ガスレーザー。 ヘリウムネオンレーザー

ヘリウム ネオン レーザーは、ダイオードまたは半導体と共に、スペクトルの可視領域で最も一般的に使用され、最も手頃な価格のレーザーの 1 つです。 この種のレーザー システムの出力は、主に商用目的で使用され、1 mW から数十 mW の範囲です。 特に人気があるのは、1 mW 程度の出力の低い He-Ne レーザーで、主に引用デバイスとして使用されるだけでなく、測定技術の分野で他の問題を解決するためにも使用されます。 赤外線と赤色の範囲では、ヘリウム ネオン レーザーはますますダイオード レーザーに置き換えられています。 He-Ne レーザーは、適切な選択ミラーのおかげで、赤線に加えてオレンジ、黄、緑の線を放出できます。

エネルギー準位図

He-Ne レーザーの機能にとって最も重要なヘリウムとネオンのエネルギー準位を図 1 と 2 に示します。 1. レーザー遷移はネオン原子で発生し、最も強い線は波長 633、1153、および 3391 の遷移から生じます (表 1 を参照)。

基底状態のネオンの電子配置は次のようになります: 1s22s22p6 ここで、最初の殻 (n = 1) と 2 番目の殻 (n = 2) はそれぞれ 2 個と 8 個の電子で満たされています。 図によると、より高い状態。 1 ここに 1s22s22p5 シェルがあり、3s、4s、5s、...、3p、4p などのスキームに従って発光 (光学) 電子が励起されるという事実の結果として発生します。 したがって、シェルとの接続を実行する1電子状態について話している. ネオンのエネルギー準位の LS スキーム (Russell-Saunders) では、1 電子状態 (たとえば 5s) が示され、結果として得られる総軌道運動量 L (= S、P、D ...) が示されます。 . S、P、D、…という表記で、下の指数は総軌道モーメント J を表し、上の指数は多重度 2S + 1 を表します。たとえば、5s1P1 です。 多くの場合、パッシェンによる純粋に現象学的な呼称が使用されます (図 1)。 この場合、励起された電子状態のサブレベルは、2 から 5 (s 状態の場合) および 1 から 10 (p 状態の場合) までカウントされます。

米。 1. He-Ne レーザーのエネルギー準位のスキーム。 ネオン レベルは、Pashen に従ってマークされます。つまり、3s2、3s3、3s4、3s5 などです。

表 1. He-Ne レーザーの強い線の遷移の表記

励起

ヘリウム-ネオン レーザーの活性媒体は混合ガスであり、放電によって必要なエネルギーが供給されます。 上位レーザー準位 (Paschen によると 2s と 2p) は、準安定ヘリウム原子 (23S1、21S0) との衝突に基づいて選択的に配置されます。 これらの衝突中、運動エネルギーの交換が発生するだけでなく、励起されたヘリウム原子からネオン原子へのエネルギーの移動も発生します。 このプロセスは、第 2 種の衝突と呼ばれます。

He* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)

アスタリスク (*) は励起状態を表します。 2s 準位の励起の場合のエネルギー差は、&DeltaE=0.05 eV です。 衝突では、既存の差が運動エネルギーに変換され、熱の形で分配されます。 3s レベルでは、同じ関係が発生します。 このようなヘリウムからネオンへの共鳴エネルギー移動は、反転分布を作成する主なポンピング プロセスです。 この場合、準安定状態 He の長い寿命は、レーザーの上位準位の集団の選択性に好影響を与えます。

He原子の励起は、電子の衝突に基づいて、直接またはより高い準位からの追加のカスケード遷移を介して発生します。 長寿命の準安定状態により、これらの状態のヘリウム原子の密度は非常に高くなります。 上位のレーザー レベル 2 および 3 は、電気ドップラー遷移の選択規則に従って、下位の p レベルにのみ通過できます。 レーザー放射の生成を成功させるには、s 状態の寿命 (レーザー レベルの上限) = 約 100 ns が p 状態の寿命 (レーザー レベルの下限) = 10 ns を超えることが非常に重要です。

波長

次に、図を使用して、最も重要なレーザー遷移をより詳細に検討します。 1 および表 1 のデータ。スペクトルの赤い領域 (0.63 μm) で最も有名な線は、3s2 → 2p4 遷移により表示されます。 下準位は、10 ns の間の自然放出の結果として 1 s 準位に分割されます (図 1)。 後者は、電気双極子放射による分裂に耐性があるため、自然寿命が長くなります。 したがって、原子はこの状態に集中しており、非常にポピュレートされていることがわかります。 ガス放電では、この状態の原子が電子と衝突し、2p 準位と 3s 準位が再び励起されます。 この場合、反転分布が減少し、レーザー出力が制限されます。 ヘリウム ネオン レーザーでは、主にガス放電管の壁との衝突によって ls 状態の枯渇が発生します。したがって、管の直径が大きくなるにつれて、ゲインが低下し、効率が低下します。 したがって、実際には、直径は約 1 mm に制限され、これが He-Ne レーザーの出力パワーを数十 mW に制限します。

レーザー遷移に関与する電子配置 2s、3s、2p、および 3p は、多数のサブレベルに分割されます。 これは、例えば、表 2 からわかるように、スペクトルの可視領域でのさらなる遷移につながります。とても高い。 レベル図 (図 1) は、上部レーザー レベルが基底状態よりも約 20 eV 高いことを示しています。 赤色レーザー放射のエネルギーはわずか 2 eV です。

表 2. He-Ne レーザーの波長 λ、出力、線幅 Δ ƒ (パッシェン遷移表記)

色	λ nm	遷移 （パシェンによると）	力 mW	Δ ƒ MHz	利得 %/月
赤外線	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
赤外線	1 523	2s2 → 2p1	1	625
赤外線	1 153	2s2 → 2p4	1	825
赤	640	3s2 → 2p2
赤	635	3s2 → 2p3
赤	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
赤	629	3s2 → 2p5
オレンジ	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
オレンジ	604	3s2 → 2p7
黄色	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
黄色	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

1.157 µm 付近の赤外線領域の放射は、遷移 2s → 2p によって発生します。 同じことが、約 1.512 µm のわずかに弱いラインにも当てはまります。 これらの赤外線ラインは両方とも、商用レーザーで使用されています。

3.391 μm の IR 範囲のラインの特徴は、高ゲインです。 弱い信号のゾーン、つまり弱い光信号が1回通過した場合、それは約20 dB / mです。 これは、長さ 1 メートルのレーザーの 100 倍に相当します。 上部レーザー レベルは、既知の赤色遷移 (0.63 μm) と同じです。 一方で、ゲインが高いのは、下位の 3p レベルでの寿命が極端に短いことが原因です。 一方、これは比較的長い波長によるものであり、したがって放射の周波数が低いためです。 通常、誘導放出と自然放出の比率は、低周波数 ƒ で増加します。 弱い信号 g の増幅は、原則として g ~ƒ2 に比例します。

選択元素がなければ、He-Ne レーザーは 3.39 µm ラインで発光し、0.63 µm の赤色領域では発光しません。 赤外線の励起は、選択的共振器ミラーまたはガス放電管のブリュースター ウィンドウでの吸収によって防止されます。 これにより、レーザー生成しきい値を 3.39 μm 放射に十分なレベルまで上げることができるため、ここでは弱い赤い線のみが表示されます。

デザイン

励起に必要な電子は、5 ～ 10 mA の電流で約 12 kV の電圧で使用できるガス放電 (図 2) で形成されます。 放電の典型的な長さは 10 cm 以上で、放電キャピラリーの直径は約 1 mm で、放射されるレーザー ビームの直径に対応します。 ガス放電管の直径が大きくなるにつれて、管壁との衝突が ls レベルを空にする必要があるため、効率が低下します。 最適な出力を得るために、全充填圧力 (p) が使用されます: p・D = 500 Pa・mm、ここで D はチューブの直径です。 He/Ne 混合物の比率は、目的のレーザー ラインによって異なります。 既知の赤い線の場合、He:Ne = 5:l、約 1.15 µm の赤外線線の場合、He:Ne=10:l です。 重要な側面は、電流密度の最適化でもあります。 この場合の励起プロセスはあまり効率的ではないため、633 nm ラインの効率は約 0.1% です。 ヘリウムネオンレーザーの耐用年数は約 20,000 時間です。

米。 2. mW 範囲の偏光放射に対する He-Ne レーザーの設計

この条件でのゲインは g=0.1 m-1 であり、反射率の高いミラーを使用する必要があります。 片側だけでレーザービームを出射するには、部分透過 (半透明) ミラー (たとえば、R = 98%) がそこに取り付けられ、反対側には可能な限り高い反射率 (~ 100%) を持つミラーが取り付けられます。 他の目に見える遷移のゲインははるかに小さくなります (表 2 を参照)。 商用目的では、これらのラインはミラーの助けを借りて近年のみ取得されており、損失が非常に少ないことが特徴です。

従来のヘリウムネオンレーザーでは、放電管の出力窓をエポキシ樹脂で固定し、ミラーを外側に取り付けていました。 これにより、ヘリウムが接着剤を通して拡散し、水蒸気がレーザーに入りました。 現在、これらの窓は、金属をガラスに直接溶接することで固定されており、ヘリウムの漏れは年間約 1 Pa に減少しています。 小型で大量生産されたレーザーの場合、ミラーコーティングは出力ウィンドウに直接適用されるため、設計全体が大幅に簡素化されます。

ビーム プロパティ

偏光方向を選択するために、ガス放電ランプには 2 つの斜めに配置された窓が装備されています。 図２では、ブリュースタープレートが共振器に挿入されている。 光学面の反射率は、光がいわゆるブリュースター角で入射し、入射面に平行に偏光されると消失します。 したがって、この偏光方向の放射は、ブリュースター ウィンドウを損失することなく通過します。 同時に、入射面に垂直に偏光された成分の反射率は非常に高く、レーザーで抑制されます。

偏光の比率（度）（偏光方向のパワーとこの方向に垂直なパワーの比率）は、従来の商用システムでは 1000:1 です。 内部ミラーを備えたブリュースタープレートを使用せずにレーザーを動作させると、偏光されていない放射が生成されます。

レーザーは通常、横 TEM00 モード (最低次モード) で発生し、いくつかの縦 (軸) モードが一度に形成されます。 ミラー間の距離 (レーザー共振器の長さ) L = 30 cm の場合、インターモード周波数間隔は Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz です。 中心周波数は 4.7 1014 Hz のレベルです。 光の増幅は Δ ƒ = 1500 MHz (ドップラー幅) の範囲内で発生する可能性があるため、3 つの異なる周波数が L = 30CM で放出されます: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. ミラー間の距離が小さい場合 (<= 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.

約 10 mW のヘリウム ネオン レーザーは、干渉法やホログラフィーでよく使用されます。 このような大量生産されたレーザーのコヒーレンス長は 20 ～ 30 cm で、小さな物体のホログラフィーには十分です。 シリアル周波数選択素子を使用することにより、より大きなコヒーレンス長が得られます。

ミラー間の光学的距離が熱またはその他の影響の結果として変化すると、レーザー共振器の軸固有周波数がシフトします。 単一周波数生成では、ここでは安定した放射周波数が得られません。1500 MHz の線幅範囲で制御不能に移動します。 電子制御を追加することで、ラインのちょうど中央で周波数安定化を実現できます (商用システムでは数 MHz の周波数安定性が得られます)。 研究所では、ヘリウムネオン レーザーを 1 Hz 未満の範囲に安定化できる場合があります。

適切なミラーを使用することで、表 4.2 のさまざまなラインを励起してレーザー光を生成できます。 最も一般的に使用される可視線は、通常数ミリワットの出力を持つ約 633 nm です。 約 633 nm の強いレーザー ラインを抑制した後、選択ミラーまたはプリズムを使用することにより、可視範囲の他のラインが共振器内に現れることがあります (表 2 を参照)。 ただし、これらのラインの出力電力は、太いラインの出力電力のわずか 10% またはそれ以下です。

市販のヘリウム ネオン レーザーは、さまざまな波長で利用できます。 それらに加えて、多くのラインで発生し、さまざまな組み合わせで多くの波長の波を放出できるレーザーもあります。 チューナブルHe-Neレーザーの場合、プリズムを回転させて必要な波長を選択することが提案されています。

ヘリウムネオンレーザー

Shavlov に加えて、他の 2 人のベル研究所の研究者が 1958 年にレーザーの問題に取り組んでいました。それは Ali Javan と John Sanders です。 Javan はイラン出身でした。 彼は 1954 年にラジオスペクトロスコピーの分野でタウンズの下で博士号を取得しました。 彼はタウンズのグループに 4 年間留まり、電波分光法とメーザーに取り組みました。 彼の論文を擁護した後、Tau がパリと東京でサバティカルを過ごしていなかったとき、Javan はよりメーザーに関与するようになり、Bell Labs グループがこのトピックに関する実験的研究を発表する前に、3 レベルのメーザーのアイデアを思いつきました。 彼は、特に 3 準位系でのラマン効果を使用して、反転のない人口増加を得る方法を発見しましたが、ベル グループより後に結果を発表しました。

1958 年 4 月、ベル研究所で仕事を探していたとき、彼はシャブロフと話し、シャブロフはレーザーについて教えてくれました。 1958 年 8 月にベル研究所に入学し、10 月にはレーザーに関する体系的な研究を開始しました。 当初、彼はそこで倫理的な問題を抱えていました。 RCA は以前に彼の 3 レベルのメーザーの記録を調査し、彼の日付がベル グループのものよりも古いと判断しました。 RCA は彼に特許権の対価として 1,000 ドルを支払い、Javan がすでに働いていた Bell との論争を開始しました。 約 6 か月間、Javan は RCA と Bell Labs の弁護士とやり取りしました。 幸いなことに、RCA はいくつかの市場調査を行い、このメーザー アンプは採算が合わないと確信し、事業を中止し、特許をベル研究所に任せました。

そのため、Javan は完全にレーザーに専念することができました。 彼はガスを使用してそれを構築することを考え、1959 年にフィジカル レビュー レターで提案された設計を発表しました。彼は、この単純な物質が研究を促進すると信じていたため、活性媒体としてガスを使用することに決めました。 しかし、強力なランプを使用して原子を励起状態に直接励起することは不可能であると考え、励起は純粋なネオン媒質内での電子との直接衝突、または第 2 種の衝突によるものと考えました。 後者の場合、放電管は 2 つのガスで満たされています。これらのガスは、放電中の電子との衝突によって励起された最初のガスの原子が、そのエネルギーを 2 番目のガスの原子に伝達し、それらを励起できるように選択されます。 . いくつかのガスの混合物は、これらの条件を満たすエネルギー準位構造を持っていました。 実際、第２のガスのエネルギー準位は、第１のガスの励起エネルギーと実質的に等しいエネルギーを有することが必要である。 考えられるガスの組み合わせから、Javan はヘリウムとネオンの組み合わせを選択しました。そのレベルは図 1 に示されています。 54. 彼は、どのような物理過程もレベルにわたってエネルギーのボルツマン分布を確立する傾向があると信じていました (つまり、下位レベルの人口は上位レベルの人口よりも多い)。 したがって、逆集団を持つ媒体は、さまざまな速度で進行するさまざまな物理プロセスの競合の結果としてのみ、定常プロセスで取得できます。

これは、サルが座っている枝のある木 (図 55 では 2 つ) を見ると、よりよく理解できます。 最初に、ボルツマン統計による個体数を考えます。つまり、4 匹のサルが上の枝 (1) に、5 匹が下の枝に (2)、6 匹が地面に座っています (3、メイン レベル)。 これらの 3 つのレベルのうち、メインのレベルが最も人口が多く、レベルが高くなるほど人口が少なくなります。 ただし、サルはじっと座っているのではなく、枝に飛び乗っています（たとえば、これは毎分発生すると想定できます）。 この場合、レベルの母集団は時間的に同じままです (平衡状態)。 同じ速度 (1 分間に 1 匹のサル) で枝に人口を増やし続けますが、同時に枝 2 を濡らして滑りやすくするとします。 これでサルは、たとえば 10 秒以上その上にとどまることはできなくなりました。 したがって、このブランチは急速に広がり、すぐにブランチ 1 にブランチ 2 よりも多くのサルが存在します。したがって、異なるブランチでのサルの滞在時間が異なるという事実により、逆集団が得られます。 これらは非常に初歩的な考慮事項ですが、Javan の考慮事項を理解するのに役立ちます。

ヘリウムとネオンの混合物の選択は、最適な環境を約束するシステムを得るために慎重に選択され、その後の成功のみが事後的にJavanに完全な信頼をもたらしました. ヘリウムとネオンが最適な混合物であると彼が確信した後でさえ、ガス放電は混沌としていると彼に言う多くの懐疑論者がいました。 あまりにも多くの不確実性があり、彼の試みは野生のガチョウを狩るようなものだった.

米。 54. ヘリウム (He) と (Ne) のエネルギー準位。 主なレーザー遷移を示します

図 55. 芝生のサルは、ボルツマン統計に従って分布しています。 地面にはより多くのものがあり、枝の高さとともにその数は減少します。

Javanは多額の費用を費やしましたが、幸いなことにシステムは機能していました。それ以外の場合、管理者はプロジェクトを終了して実験を停止する準備ができていました。 プロジェクトの終わりまでに、この研究には 200 万ドルが費やされました。 この金額は明らかに誇張されていますが、このプロジェクトには間違いなく多額の費用が必要でした。

一方、オックスフォード大学の実験物理学者であるジョン・サンダースは、赤外線レーザーの実装を試みるためにベル研究所に招待されました。 この研究に割り当てられた 1 年足らずの間、サンダースは理論的研究に時間を無駄にすることはありませんでしたが、ファブリペロー共振器を内部に備えた放電管で純粋なヘリウムを励起することをすぐに決定しました。 彼は、放電のパラメータを変えながら、試行錯誤を重ねてレーザー効果を得ようとしました。 ミラーが互いに平行のままで取り付けられる最大距離は 15 cm であり、サンダースはこれ以上放電管を使用しませんでした。 Javan は、これを基本的な制限と見なしました。 彼は、ガスのゲインが非常に小さく、サンダースの共振器が機能しないと想定しました。 Javan が使用したチューブははるかに長く、ファブリペロー ミラーをこのような距離で調整することは非常に困難であったため、最初に作業デバイスに必要なパラメーターを決定し、試行錯誤しながらミラーを調整しようとしました。エラー。 それが彼が働いた方法です。 既知のゲインを得るために He-Ne モードを選択するためのすべての準備作業がなければ、成功することは不可能でした。

サンダースはフィジカル・レビュー・レターズに手紙を送り、フラッシュランプでは十分な励起原子を得ることが困難であり、電子衝撃によって生成される励起を使用することを提案しました. このような励起は、ガスまたは蒸気中での放電によって容易に実行できます。 活物質に長い寿命の励起状態と、より低いエネルギーと短い寿命の状態が含まれている場合、反転分布を得ることができます (サルの例で検討したように)。

この記事の直後、フィジカル レビュー レターの同じ号で、A. Javan はこれらの問題についても検討した記事を発表し、他のスキームの中でも非常に独創的なものを 1 つ提案しました。 気体の長寿命状態を考えてみましょう。 放電条件下では、この状態は寿命が長いため、適切に設定できます。 2 番目のガスの現在の励起状態がこの長寿命状態に非常に近いエネルギーを持っている場合、衝突によって最初の原子から 2 番目の原子にエネルギーが移動し、励起される可能性が非常に高くなります。 この原子が他の低エネルギー状態を持っている場合、それらは励起されないままになるため、高エネルギー状態と低エネルギー状態の間に逆数が存在する可能性があります。 彼の作品の中でジャバンは、クリプトンと水銀の混合物、およびヘリウムとネオンの混合物について言及しました。 この作品は、1959 年 6 月 3 日に Physical Review Letters に掲載されました。

Javan は、Columbia で Javan の友人だったイェール大学の分光学者である William R. Bennett, Jr. と密接に協力しました。 彼らは一年中夜遅くまで働きました。 1959 年の秋、Javan は Bell Labs の光学技術者である Donald R. Herriot にプロジェクトの支援を依頼しました。 基本的な問題の 1 つは、放電管に非常に高い光学品質の 2 つの透明な窓を設けて、出力ビームを歪めないようにすることでした。 また、レゾネーターミラーを取り付ける必要がありました。 放電管の内側にミラーを配置し、マイクロメーターのネジを備えた特別な装置を備えたスキームが開発されました（図56）。これにより、コーナーでミラーを微調整することが可能になりました。 1959 年 9 月、ベネットはイェール大学からベル研究所に移り、ジャバンと共に集中的かつ徹底的な研究プログラムを開始し、さまざまな条件下でヘリウムとネオンの混合物の分光学的特性を計算および測定して、反転の生成。 彼らは、最良の条件下では、1.5% 程度の非常に小さなゲインしか得られないことを発見しました。 この低いゲインにより、損失を最小限に抑え、可能な限り高い反射率を持つミラーを使用することが絶対に必要になりました。 このような鏡は、透明な表面（ガラス）上に、異なる屈折率を有する適切な（透明な）誘電材料の多くの層を堆積させることによって得られる。 層間の境界での反射とのマルチパス干渉により、高い反射係数が得られます。 3 人の研究者が、波長 1.15 µm で反射率 98.9% のミラーを使用することができました。

米。 56. Javan、Bennett、および Heriott によって構築されたヘリウム ネオン レーザーの図

1960 年、Javan、Bennett、および Heriott はついにレーザーをテストしました。 最初に、彼らは強力なマグネトロンを使用してガス混合物を含む石英管で放電を実行しようとしましたが、管が溶けました。 設備をやり直し、変更を加える必要がありました。 1960 年 12 月 12 日、彼らは新しい管と放電の組織に取り組み始めました。 彼らはミラーを調整してレーザーを発振させようとしましたが、成功しませんでした。 その後、正午に、Heriott は信号を見ました。 モノクロメータをセットアップし、波長 1.153 µm で信号ピークを記録しました。 予想される波長で。 活性媒体としてガスを使用し、連続モードで動作する最初のレーザーが誕生しました! その放射は近赤外領域にあるため、目には見えませんでした。 登録には、オシロスコープに接続された適切な受信機が必要でした。

そして6か月前、技術者で、後にオックスフォード大学で学位を取得し、カナダで教鞭を執ったエド・バリックは、100年前のワインを購入しました。 それは厳粛な瞬間のために意図されていました - レーザーの操作の際に。 レーザー実験が最終的に実を結ぶと、数日後、Javan は Bell Labs の責任者に電話し、イベントを 100 周年記念のワインに浸すよう招待しました。 彼はひどく喜んでいたが、次のように叫んだ。 問題があります！」. これはジャワさん、朝起きて、何が問題なのか理解できませんでした。 しかし、正午に、数か月前に発行された以前の回覧を明確にし、科学センターの領土での飲酒を禁止する回覧が実験室の周りに回覧されました。 明確化により、100年未満のアルコールを飲むことは禁止されました。 その後、彼らはルールを破ることなく成功するためにメガネを上げました!

最初のレーザーは、近赤外範囲の 1.15 µm 遷移で動作しました。 Javan は、ネオンの可能な遷移の 1 つに対応するこの波長で最大反射を持つミラーを使用しました。 彼は、他の可能な波長があることを知っていました。 彼がこの波長を選んだのは、彼の研究により、この波長で最大の利得が期待できることが示されたからです。 可視域での遷移を利用するには、当時ファブリペロー共振器に使われていた平面鏡の調整が不可能なほど小さな直径の管が必要でした。

Javan レーザーでは、放電管にネオンとヘリウムがそれぞれ 0.1 および 1 Torr の圧力で含まれていました (1 Torr は大気圧の圧力のほぼ 1000 分の 1 です)。 溶融石英管は長さ 80 cm、直径 1.5 cm で、両端には反射率の高いフラット ミラーを含む金属キャビティがありました。 柔軟なスリーブ (ベローズ) が使用されていたため、マイクロメートルのネジでファブリペロー ミラーを (正確に傾けることによって) 調整することができました。 これにより、6秒角の精度で平行度を確保することが可能になりました。 端には、100 A を超える精度で表面が研磨された平らなガラス窓がありました。これにより、歪みのない放射線ビームを放出することが可能になりました。 放電は、50 ワットの出力を持つ 28 MHz 発振器を使用して、外部電極で励起されました。 高反射ミラーは、13 層の誘電体材料 (MgF 2 、ZnS) の堆積によって得られました。 1.1 ～ 1.2 µm の反射率は 98.9% でした。 レーザーは連続的に動作し、このタイプの最初のレーザーでした。

ヒューズの例に続いて、ベル研究所も 1960 年 12 月 14 日にヘリウム ネオン レーザーの公開デモンストレーションを行いました。信号。

このレーザーは、その成分の化学記号を名前に使用して、He-Ne レーザーとして知られるようになりました。 それは 1961 年 1 月 31 日に報道機関に発表されました。それを説明する論文は、1960 年 12 月 30 日に Physical Review Letters に掲載されました。

Javan が 1960 年の春に実験を行っていたとき、ベル研究所の 2 人の研究者、A. Fox と T. Lee は、ファブリペロー共振器にどのようなモードが存在するかという問題の研究を開始しました。 事実、ファブリペロー共振器は、閉じた空洞の形をしたマイクロ波共振器とは大きく異なります。 彼らはこれらのモードの形状を決定し、その結果により、ベル研究所の他の研究者であるゲイリー D. ボンド、ジェームズ ゴードン、ヘルウィグ コーゲルニクは、球面鏡の場合の解析解を見つけました。 ガスレーザーの開発における光共振器の研究の重要性を過小評価することはできません。 これらの結果が得られる前は、ガスレーザーはせいぜい限界のデバイスであり、その生成はエンドミラーの位置合わせに大きく依存していました。 球面ミラーを備えた共振器の理論的研究では、ミラーの位置合わせに比較的弱く依存する構成が存在する可能性があり、共振器の内部損失は平面ミラーを備えた共振器よりも小さくなる可能性があることが示されています。 これにより、以前考えられていたよりも大幅に低いゲインでアクティブ メディアを使用できます。 平面ミラーを備えた共振器は事実上放棄され、新しいガスレーザーの発見はすべて球面ミラーを備えた共振器を使用して行われました。

1961 年、ベル研究所で主要なレーザー研究プログラムが開始されました。 他の問題に取り組まれていた研究者は、新しいトピックに向き直され、新しい従業員が雇われました。 焦点に配置された 2 つの同一の球面ミラーを共振器内で使用するという決定 (この構成は共焦点共振器と呼ばれます) は、Javan がそのような共振器を使用した場合に回避できる困難を示しました。 その結果、ウィリアム W. リグロッド、ヘルウィグ コーゲルニク、ドナルド R. ヘリオット、および D. J. ブランガシオは、1962 年の春に、放電管の軸に向かって光を集光する球面鏡を備えた最初の共焦点共振器を構築しました。これらの鏡は、放電管の外側に配置されています。チューブ。 これにより、6328Aのレッドライン上での発生が可能となりましたが、窓面からの反射（フレネル反射）により必然的に一部の光が失われます。 ただし、これらの損失は、ブリュースター角と呼ばれる特定の角度で窓を傾けることで回避できます。 この場合、特定の偏光の光の場合、損失は実質的にゼロです。 この新しいレーザー構成を図 1 に示します。 57.

米。 57.共焦点光学共振器。 ガスが放電によって励起されるチューブは、ブリュースター角度で傾斜した窓で閉じられています。 曲率半径が等しい凹面鏡は、それらの間の距離が曲率半径に等しくなるように、チューブの後ろに配置されます

赤色の He-Ne レーザーは広く使用されるようになり、特に医療で今でも使用されています。 また、レーザー光（高コヒーレント）と通常の光（インコヒーレント）の根本的な違いの理解にも大きく貢献します。 このレーザーを使用すると、干渉現象が簡単に観察でき、レーザー光のモード構造も、共振器ミラーをわずかに傾けるだけで簡単かつ明確に変化します。 他の多くの種類のレーザーの開発も刺激されました。

最新の He-Ne レーザーは、図 1 に示すいくつかの遷移のいずれかで生成できます。 54. これを行うために、多層ミラーは、所望の波長で最大の反射を持つように作られます。 3.39μm、1.153μm、6328A°の波長で発生し、特殊ミラーを使用しても5433A(緑線)、5941A°(黄線)、6120A°(橙線)の波長で発生します。

著者の著書より

2 番目の固体レーザー 1959 年 9 月、タウンズは「量子エレクトロニクス - 共鳴現象」に関する会議を組織し、レーザーはまだ作成されていませんでしたが、非公式な議論のほとんどはレーザーに集中していました。この会議にはピーターが出席しました。

著者の著書より

1961 年のセシウム レーザーは、レーザー コンセプトの最初から専門家が取り組んできた、さらに 2 つのレーザーが実装された年でした。 その一つがセシウムレーザーです。 タウンズとシャブロフが論文を書いた後、タウンズがレーザーを構築しようとすることが決定されました。

著者の著書より

ネオジム レーザー 1961 年に発売され、今でも主要なレーザーの 1 つであるもう 1 つのレーザーは、ネオジム ガラス レーザーです。 1959年から1960年。 アメリカン オプティカル カンパニーは、レーザー研究にも関心を持つようになりました。これは、同社の科学者の 1 人であるエリアス スニッツァーによって行われました。 これ

著者の著書より

レーザーは自然界に存在しますか？ 答えはイエスのようです！ 約 10 μm の波長を持つレーザー放射 (特に材料の機械加工に広く使用されている高出力 CO2 レーザーを操作する典型的な二酸化炭素輝線) は、

著者の著書より

著者の著書より

The Laser と Moon Bell Labs は、最初のレーザーの 1 つを使用して、月の表面の地形を研究しました。 1969 年 7 月 21 日に月に送られたアポロ 11 号の遠征中に、宇宙飛行士はその表面にレーザー光を反射できる 2 つのコーナー リフレクターを設置しました。

この作業の目的は、ヘリウムガスとネオンガスの混合物が活性物質として使用されるガスレーザーの主な特性とパラメーターを研究することです。

3.1. ヘリウムネオンレーザーの動作原理

ヘリウム ネオン レーザーは、代表的で最も一般的なガス レーザーです。 それは原子ガスレーザーに属し、その活性媒体は不活性ガスの中性（非イオン化）原子 - ヘリウムとネオン - の混合物です。 ネオンは作動ガスであり、そのエネルギー レベル間で遷移が発生し、コヒーレントな電磁放射が放出されます。 ヘリウムは補助ガスの役割を果たし、ネオンの励起と反転分布の作成に貢献します。

どのレーザーでも生成を開始するには、次の 2 つの重要な条件を満たす必要があります。

1. 動作中のレーザー レベル間に反転分布が存在する必要があります。

2. 活性媒体のゲインは、放射出力の「有用な」損失を含む、レーザーのすべての損失を上回っている必要があります。

システムに 2 つのレベルがある場合 え 1 と え 2 それぞれの粒子の数 N 1 と N 2 と縮退度 g 1 と g 2 の場合、母集団が N 2 /g 2つのトップレベル え 2 人口が増える N 1 /g 1 下位レベル え 1 、つまり反転度 Δ N正になります：

レベルなら え 1 と え 2 が縮退していない場合、反転が発生するためには、粒子の数が N 2 最上位レベル え 2 は粒子の数より多かった N 1 下のレベルで え 1 。 反転分布の形成と、コヒーレント電磁放射の放出を伴う強制遷移の発生が可能なレベルは、 ワーキングレーザーレベル.

反転分布状態は、次を使用して作成されます。 ポンピング– さまざまな方法によるガス原子の励起。 と呼ばれる外部ソースのエネルギーにより、 ポンプ源、地上エネルギー準位からの Ne 原子 え熱力学的平衡状態に対応する 0 は、励起状態 Ne* になります。 ポンプ強度に応じて、さまざまなエネルギー レベルへの遷移が発生する可能性があります。 次に、より低いエネルギーレベルへの自発的または強制的な移行があります。

ほとんどの場合、システム内のすべての状態間のすべての可能な遷移を考慮する必要はありません。 これにより、2 レベル、3 レベル、および 4 レベルのレーザー動作スキームについて話すことができます。 レーザー操作方式のタイプは、使用される励起方法だけでなく、活性媒体の特性によっても決定されます。

ヘリウム ネオン レーザーは、図に示すように 3 レベル方式で動作します。 3.1. この場合、放射を励起および生成するためのチャネルは部分的に分離されています。 活性物質をポンピングすると、地上レベルからの遷移が発生します え 0～興奮レベル え 2 、これは作業レベル間の人口反転の出現につながります え 2 と え 1 。 作業レベルの反転分布を持つ状態にある活性媒体は、周波数を持つ電磁放射を増幅することができます
誘導放出プロセスによるものです。

米。 3.1. ヘリウムネオンレーザーの動作を説明する、作動ガスと補助ガスのエネルギー準位の図

ガス中のエネルギー準位の広がりは小さく、広い吸収帯がないため、光放射を使用して逆数を取得することは困難です。 ただし、ガスでは他のポンピング方法が可能です。原子の衝突による直接電子励起と共鳴エネルギー移動です。 電子との衝突による原子の励起は、電子が電界によって加速される放電で最も簡単に実行できます。 大きな運動エネルギーを得ることができます。 電子と原子の非弾性衝突では、後者は励起状態になります え 2:

プロセス (3.4) が共鳴特性を持つことが重要です。異なる原子の励起エネルギー状態が一致する場合、つまり共鳴状態にある場合、エネルギー移動の確率は最大になります。

He と Ne のエネルギー準位と主な動作遷移を図 1 に詳細に示します。 3.2. 気体原子と高速電子 (3.2) および (3.3) との非弾性相互作用に対応する遷移は、上向きの点線矢印で示されています。 電子衝突の結果、ヘリウム原子は準安定である 2 1 S 0 および 2 3 S 1 準位に励起されます。 ヘリウムの基底状態 1 S 0 への放射遷移は、選択規則によって禁止されています。 励起された He 原子が基底状態 1 S 0 の Ne 原子と衝突すると、励起移動 (3.4) が可能になり、ネオンは 2S または 3S 準位のいずれかに移動します。 この場合、補助ガスと作動ガスの基底状態と励起状態の間のエネルギー ギャップが互いに近いため、共鳴条件が満たされます。

ネオンの 2S および 3S レベルから 2P および 3P レベルへの放射遷移が発生する可能性があります。 He 原子からこれらの準位へのエネルギーの直接移動がないため、P 準位は上位の S 準位よりも人口が少ない。 さらに、準位 Р の寿命は短く、非放射遷移 Р → 1S は準位 Р. 反転分布を空にします。これは、それらの間の遷移をレーザー生成に使用できることを意味します。

S準位とP準位の数が多いため、それらの間の異なる量子遷移の大規模なセットが可能です。 特に、4 つの 2S レベルから 10 の 2P レベルまで、選択規則によって 30 の異なる遷移が許可され、そのほとんどが生成されたものです。 2S → 2P 遷移中の最も強い輝線は、1.1523 μm 線 (スペクトルの赤外領域) です。 3S→2Р 遷移の場合、最も重要な線は 0.6328 µm (赤色の領域) であり、3S→3Р – 3.3913 µm (IR 領域) の場合です。 自然放出は、記載されているすべての波長で発生します。

米。 3.2. ヘリウム原子とネオン原子のエネルギー準位と He-Ne レーザーの動作スキーム

前述のように、P レベルへの放射遷移の後、P → 1S 遷移中に非放射放射減衰が発生します。 残念ながら、ネオン 1S のレベルは準安定であり、ガス混合物に他の不純物が含まれていない場合、ネオン原子がレベル 1S から基底状態に遷移する唯一の方法は、容器の壁との衝突です。 このため、放電管の直径が小さくなると、システムのゲインが増加します。 ネオンの 1S 状態はゆっくりと枯渇するため、Ne 原子はこれらの状態に保持されます。これは非常に望ましくなく、このレーザーの多くの特徴を決定します。 特に、ポンプ電流がしきい値を超えて増加すると、 j次に、レーザー放射パワーが急速に増加し、飽和し、さらには減少します。これは、1Sレベルでの作業粒子の蓄積と、電子との衝突による2Pまたは3P状態への移行によるものです。 これにより、高出力の放射電力を得ることができなくなります。

逆母集団の発生は、混合物中の He と Ne の圧力と電子温度に依存します。 ガス圧力の最適値は、He で 133 Pa、Ne で 13 Pa です。 電子温度は、ガス混合物に印加される電圧によって与えられます。 通常、この電圧は 2 ～ 3 kV のレベルに維持されます。

レーザーを生成するには、レーザーに正のフィードバックが存在する必要があります。そうでない場合、デバイスは増幅器としてのみ機能します。 これを行うために、活性ガス媒体が光共振器内に配置される。 フィードバックを作成することに加えて、共振器を使用して発振の種類を選択し、生成波長を選択します。これらには、特別な選択ミラーが使用されます。

しきい値に近いポンプ レベルでは、1 つのタイプの発振でのレーザー発振は比較的簡単です。 興奮のレベルが上がると、特別な対策が講じられなければ、他の多くのモードが発生します。 この場合、発生は原子線の幅内に含まれる共振器の共振周波数に近い周波数で発生します。 軸方向の振動 (TEM 00 モード) の場合、隣接する最大値間の周波数距離
、 どこ Lは共振器長です。 いくつかのモードが同時に存在する結果、発光スペクトルにビートと不均一性が生じます。 軸モードのみが存在する場合、スペクトルは別々の線になり、その間の距離は次のようになります。 c / 2L. しかし、共振器内で非軸タイプの振動、たとえば TEM 10 モードを励起することも可能です。その存在は、ミラーのチューニングに大きく依存します。 したがって、追加の衛星線が放射スペクトルに現れ、軸方向の振動の両側で周波数が対称的に配置されます。 ポンプレベルの増加に伴う新しいタイプの振動の出現は、放射場の構造を視覚的に観察することで簡単に判断できます。 コヒーレント放射モードの構造に対する共振器の配置の影響を視覚的に観察することもできます。

ガスは、凝縮された媒体よりも均質です。 したがって、ガス中の光ビームは歪みや散乱が少なく、ヘリウムネオンレーザーの放射は、回折現象により限界に達する良好な周波数安定性と高い指向性を特徴としています。 共焦点共振器の発散の回折限界

,

ここで、λ は波長です。 d 0 は、光線の最も狭い部分の直径です。

ヘリウム ネオン レーザーの放射は、高度な単色性とコヒーレンスによって特徴付けられます。 このようなレーザーの発光線の幅は、スペクトル線の「自然な」幅よりもはるかに狭く、最新の分光計の限界分解能よりも桁違いに小さくなっています。 したがって、それを決定するために、放射線のさまざまなモードのビートのスペクトルが測定されます。 さらに、このレーザーの放射は、共振器の光軸に対してブリュースター角で配置されたウィンドウの使用により平面偏光されます。

放射線のコヒーレンスの証拠は、光源の異なる点から受けた放射線の重ね合わせにおける回折パターンの観察である可能性があります。 たとえば、コヒーレンスは、複数のスロットからなるシステムからの干渉を観察することによって推定できます。 ヤングの経験から、通常の「古典的な」光源からの光の干渉を観察するために、放射線は最初に 1 つのスリットを通過し、次に 2 つのスリットを通過し、次にスクリーン上に干渉縞が形成されることが知られています。 レーザー放射を使用する場合、最初のスリットは不要であることがわかります。 この状況は基本的です。 さらに、2 つのスリット間の距離とその幅は、従来の実験よりも計り知れないほど大きくなる可能性があります。 ガスレーザーの出射窓には 2 つのスリットがあり、その間の距離は 2 a. 入射放射線がコヒーレントである場合、離れた場所にあるスクリーンで dスリットから干渉パターンが観察されます。 この場合、バンドの最大値 (最小値) 間の距離

.

最も一般的なガス レーザーは、ヘリウム ネオン ( ヘネ) レーザー (中性原子レーザー)、10:1 の比率のヘリウムとネオンの混合物で動作します。 このレーザーは、最初の連続レーザーでもあります。

ヘリウム準位とネオン準位のエネルギースキームを考えてみましょう (図 3.4)。 生成はネオン レベル間で行われ、ポンピング プロセスを実行するためにヘリウムが追加されます。 図からわかるように、レベルは 2 3 S 1と 2 1 S 0ヘリウムは、それぞれ、レベルの近くに位置しています 2秒と 3秒彼女ではありません。 ヘリウムレベルだから 2 3 S 1と 2 1 S 0準安定である場合、励起された準安定ヘリウム原子がネオン原子と衝突すると、ネオン原子への共鳴エネルギー移動が発生します (第 2 種の衝突)。

だからレベル 2秒と 3秒ネオンを配置できるため、これらのレベルから生成を進めることができます。 一生 s-状態 ( ts» 100 ns) はるかに長い寿命 R-状態 ( t p»10 ns) であるため、レーザーが 4 レベル スキームに従って動作するには、次の条件が満たされます。

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

トランジションの 1 つでレーザー生成が可能 a, b, c波長による ラ=3.39μm、 ポンド=0.633μm、 l s=1.15 μm、これは、共振器ミラーの反射係数を選択するか、分散要素を共振器に導入することによって取得できます。

米。 3.4。 ヘリウムとネオンのエネルギー準位のスキーム。

このようなレーザーの発生特性を考えてみましょう。

図 3.5. ヘリウムネオンレーザーの発生特性。

ポンプ電流の増加に伴う出力電力の初期増加は、反転分布によって説明されます。 最大出力に達した後、ポンプ電流がさらに増加すると、曲線は減少し始めます。 これは、2p と 1s レベルがリラックスする時間がないという事実によって説明されます。 電子は低エネルギー準位に行く時間がなく、隣接する 2p 準位と 1s 準位の電子数は同じになります。 この場合、反転はありません。

ヘリウム ネオン レーザーの効率は 0.1% のオーダーであり、これは励起粒子の体積密度が低いことによって説明されます。 標準出力電力 ヘネ-レーザ P~5-50 mW、発散 q~1 ミリラジアン。

アルゴンレーザー

これらは、イオン ガス レーザーに関連する可視および近紫外スペクトル領域で最も強力な連続波レーザーです。 作動ガスの上部レーザー レベルは、放電中に電子が 2 回連続して衝突することによって生成されます。 最初の衝突では中性原子からイオンが形成され、2 回目の衝突ではこれらのイオンが励起されます。 したがって、ポンピングは 2 段階のプロセスであり、それぞれの効率は電流密度に比例します。 効率的なポンピングには、十分に高い電流密度が必要です。

上のレーザーエネルギー準位図 Ar +図に示す。 3.3. 454.5 nm から 528.7 nm の間の線でのレーザー発光は、準位のグループが存在する場合に発生します。 4p基底状態または準安定状態の電子衝撃による励起による Ar + .

3.5 CO 2 レーザー

分子 CO2-レーザーは、電気エネルギーを放射エネルギーに変換する効率が最も高い (15 ～ 20%) ため、ガスレーザーの中で最も強力な cw レーザーです。 レーザーの生成は振動-回転遷移で発生し、これらのレーザーの輝線は遠赤外線領域にあり、波長は 9.4 μm と 10.4 μm にあります。

で CO2レーザーはガスの混合物を使用します CO2, N 2と 彼. ポンピングは、分子の衝突中に直接実行されます CO2電子と振動励起分子 N 2. 混合物中の He の熱伝導率が高いため、冷却が促進されます。 CO2、これは、熱励起の結果として取り込まれたより低いレーザーレベルの枯渇につながります。 だから存在感 N 2混合物中のレーザーレベルの高い人口、および存在に貢献します 彼– 下位レベルの枯渇、およびその結果、一緒になって反転分布の増加につながります。 エネルギー準位図 CO2-レーザーは図に示されています。 3.4。 レーザー生成は、分子の振動状態間の遷移中に実行されます CO 2 n 3 6月1日また n 3 6月2日回転状態の変化。

米。 3.4。 エネルギー準位図 N 2と CO2の CO2-レーザ。

CO2レーザーは、連続モードとパルスモードの両方で動作できます。 連続モードでは、その出力電力は数キロワットに達することがあります。