi 1,15 m, dalam kisaran inframerah-dekat. Javan menggunakan cermin yang memiliki refleksi maksimum pada panjang gelombang ini, yang sesuai dengan salah satu kemungkinan transisi neon. Dia tahu bahwa ada kemungkinan panjang gelombang lain. Dia memilih panjang gelombang ini karena penelitiannya menunjukkan bahwa keuntungan terbesar dapat diharapkan darinya. Untuk menggunakan transisi di wilayah yang terlihat, diperlukan tabung dengan diameter kecil sehingga tidak mungkin untuk menyesuaikan cermin datar yang digunakan untuk resonator Fabry-Perot pada waktu itu.

Dalam laser Javan, tabung pelepasan berisi neon dan helium pada tekanan masing-masing 0,1 dan 1 Torr (1 Torr hampir seperseribu tekanan satu atmosfer). Tabung kuarsa leburan panjangnya 80 cm dan diameter 1,5 cm, di setiap ujungnya terdapat rongga logam yang berisi cermin datar reflektif tinggi. Lengan fleksibel (bellow) digunakan, yang memungkinkan untuk menyesuaikan (dengan kemiringan yang tepat) cermin Fabry-Perot dengan sekrup mikrometer. Ini memungkinkan untuk memastikan paralelisme dengan akurasi 6 detik busur. Di ujungnya ada jendela kaca datar dengan permukaan yang dipoles dengan akurasi lebih baik dari 100 A. Mereka memungkinkan untuk memancarkan sinar radiasi tanpa distorsi. Pelepasan listrik dieksitasi dengan elektroda luar menggunakan osilator 28 MHz dengan daya 50 watt. Cermin dengan refleksi tinggi diperoleh dengan pengendapan 13 lapisan bahan dielektrik (MgF 2 , ZnS). Antara 1,1 dan 1,2 m, reflektansinya adalah 98,9%. Laser beroperasi terus menerus dan merupakan laser pertama dari jenis ini.

Mengikuti contoh Hughes, Bell Labs juga memberikan demonstrasi publik tentang laser helium-neon pada 14 Desember 1960. Untuk menunjukkan pentingnya komunikasi, percakapan telepon ditransmisikan menggunakan sinar radiasi laser yang dimodulasi oleh telepon. sinyal.

Laser ini dikenal sebagai laser He-Ne, menggunakan simbol kimia dari komponennya untuk namanya. Itu disajikan kepada pers pada 31 Januari 1961. Sebuah makalah yang menjelaskannya diterbitkan pada 30 Desember 1960 di Physical Review Letters.

Ketika Javan melakukan eksperimen pada musim semi tahun 1960, dua peneliti Bell Labs, A. Fox dan T. Lee, mulai mempelajari pertanyaan tentang mode apa yang ada di resonator Fabry-Perot. Faktanya adalah bahwa resonator Fabry-Perot sangat berbeda dari resonator gelombang mikro dalam bentuk rongga tertutup. Mereka menentukan bentuk mode ini, dan hasilnya mendorong peneliti Bell Labs lainnya, Gary D. Bond, James Gordon, dan Herwig Kogelnik, untuk menemukan solusi analitis dalam kasus cermin bola. Pentingnya studi rongga optik untuk pengembangan laser gas tidak dapat diremehkan. Sebelum hasil ini diperoleh, laser gas, paling banter, merupakan perangkat marginal, yang pembangkitannya sangat bergantung pada penyelarasan cermin ujung. Studi teoretis resonator dengan cermin bulat telah menunjukkan bahwa mungkin ada konfigurasi yang relatif lemah bergantung pada pelurusan cermin, dan kerugian internal dalam resonator bisa lebih kecil daripada di resonator dengan cermin datar. Hal ini memungkinkan penggunaan media aktif dengan keuntungan yang jauh lebih rendah daripada yang diperkirakan sebelumnya. Resonator dengan cermin datar praktis ditinggalkan, dan semua penemuan laser gas baru dibuat menggunakan resonator dengan cermin bulat.

Pada tahun 1961, program penelitian laser besar dimulai di Bell Labs. Peneliti yang sibuk dengan masalah lain diorientasikan kembali ke topik baru, karyawan baru dipekerjakan. Keputusan untuk menggunakan dua cermin bulat identik di resonator yang terletak di fokus mereka (konfigurasi ini disebut resonator confocal) menunjukkan kesulitan apa yang bisa dihindari Javan jika dia menggunakan resonator seperti itu. Akibatnya, William W. Rygrod, Herwig Kogelnik, Donald R. Heriott, dan D. J. Brangacio dibangun pada musim semi tahun 1962 resonator confocal pertama dengan cermin bola yang memusatkan cahaya ke sumbu tabung pelepasan, cermin ini ditempatkan di luar tabung. Hal ini memungkinkan untuk memperoleh pembangkitan pada garis merah 6328 A. Sebagian cahaya pasti hilang dalam pantulan dari permukaan jendela (pantulan Fresnel). Kerugian ini, bagaimanapun, dapat dihindari dengan memiringkan jendela pada sudut tertentu, yang disebut sudut Brewster. Dalam hal ini, untuk cahaya polarisasi tertentu, kerugian praktis nol. Konfigurasi laser baru ini ditunjukkan pada Gambar. 57.

Beras. 57. Resonator optik confocal. Tabung di mana gas tereksitasi oleh pelepasan listrik ditutup dengan jendela miring pada sudut Brewster. Cermin cekung dengan jari-jari kelengkungan yang sama ditempatkan di belakang tabung sehingga jarak antara keduanya sama dengan jari-jari kelengkungan

Laser He-Ne merah telah digunakan secara luas, dan masih digunakan, khususnya, dalam pengobatan. Selain itu, sangat membantu untuk memahami perbedaan mendasar antara laser (sangat koheren) dan cahaya biasa (tidak koheren). Dengan laser ini, fenomena interferensi mudah diamati, serta struktur mode sinar laser, yang dengan mudah dan jelas diubah dengan sedikit kemiringan cermin resonator. Pengembangan berbagai jenis laser lainnya juga dirangsang.

Laser He-Ne modern dapat menghasilkan salah satu dari beberapa transisi yang ditunjukkan pada Gambar. 54. Untuk melakukan ini, cermin multilayer dibuat dengan refleksi maksimum pada panjang gelombang yang diinginkan. Generasi diperoleh pada panjang gelombang 3,39 m, 1,153 m, 6328 A°, dan bahkan ketika menggunakan cermin khusus, pada panjang gelombang 5433 A (garis hijau), 5941 A° (garis kuning), 6120 A° (garis oranye).

Dari buku penulis

Laser solid-state kedua Pada bulan September 1959, Townes menyelenggarakan konferensi tentang "Elektronik Quantum - Fenomena Resonansi" di mana, meskipun laser belum dibuat, sebagian besar diskusi informal berfokus pada laser.Konferensi ini dihadiri oleh Peter

Dari buku penulis

Laser cesium 1961 adalah tahun implementasi dua laser lagi, di mana para spesialis telah bekerja sejak awal konsep laser. Salah satunya adalah laser cesium. Setelah Townes dan Shavlov menulis makalah mereka, diputuskan bahwa Townes akan mencoba membuat laser.

Dari buku penulis

Laser neodymium Laser lain, diluncurkan pada tahun 1961 dan masih menjadi salah satu yang utama, adalah laser kaca neodymium. Pada tahun 1959-1960. Perusahaan Optik Amerika juga menjadi tertarik pada penelitian laser, yang dilakukan oleh salah satu ilmuwannya, Elias Snitzer. Ini

Dari buku penulis

Apakah laser ada di alam? Jawabannya sepertinya ya! Radiasi laser dengan panjang gelombang sekitar 10 m (garis emisi karbon dioksida khas, yang mengoperasikan laser CO2 daya tinggi, yang banyak digunakan, khususnya untuk pemesinan material)

Dari buku penulis

Lab Laser dan Lonceng Bulan menggunakan salah satu laser pertama untuk mempelajari topografi permukaan Bulan. Selama ekspedisi Apollo 11, yang dikirim ke Bulan pada 21 Juli 1969, para astronot memasang dua reflektor sudut di permukaannya yang mampu memantulkan sinar laser,

Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mempelajari karakteristik dan parameter utama dari laser gas, di mana campuran gas helium dan neon digunakan sebagai zat aktif.

3.1. Prinsip pengoperasian laser helium-neon

Laser neon helium adalah laser gas yang khas dan paling umum. Itu milik laser gas atom dan media aktifnya adalah campuran atom netral (tidak terionisasi) dari gas inert - helium dan neon. Neon adalah gas yang bekerja, dan transisi terjadi antara tingkat energinya dengan emisi radiasi elektromagnetik yang koheren. Helium memainkan peran sebagai gas tambahan dan berkontribusi pada eksitasi neon dan penciptaan inversi populasi di dalamnya.

Untuk memulai generasi di laser apa pun, dua kondisi penting harus dipenuhi:

1. Harus ada inversi populasi antara level laser yang bekerja.

2. Keuntungan dalam media aktif harus melebihi semua kerugian dalam laser, termasuk kerugian "berguna" untuk keluaran radiasi.

Jika sistem memiliki dua level E 1 dan E 2 dengan jumlah partikel masing-masing N 1 dan N 2 dan tingkat degenerasi g 1 dan g 2 , maka inversi populasi akan terjadi ketika populasi N 2 /g 2 tingkat atas E 2 akan ada lebih banyak populasi N 1 /g 1 tingkat lebih rendah E 1 , yaitu derajat inversi N akan positif:

Jika tingkat E 1 dan E 2 tidak mengalami degenerasi, maka untuk terjadinya inversi diperlukan jumlah partikel N 2 di tingkat atas E 2 lebih dari jumlah partikel N 1 di tingkat bawah E satu . Tingkat antara pembentukan inversi populasi dan terjadinya transisi paksa dengan emisi radiasi elektromagnetik yang koheren disebut tingkat laser yang berfungsi.

Status inversi populasi dibuat menggunakan pemompaan– eksitasi atom gas dengan berbagai metode. Karena energi dari sumber eksternal, yang disebut sumber pompa, atom Ne dari tingkat energi dasar E 0 , sesuai dengan keadaan kesetimbangan termodinamika, masuk ke keadaan tereksitasi Ne*. Transisi dapat terjadi pada tingkat energi yang berbeda tergantung pada intensitas pompa. Lalu ada transisi spontan atau paksa ke tingkat energi yang lebih rendah.

Dalam kebanyakan kasus, tidak perlu mempertimbangkan semua kemungkinan transisi antara semua keadaan dalam sistem. Ini memungkinkan untuk berbicara tentang skema operasi laser dua, tiga, dan empat tingkat. Jenis skema operasi laser ditentukan oleh sifat-sifat media aktif, serta oleh metode pemompaan yang digunakan.

Laser helium-neon beroperasi dalam skema tiga tingkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3.1. Dalam hal ini, saluran untuk memompa dan menghasilkan radiasi dipisahkan sebagian. Memompa zat aktif menyebabkan transisi dari permukaan tanah E 0 ke tingkat bersemangat E 2 , yang mengarah pada munculnya inversi populasi antara tingkat kerja E 2 dan E satu . Medium aktif yang berada dalam keadaan inversi populasi dari tingkat kerja, mampu memperkuat radiasi elektromagnetik dengan frekuensi
karena proses emisi terstimulasi.

Beras. 3.1. Diagram tingkat energi gas kerja dan tambahan, menjelaskan pengoperasian laser helium-neon

Karena pelebaran tingkat energi dalam gas kecil dan tidak ada pita serapan yang luas, sulit untuk mendapatkan populasi terbalik menggunakan radiasi optik. Namun, metode pemompaan lain dimungkinkan dalam gas: eksitasi elektronik langsung dan transfer energi resonansi pada tumbukan atom. Eksitasi atom pada tumbukan dengan elektron paling mudah dilakukan dalam pelepasan listrik, di mana elektron dipercepat oleh medan listrik. dapat memperoleh energi kinetik yang signifikan. Dalam tumbukan inelastis elektron dengan atom, atom yang terakhir masuk ke keadaan tereksitasi E 2:

Adalah penting bahwa proses (3.4) memiliki karakter resonansi: kemungkinan transfer energi akan maksimum jika keadaan energi tereksitasi dari atom yang berbeda bertepatan, yaitu dalam resonansi.

Tingkat energi He dan Ne dan transisi kerja utama ditunjukkan secara rinci pada Gambar. 1. 3.2. Transisi yang sesuai dengan interaksi inelastis atom gas dengan elektron cepat (3.2) dan (3.3) ditunjukkan oleh panah putus-putus ke atas. Akibat tumbukan elektron, atom helium tereksitasi ke tingkat 2 1 S 0 dan 2 3 S 1, yang metastabil. Transisi radiasi dalam helium ke keadaan dasar 1 S 0 dilarang oleh aturan seleksi. Ketika atom He yang tereksitasi bertabrakan dengan atom Ne pada keadaan dasar 1 S 0 , transfer eksitasi (3.4) dimungkinkan, dan neon berpindah ke salah satu level 2S atau 3S. Dalam hal ini, kondisi resonansi terpenuhi, karena celah energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi dalam gas bantu dan gas kerja berdekatan satu sama lain.

Transisi radiasi dapat terjadi dari tingkat neon 2S dan 3S ke tingkat 2P dan 3P. Tingkat P lebih sedikit penduduknya daripada tingkat S atas, karena tidak ada transfer energi langsung dari atom He ke tingkat ini. Selain itu, level P memiliki masa hidup yang pendek, dan transisi nonradiatif P → 1S mengosongkan level P. Jadi, situasi (3.1) muncul ketika populasi level atas S lebih tinggi daripada populasi level bawah P, yaitu, antara level S dan P ada inversi populasi, yang berarti bahwa transisi di antara mereka dapat digunakan untuk pembangkitan laser.

Karena jumlah level S dan P besar, satu set besar transisi kuantum yang berbeda di antara mereka dimungkinkan. Secara khusus, dari empat level 2S hingga sepuluh level 2P, 30 transisi berbeda diizinkan oleh aturan pemilihan, yang sebagian besar menghasilkan generasi. Garis emisi terkuat selama transisi 2S → 2P adalah garis 1,1523 m (wilayah spektrum inframerah). Untuk transisi 3S→2Р, garis yang paling signifikan adalah 0,6328 m (wilayah merah), dan untuk 3S→3Р – 3,3913 m (wilayah IR). Emisi spontan terjadi pada semua panjang gelombang yang terdaftar.

Beras. 3.2. Tingkat energi atom helium dan neon dan skema operasi laser He-Ne

Seperti disebutkan sebelumnya, setelah transisi radiasi ke level P, peluruhan radiasi nonradiatif terjadi selama transisi P → 1S. Sayangnya, tingkat neon 1S metastabil, dan jika campuran gas tidak mengandung kotoran lain, maka satu-satunya cara untuk transisi atom neon ke keadaan dasar dari tingkat 1S adalah dengan tumbukan dengan dinding bejana. Untuk alasan ini, penguatan sistem meningkat seiring dengan penurunan diameter tabung pelepasan. Karena keadaan 1S neon perlahan-lahan habis, atom Ne dipertahankan dalam keadaan ini, yang sangat tidak diinginkan dan menentukan sejumlah fitur laser ini. Secara khusus, karena arus pompa meningkat di atas nilai ambang batas j kemudian ada peningkatan yang cepat, dan kemudian saturasi dan bahkan penurunan kekuatan radiasi laser, yang justru disebabkan oleh akumulasi partikel yang bekerja pada tingkat 1S dan kemudian transfernya ke keadaan 2P atau 3P saat bertabrakan dengan elektron. Hal ini membuat tidak mungkin untuk mendapatkan kekuatan radiasi keluaran tinggi.

Terjadinya populasi terbalik tergantung pada tekanan He dan Ne dalam campuran dan pada suhu elektron. Nilai tekanan gas yang optimal adalah 133 Pa untuk He dan 13 Pa untuk Ne. Suhu elektron diberikan oleh tegangan yang diberikan pada campuran gas. Biasanya tegangan ini dipertahankan pada level 2…3 kV.

Untuk mendapatkan generasi laser, perlu ada umpan balik positif di laser, jika tidak, perangkat hanya akan berfungsi sebagai penguat. Untuk melakukan ini, media gas aktif ditempatkan dalam resonator optik. Selain menciptakan umpan balik, resonator digunakan untuk memilih jenis osilasi dan memilih panjang gelombang pembangkitan, yang digunakan cermin selektif khusus.

Pada level pompa yang mendekati ambang batas, menguatkan satu jenis osilasi relatif mudah. Dengan peningkatan tingkat eksitasi, jika tidak ada tindakan khusus yang diambil, sejumlah mode lain muncul. Dalam hal ini, pembangkitan terjadi pada frekuensi yang dekat dengan frekuensi resonansi resonator, yang terkandung dalam lebar garis atom. Dalam kasus jenis getaran aksial (TEM 00 -mode), jarak frekuensi antara maxima . yang berdekatan
, di mana L adalah panjang resonator. Sebagai hasil dari kehadiran simultan dari beberapa mode, ketukan dan ketidakhomogenan muncul dalam spektrum emisi. Jika hanya mode aksial yang ada, maka spektrum akan menjadi garis yang terpisah, jarak antara yang akan sama dengan c / 2L. Tetapi juga dimungkinkan untuk membangkitkan jenis osilasi non-aksial dalam resonator, misalnya, mode TEM 10, yang keberadaannya sangat tergantung pada penyetelan cermin. Oleh karena itu, garis satelit tambahan muncul dalam spektrum emisi, terletak secara simetris dalam frekuensi di kedua sisi jenis getaran aksial. Munculnya jenis osilasi baru dengan peningkatan level pompa mudah ditentukan dengan pengamatan visual struktur medan radiasi. Dimungkinkan juga untuk mengamati secara visual pengaruh penyelarasan resonator pada struktur mode radiasi yang koheren.

Gas lebih homogen daripada media kental. Oleh karena itu, berkas cahaya dalam gas kurang terdistorsi dan tersebar, dan radiasi laser helium-neon ditandai dengan stabilitas frekuensi yang baik dan directivity tinggi, yang mencapai batasnya karena fenomena difraksi. Batas Difraksi Divergensi untuk Resonator Confocal

di mana adalah panjang gelombang; d 0 adalah diameter berkas cahaya di bagian tersempit.

Radiasi laser helium-neon dicirikan oleh tingkat monokromatisitas dan koherensi yang tinggi. Lebar garis pancaran laser semacam itu jauh lebih sempit daripada lebar "alami" garis spektral dan banyak orde besarnya kurang dari tingkat resolusi spektrometer modern yang membatasi. Oleh karena itu, untuk menentukannya, spektrum ketukan dari berbagai mode dalam radiasi diukur. Selain itu, radiasi laser ini terpolarisasi bidang karena penggunaan jendela yang terletak pada sudut Brewster terhadap sumbu optik resonator.

Bukti koherensi radiasi dapat berupa pengamatan pola difraksi pada superimposisi radiasi yang diterima dari berbagai titik sumber. Misalnya, koherensi dapat diperkirakan dengan mengamati interferensi dari sistem slot ganda. Dari pengalaman Young diketahui bahwa untuk mengamati interferensi cahaya dari sumber "klasik" biasa, radiasi pertama-tama dilewatkan melalui satu celah, dan kemudian melalui dua celah, dan kemudian pinggiran interferensi terbentuk pada layar. Dalam kasus penggunaan radiasi laser, celah pertama ternyata tidak diperlukan. Keadaan ini sangat mendasar. Selain itu, jarak antara dua celah dan lebarnya dapat jauh lebih besar daripada dalam eksperimen klasik. Di jendela keluar laser gas, ada dua celah, yang jaraknya 2 sebuah. Dalam kasus ketika radiasi insiden koheren, pada layar yang terletak di kejauhan d dari celah tersebut akan terlihat pola interferensi. Dalam hal ini, jarak antara maxima (minimum) dari band

Laser gas yang paling umum adalah helium-neon ( Dia-Ne) laser (laser atom netral), yang beroperasi pada campuran helium dan neon dengan perbandingan 10:1. Laser ini juga merupakan laser kontinu pertama.

Pertimbangkan skema energi tingkat helium dan neon (Gbr. 3.4). Pembangkitan terjadi di antara tingkat neon, dan helium ditambahkan untuk melakukan proses pemompaan. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, level 2 3 S 1 dan 2 1 S 0 helium terletak, masing-masing, dekat dengan level 2 detik dan 3 detik bukan dia. Karena kadar helium 2 3 S 1 dan 2 1 S 0 bersifat metastabil, maka ketika atom helium tereksitasi metastabil bertabrakan dengan atom neon, akan terjadi transfer energi resonansi ke atom neon (tumbukan jenis kedua).

Jadi levelnya 2 detik dan 3 detik neon dapat diisi dan, oleh karena itu, generasi dapat melanjutkan dari level ini. Seumur hidup s-status ( t s»100 ns) masa pakai lebih lama R-status ( t p»10 ns), sehingga kondisi berikut dipenuhi agar laser dapat beroperasi sesuai dengan skema empat tingkat:

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

Pembuatan laser dimungkinkan di salah satu transisi sebuah, b, c sesuai dengan panjang gelombang aku=3,39 m, lb=0,633 m, aku=1,15 m, yang dapat diperoleh dengan memilih koefisien refleksi cermin resonator atau dengan memasukkan elemen dispersif ke dalam resonator.

Beras. 3.4. Skema tingkat energi helium dan neon.

Mari kita pertimbangkan karakteristik generasi laser semacam itu.

Gambar 3.5. Karakteristik generasi dari laser helium-neon.

Peningkatan awal daya keluaran dengan meningkatnya arus pompa dijelaskan oleh inversi populasi. Setelah daya maksimum tercapai, kurva mulai menurun dengan peningkatan lebih lanjut dalam arus pompa. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa level 2p dan 1s tidak punya waktu untuk bersantai; elektron tidak punya waktu untuk pergi ke tingkat energi yang rendah dan jumlah elektron di tingkat 2p dan 1s tetangga menjadi sama. Dalam hal ini, tidak ada inversi.

Efisiensi laser helium-neon berada di urutan 0,1%, yang dijelaskan oleh kepadatan volume yang rendah dari partikel yang tereksitasi. Daya keluaran khas Dia-Ne-laser P~5-50 mW, divergensi q~ 1 mr.

Laser argon

Ini adalah laser gelombang kontinu paling kuat di daerah spektrum ultraviolet yang terlihat dan dekat yang terkait dengan laser gas ion. Tingkat laser atas dalam gas kerja diisi karena dua tabrakan elektron berturut-turut selama pelepasan listrik. Pada tumbukan pertama, ion terbentuk dari atom netral, dan pada tumbukan kedua, ion-ion ini tereksitasi. Oleh karena itu, pemompaan adalah proses dua tahap, efisiensi masing-masing sebanding dengan kerapatan arus. Kepadatan arus yang cukup tinggi diperlukan untuk pemompaan yang efisien.

Diagram tingkat energi laser aktif Ar+ ditunjukkan pada gambar. 3.3. Emisi laser dalam garis antara 454,5 nm dan 528,7 nm terjadi ketika sekelompok level diisi 4p oleh eksitasi oleh dampak elektron dari tanah atau keadaan metastabil Ar + .

3,5 CO2 laser

Molekuler CO2-Laser adalah laser cw paling kuat di antara laser gas, karena efisiensi tertinggi dalam mengubah energi listrik menjadi energi radiasi (15-20%). Pembangkitan laser terjadi pada transisi vibrasi-rotasi dan garis pancaran laser ini berada di daerah inframerah jauh, yang terletak pada panjang gelombang 9,4 m dan 10,4 m.

PADA CO2 Laser menggunakan campuran gas CO2, N 2 dan Dia. Pemompaan dilakukan secara langsung selama tumbukan molekul CO2 dengan elektron dan molekul yang tereksitasi secara vibrasi N 2. Konduktivitas termal yang tinggi dari He dalam campuran mendorong pendinginan CO2, yang mengarah pada penipisan tingkat laser yang lebih rendah yang dihuni sebagai akibat dari eksitasi termal. Jadi kehadirannya N 2 dalam campuran berkontribusi pada tingginya populasi tingkat laser atas, dan kehadiran Dia– penipisan tingkat yang lebih rendah, dan sebagai hasilnya, bersama-sama mereka mengarah pada peningkatan inversi populasi. Diagram tingkat energi CO2-laser ditunjukkan pada Gambar. 3.4. Generasi laser dilakukan selama transisi antara keadaan vibrasi molekul CO 2 n 3 Juni 1 atau n 3 Juni 2 dengan perubahan keadaan rotasi.

Beras. 3.4. Diagram tingkat energi N 2 dan CO2 di CO2-laser.

CO2 Laser dapat beroperasi dalam mode kontinu dan mode berdenyut. Dalam mode kontinu, daya keluarannya dapat mencapai beberapa kilowatt.