გაზის ლაზერები. ჰელიუმის ნეონის ლაზერი

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერი - დიოდთან ან ნახევარგამტართან ერთად - არის ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებული და ყველაზე ხელმისაწვდომი ლაზერი სპექტრის ხილული რეგიონისთვის. ამ ტიპის ლაზერული სისტემების სიმძლავრე, რომელიც ძირითადად განკუთვნილია კომერციული მიზნებისთვის, არის 1 მვტ-დან რამდენიმე ათეულ მვტ-მდე. განსაკუთრებით პოპულარულია 1 მვტ-ის რიგის ნაკლებად მძლავრი He-Ne ლაზერები, რომლებიც ძირითადად გამოიყენება როგორც კოტირების მოწყობილობა, ასევე საზომი ტექნოლოგიის სფეროში სხვა პრობლემების გადასაჭრელად. ინფრაწითელ და წითელ დიაპაზონში ჰელიუმ-ნეონის ლაზერი სულ უფრო და უფრო იცვლება დიოდური ლაზერით. He-Ne ლაზერებს შეუძლიათ წითელი ხაზების გარდა ნარინჯისფერი, ყვითელი და მწვანე ხაზების გამოსხივება, რაც მიიღწევა შესაბამისი სელექციური სარკეების წყალობით.

ენერგიის დონის დიაგრამა

ჰელიუმის და ნეონის ენერგეტიკული დონეები, რომლებიც ყველაზე მნიშვნელოვანია He-Ne ლაზერების ფუნქციონირებისთვის, ნაჩვენებია ნახ. 1. ლაზერული გადასვლები ხდება ნეონის ატომში, ყველაზე ინტენსიური ხაზები 633, 1153 და 3391 ტალღის სიგრძის გადასვლების შედეგად (იხ. ცხრილი 1).

ნეონის ელექტრონული კონფიგურაცია ძირითად მდგომარეობაში ასე გამოიყურება: 1s22s22p6, სადაც პირველი გარსი (n = 1) და მეორე გარსი (n = 2) ივსება, შესაბამისად, ორი და რვა ელექტრონით. უმაღლესი მდგომარეობები ნახ. 1 წარმოიქმნება იმის შედეგად, რომ აქ არის 1s22s22p5 გარსი და მანათობელი (ოპტიკური) ელექტრონი აღგზნებულია სქემის მიხედვით: 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p, ... და ა.შ. მაშასადამე, საუბარია ერთელექტრონულ მდგომარეობაზე, რომელიც ახორციელებს გარსთან კავშირს. LS (რასელ-სონდერსის) სქემაში ამისთვის ენერგიის დონეებინეონი მითითებულია ერთელექტრონული მდგომარეობით (მაგ. 5s), ისევე როგორც შედეგად მიღებული მთლიანი ორბიტალური იმპულსი L (= S, P, D...). აღნიშვნით S, P, D,... ქვედა ინდექსი აჩვენებს ჯამურ ორბიტალურ მომენტს J, ხოლო ზედა აჩვენებს სიმრავლეს 2S + 1, მაგალითად, 5s1P1. ხშირად გამოიყენება წმინდა ფენომენოლოგიური აღნიშვნა პასჩენის მიხედვით (ნახ. 1). ამ შემთხვევაში, აღგზნებული ელექტრონული მდგომარეობების ქვედონეები ითვლება 2-დან 5-მდე (s-მდგომარეობებისთვის) და 1-დან 10-მდე (p-მდგომარეობებისთვის).

ბრინჯი. 1. ჰე-ნე ლაზერის ენერგიის დონეების სქემა. ნეონის დონეები აღინიშნება პაშენის მიხედვით, ანუ: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 და ა.შ.

ცხრილი 1. ჰე-ნე ლაზერის ინტენსიური ხაზების გადასვლების აღნიშვნები

აგზნება

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის აქტიური საშუალებაა გაზის ნარევი, რომელსაც საჭირო ენერგია მიეწოდება ელექტრული გამონადენით. ლაზერის ზედა დონეები (2s და 2p Paschen-ის მიხედვით) შერჩევით არის დასახლებული მეტასტაბილურ ჰელიუმის ატომებთან შეჯახების საფუძველზე (23S1, 21S0). ამ შეჯახების დროს ხდება არა მხოლოდ კინეტიკური ენერგიის გაცვლა, არამედ ენერგიის გადაცემა აღგზნებული ჰელიუმის ატომებიდან ნეონის ატომებზე. ამ პროცესს მეორე სახის შეჯახება ეწოდება:

He* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)

სადაც ვარსკვლავი (*) განასახიერებს აღგზნებულ მდგომარეობას. ენერგიის სხვაობა 2s დონის აგზნების შემთხვევაში არის: &DeltaE=0,05 eV. შეჯახებისას არსებული სხვაობა გარდაიქმნება კინეტიკურ ენერგიად, რომელიც შემდეგ ნაწილდება სითბოს სახით. მე-3 დონისთვის იდენტური ურთიერთობები ხდება. ასეთი რეზონანსული ენერგიის გადაცემა ჰელიუმიდან ნეონში არის მთავარი სატუმბი პროცესი მოსახლეობის ინვერსიის შესაქმნელად. ამ შემთხვევაში, მეტასტაბილური მდგომარეობის ხანგრძლივობის მან დადებითად მოქმედებს ზედა ლაზერული დონის პოპულაციის სელექციურობაზე.

He-ატომების აგზნება ხდება ელექტრონების შეჯახების საფუძველზე, პირდაპირ ან დამატებითი კასკადური გადასვლებით უფრო მაღალი დონეებიდან. ხანგრძლივი მეტასტაბილური მდგომარეობების გამო, ამ მდგომარეობებში ჰელიუმის ატომების სიმკვრივე ძალიან მაღალია. ზედა ლაზერული დონეები 2s და 3s შეუძლიათ - ექვემდებარება ელექტრული დოპლერის გადასვლების შერჩევის წესებს - გადავიდნენ მხოლოდ ქვედა p-დონეებზე. ლაზერული გამოსხივების წარმატებული გენერირებისთვის ძალზე მნიშვნელოვანია, რომ s-მდგომარეობების (ზედა ლაზერული დონე) = დაახლოებით 100 ns აჭარბებდეს p-მდგომარეობების ხანგრძლივობას (ლაზერის ქვედა დონე) = 10 ns.

ტალღის სიგრძე

შემდეგი, ჩვენ განვიხილავთ ყველაზე მნიშვნელოვან ლაზერულ გადასვლებს უფრო დეტალურად, ნახ. 1 და მონაცემები ცხრილიდან 1. ყველაზე ცნობილი ხაზი სპექტრის წითელ რეგიონში (0.63 μm) ჩნდება 3s2 → 2p4 გადასვლის გამო. ქვედა დონე იყოფა სპონტანური ემისიის შედეგად 10 წმ-ის განმავლობაში 1s დონეზე (ნახ. 1). ეს უკანასკნელი მდგრადია გაყოფის მიმართ ელექტრული დიპოლური გამოსხივების გამო, რის გამოც მას აქვს ხანგრძლივი ბუნებრივი სიცოცხლე. აქედან გამომდინარე, ატომები კონცენტრირებულია ამ მდგომარეობაში, რომელიც აღმოჩნდება ძალიან დასახლებული. გაზის გამონადენის დროს, ამ მდგომარეობაში მყოფი ატომები ეჯახება ელექტრონებს, შემდეგ კი 2p და 3s დონეები კვლავ აღგზნებულია. ამ შემთხვევაში პოპულაციის ინვერსია მცირდება, რაც ზღუდავს ლაზერის სიმძლავრეს. ls- მდგომარეობის დაქვეითება ხდება ჰელიუმ-ნეონის ლაზერებში ძირითადად გაზის გამონადენის მილის კედელთან შეჯახების გამო და, შესაბამისად, მილის დიამეტრის მატებასთან ერთად, შეინიშნება მომატების დაქვეითება და ეფექტურობის დაქვეითება. ამიტომ, პრაქტიკაში, დიამეტრი შემოიფარგლება დაახლოებით 1 მმ-ით, რაც, თავის მხრივ, ზღუდავს He-Ne ლაზერების გამომავალ სიმძლავრეს რამდენიმე ათეულ მეგავატამდე.

ელექტრონული კონფიგურაციები 2s, 3s, 2p და 3p, რომლებიც მონაწილეობენ ლაზერულ გადასვლაში, იყოფა მრავალ ქვედონეებად. ეს იწვევს, მაგალითად, შემდგომ გადასვლებს სპექტრის ხილულ რეგიონში, როგორც ეს ჩანს ცხრილიდან 2. He-Ne ლაზერის ყველა ხილული ხაზისთვის, კვანტური ეფექტურობა არის 10%-ის ბრძანებით, რაც არ არის. ძალიან მაღალი. დონის დიაგრამა (ნახ. 1) გვიჩვენებს, რომ ლაზერის ზედა დონეები დაახლოებით 20 ევ-ით მაღლა დგას მიწის მდგომარეობიდან. წითელი ლაზერული გამოსხივების ენერგია მხოლოდ 2 ევ-ია.

ცხრილი 2. ტალღის სიგრძე λ, გამომავალი სიმძლავრეები და ხაზის სიგანე Δ ƒ ჰე-ნე ლაზერის (Paschen გარდამავალი აღნიშვნა)

ფერი	λ ნმ	Გარდამავალი (პაშენის მიხედვით)	Ძალა მვტ	Δ ƒ MHz	მოგება %/მ
ინფრაწითელი	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
ინფრაწითელი	1 523	2s2 → 2p1	1	625
ინფრაწითელი	1 153	2s2 → 2p4	1	825
წითელი	640	3s2 → 2p2
წითელი	635	3s2 → 2p3
წითელი	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
წითელი	629	3s2 → 2p5
ნარინჯისფერი	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
ნარინჯისფერი	604	3s2 → 2p7
ყვითელი	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
ყვითელი	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

რადიაცია ინფრაწითელ დიაპაზონში დაახლოებით 1,157 μm წარმოიქმნება გადასვლებით 2s → 2p. იგივე ეხება ოდნავ სუსტ ხაზს დაახლოებით 1.512 მკმ. ორივე ეს ინფრაწითელი ხაზი გამოიყენება კომერციულ ლაზერებში.

ხაზის დამახასიათებელი თვისება IR დიაპაზონში 3.391 მკმ არის მაღალი მომატება. სუსტი სიგნალების ზონაში, ანუ სუსტი სინათლის სიგნალების ერთჯერადი გავლისას, ეს არის დაახლოებით 20 დბ / მ. ეს შეესაბამება 100 კოეფიციენტს 1 მეტრი სიგრძის ლაზერისთვის. ლაზერის ზედა დონე იგივეა, რაც ცნობილი წითელი გადასვლისთვის (0,63 μm). მაღალი მომატება, ერთის მხრივ, გამოწვეულია უკიდურესად ხანმოკლე სიცოცხლის ხანგრძლივობით ქვედა 3p დონეზე. მეორეს მხრივ, ეს გამოწვეულია ტალღის შედარებით გრძელი სიგრძით და, შესაბამისად, გამოსხივების დაბალი სიხშირით. როგორც წესი, სტიმულირებული და სპონტანური ემისიების თანაფარდობა იზრდება დაბალი სიხშირეებისთვის ƒ. სუსტი სიგნალების g გაძლიერება, როგორც წესი, პროპორციულია g ~ƒ2-ის.

სელექციური ელემენტების გარეშე, He-Ne ლაზერი ასხივებს 3,39 μm ხაზს და არა წითელ რეგიონში 0,63 μm. ინფრაწითელი ხაზის აგზნებას აფერხებს ან შერჩევითი ღრუს სარკე ან აბსორბციით გაზგამშვები მილის ბრუსტერის ფანჯრებში. ამის გამო, ლაზერის წარმოქმნის ბარიერი შეიძლება გაიზარდოს 3,39 მკმ გამოსხივებისთვის საკმარის დონეზე, ასე რომ აქ მხოლოდ უფრო სუსტი წითელი ხაზი გამოჩნდება.

დიზაინი

აგზნებისთვის საჭირო ელექტრონები წარმოიქმნება გაზის გამონადენში (ნახ. 2), რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაახლოებით 12 კვ ძაბვით 5-დან 10 mA-მდე დენის დროს. გამონადენის ტიპიური სიგრძეა 10 სმ ან მეტი, გამონადენის კაპილარების დიამეტრი დაახლოებით 1 მმ-ია და შეესაბამება გამოსხივებული ლაზერის სხივის დიამეტრს. გაზის გამონადენის მილის დიამეტრის ზრდით, კოეფიციენტი სასარგებლო მოქმედებამცირდება, ვინაიდან მილის კედელთან შეჯახება საჭიროა ls დონის დაცლასთვის. ოპტიმალური სიმძლავრის გამომუშავებისთვის გამოიყენება შევსების მთლიანი წნევა (p): p·D = 500 Pa·mm, სადაც D არის მილის დიამეტრი. თანაფარდობა He/Ne ნარევში დამოკიდებულია სასურველ ლაზერულ ხაზზე. ცნობილი წითელი ხაზისთვის გვაქვს He: Ne = 5:l, ხოლო ინფრაწითელი ხაზისთვის დაახლოებით 1.15 μm - He:Ne=10:l. ასევე მნიშვნელოვანი ასპექტია დენის სიმკვრივის ოპტიმიზაცია. ეფექტურობა 633 ნმ ხაზისთვის არის დაახლოებით 0.1%, რადგან აგზნების პროცესი ამ შემთხვევაში არ არის ძალიან ეფექტური. ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის მომსახურების ვადა შეადგენს დაახლოებით 20000 სამუშაო საათს.

ბრინჯი. 2. ჰე-ნე ლაზერის დიზაინი მვტ დიაპაზონში პოლარიზებული გამოსხივებისთვის

ამ პირობებში მომატება არის g=0,1 მ-1, ამიტომ აუცილებელია მაღალი ამრეკლავი სარკეების გამოყენება. ლაზერის სხივიდან გასასვლელად, ნაწილობრივ გადამცემი (ნახევრად გამჭვირვალე) სარკე (მაგალითად, R = 98%) დაყენებულია მხოლოდ ერთ მხარეს, ხოლო მეორე მხარეს - სარკე, რომელსაც აქვს მაქსიმალური არეკვლა (~ 100%). სხვა ხილული გადასვლების მოგება გაცილებით ნაკლებია (იხ. ცხრილი 2). კომერციული მიზნებისთვის, ეს ხაზები იქნა მიღებული მხოლოდ ქ ბოლო წლებისარკეების გამოყენება უკიდურესად დაბალი დანაკარგებით.

ადრე, ჰელიუმ-ნეონის ლაზერში, გამონადენი მილის გამომავალი ფანჯრები ფიქსირდებოდა ეპოქსიდური ფისით, ხოლო სარკეები დამონტაჟებული იყო გარეთ. ამან გამოიწვია ჰელიუმის დიფუზია წებოვანში და წყლის ორთქლი შევიდა ლაზერში. დღეს ეს ფანჯრები იკვრება ლითონის პირდაპირი შედუღებით მინაზე, რაც ამცირებს ჰელიუმის გაჟონვას წელიწადში დაახლოებით 1 Pa-მდე. მცირე, მასობრივი წარმოების ლაზერების შემთხვევაში, სარკის საფარი გამოიყენება პირდაპირ გამომავალ ფანჯრებზე, რაც მნიშვნელოვნად ამარტივებს მთელ დიზაინს.

სხივის თვისებები

პოლარიზაციის მიმართულების შესარჩევად, გაზგამშვები ნათურა აღჭურვილია ორი ირიბად განლაგებული სარკმლით ან, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 2, ბრიუსტერის ფირფიტა ჩასმულია რეზონატორში. ოპტიკურ ზედაპირზე არეკვლა ქრება, თუ სინათლე ეცემა ე.წ. ბრუსტერის კუთხით და პოლარიზდება დაცემის სიბრტყის პარალელურად. ამრიგად, პოლარიზაციის ამ მიმართულების გამოსხივება დაკარგვის გარეშე გადის ბრუსტერის ფანჯარაში. ამავდროულად, დაცემის სიბრტყის პერპენდიკულარულად პოლარიზებული კომპონენტის არეკვლა საკმაოდ მაღალია და ითრგუნება ლაზერში.

პოლარიზაციის თანაფარდობა (ხარისხი) (ძაბვის თანაფარდობა პოლარიზაციის მიმართულებით ამ მიმართულების პერპენდიკულარული სიმძლავრის მიმართ) ჩვეულებრივი კომერციული სისტემებისთვის არის 1000:1. როდესაც ლაზერი მუშაობს Brewster ფირფიტების გარეშე შიდა სარკეებით, წარმოიქმნება არაპოლარიზებული გამოსხივება.

ლაზერი, როგორც წესი, წარმოქმნის განივი TEM00 რეჟიმში (ყველაზე დაბალი რიგის რეჟიმი) და რამდენიმე გრძივი (ღერძული) რეჟიმი იქმნება ერთდროულად. როდესაც სარკეებს შორის მანძილი (ლაზერული რეზონატორის სიგრძე) L = 30 სმ, ინტერმოდის სიხშირის ინტერვალი არის Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. ცენტრალური სიხშირე 4.7 1014 ჰც-ის დონეზეა. ვინაიდან სინათლის გაძლიერება შეიძლება მოხდეს Δ ƒ = 1500 MHz დიაპაზონში (დოპლერის სიგანე), სამი განსხვავებული სიხშირე გამოიყოფა L = 30CM-ზე: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. სარკეებს შორის უფრო მცირე მანძილის გამოყენებისას (<= 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.

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერები, დაახლოებით 10 მვტ, ხშირად გამოიყენება ინტერფერომეტრიაში ან ჰოლოგრაფიაში. ასეთი მასობრივი წარმოების ლაზერების თანმიმდევრულობის სიგრძე 20-დან 30 სმ-მდეა, რაც სავსებით საკმარისია მცირე ზომის ობიექტების ჰოლოგრაფიისთვის. უფრო დიდი თანმიმდევრულობის სიგრძე მიიღება სერიული სიხშირე-შერჩევითი ელემენტების გამოყენებით.

როდესაც სარკეებს შორის ოპტიკური მანძილი იცვლება თერმული ან სხვა ეფექტების შედეგად, ლაზერული რეზონატორის ღერძული ბუნებრივი სიხშირეები იცვლება. ერთი სიხშირის გენერირებით, აქ არ მიიღება სტაბილური გამოსხივების სიხშირე - ის უკონტროლოდ მოძრაობს ხაზის სიგანის დიაპაზონში 1500 MHz. დამატებითი ელექტრონული კონტროლით, სიხშირის სტაბილიზაცია შესაძლებელია მხოლოდ ხაზის ცენტრში (კომერციულ სისტემებს შეიძლება ჰქონდეს სიხშირის სტაბილურობა რამდენიმე MHz). კვლევით ლაბორატორიებში ზოგჯერ შესაძლებელია ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის სტაბილიზაცია 1 ჰც-ზე ნაკლებ დიაპაზონში.

შესაფერისი სარკეების გამოყენებით, 4.2 ცხრილის სხვადასხვა ხაზები შეიძლება აღფრთოვანებული იქნეს ლაზერული სინათლის წარმოქმნით. ყველაზე ხშირად გამოყენებული ხილული ხაზი არის დაახლოებით 633 ნმ, ტიპიური სიმძლავრით რამდენიმე მილივატი. დაახლოებით 633 ნმ ინტენსიური ლაზერული ხაზის ჩახშობის შემდეგ, ხილული დიაპაზონის სხვა ხაზები შეიძლება გამოჩნდეს რეზონატორში სელექციური სარკეების ან პრიზმების გამოყენების გამო (იხ. ცხრილი 2). თუმცა, ამ ხაზების გამომავალი სიმძლავრე არის მძიმე ხაზის გამომავალი სიმძლავრის მხოლოდ 10% ან უფრო ნაკლები.

კომერციული ჰელიუმის ნეონის ლაზერები ხელმისაწვდომია სხვადასხვა ტალღის სიგრძით. მათ გარდა, ასევე არსებობს ლაზერები, რომლებიც წარმოქმნიან ბევრ ხაზს და შეუძლიათ ასხივონ მრავალი ტალღის სიგრძის ტალღები სხვადასხვა კომბინაციებში. რეგულირებადი He-Ne ლაზერების შემთხვევაში შემოთავაზებულია ტალღის საჭირო სიგრძის შერჩევა პრიზმის შემობრუნებით.

ჰელიუმის ნეონის ლაზერი

შავლოვის გარდა, Bell Labs-ის კიდევ ორი ​​მკვლევარი მუშაობდა ლაზერის პრობლემაზე 1958 წელს: ალი ჯავანი და ჯონ სანდერსი. ჯავანი წარმოშობით ირანელი იყო. მან მიიღო დოქტორი 1954 წელს ქალაქებში რადიოსპექტროსკოპიის თემაზე. ის დარჩა Towns-ის ჯგუფში ოთხი წლის განმავლობაში, მუშაობდა რადიო სპექტროსკოპიასა და მასერებზე. დისერტაციის დაცვის შემდეგ, როდესაც ტაუ არ იმყოფებოდა შაბათს პარიზსა და ტოკიოში, ჯავანი უფრო მეტად ჩაერთო მასერებში და გაუჩნდა სამ დონის მასერის იდეა, სანამ Bell Labs ჯგუფი გამოაქვეყნებდა ექსპერიმენტულ ნაშრომს ამ თემაზე. მან იპოვა პოპულაციის შეუქცევადი მატების მიღების მეთოდი, კერძოდ რამანის ეფექტის გამოყენებით სამ დონის სისტემაში, მაგრამ მან გამოაქვეყნა თავისი შედეგები უფრო გვიან, ვიდრე Bell ჯგუფი.

1958 წლის აპრილში, როდესაც ის ეძებდა სამუშაოს Bell Labs-ში, ესაუბრა შავლოვს, რომელმაც უთხრა მას ლაზერების შესახებ. 1958 წლის აგვისტოში იგი მიიღეს Bell Labs-ში და ოქტომბერში დაიწყო სისტემატური კვლევა ლაზერებზე. თავდაპირველად მას იქ ეთიკური სირთულეები ჰქონდა. RCA-მ ადრე გამოიკვლია მისი ჩანაწერები სამ დონის მასერის შესახებ და დაადგინა, რომ მისი თარიღები Bell ჯგუფის თარიღებს უსწრებს. RCA-მ მას 1000 დოლარი გადაუხადა პატენტის უფლებებისთვის და დაიწყო დავა ბელთან, სადაც ჯავანი უკვე მუშაობდა. დაახლოებით ექვსი თვის განმავლობაში ჯავანი მუშაობდა RCA-სა და Bell Labs-ის იურისტებთან. საბედნიეროდ, RCA-მ ჩაატარა ბაზრის კვლევა და დარწმუნებული იყო, რომ ეს მეიზერის გამაძლიერებელი არ იყო მომგებიანი, მიატოვა ბიზნესი და პატენტი დაუტოვა Bell Labs-ს.

ასე რომ, ჯავანს შეეძლო მთლიანად მიეძღვნა ლაზერი. მან იფიქრა მისი აშენება გაზების გამოყენებით და გამოაქვეყნა თავისი შემოთავაზებული დიზაინი Physical Review Letters-ში 1959 წელს. მან გადაწყვიტა გამოეყენებინა გაზი, როგორც აქტიური საშუალება, რადგან თვლიდა, რომ ეს მარტივი ნივთიერება გააადვილებდა კვლევას. თუმცა, მას მიაჩნდა, რომ შეუძლებელი იყო ძლიერი ნათურების გამოყენება ატომების უშუალოდ აღგზნებულ მდგომარეობაში გადასატანად და განიხილავდა აგზნებას ან ელექტრონებთან პირდაპირი შეჯახებით სუფთა ნეონის გარემოში, ან მეორე სახის შეჯახებით. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, გამონადენი მილი ივსება ორი გაზით, რომლებიც არჩეულია ისე, რომ პირველი გაზის ატომებმა, რომლებიც აღგზნებულია ელექტრონებთან შეჯახებით ელექტრული გამონადენის დროს, შეუძლიათ გადაიტანონ თავიანთი ენერგია მეორე გაზის ატომებზე, აღგზნონ ისინი. . გაზების ზოგიერთ ნარევს ჰქონდა ენერგეტიკული დონის სტრუქტურა, რომელიც აკმაყოფილებდა ამ პირობებს. ფაქტობრივად, აუცილებელია, რომ მეორე აირის ენერგეტიკულ დონეს ჰქონდეს ენერგია, რომელიც პრაქტიკულად უდრის პირველი გაზის აგზნების ენერგიას. გაზების შესაძლო კომბინაციებიდან ჯავანმა აირჩია ჰელიუმის და ნეონის კომბინაცია, რომლის დონეები ნაჩვენებია ნახ. 54. მას სჯეროდა, რომ ნებისმიერი ფიზიკური პროცესი მიდრეკილია დაამყაროს ენერგიის ბოლცმანის განაწილება დონეებზე (ანუ, ქვედა დონის მოსახლეობა უფრო მეტია, ვიდრე ზედა დონის მოსახლეობა). მაშასადამე, ინვერსიული პოპულაციის მქონე გარემო შეიძლება მიღებულ იქნას სტაციონარულ პროცესში მხოლოდ სხვადასხვა ფიზიკური პროცესების კონკურენციის შედეგად, რომლებიც მიმდინარეობს სხვადასხვა სიჩქარით.

ამის უკეთ გაგება შესაძლებელია ტოტებიანი ხის დათვალიერებით (ორი ნახ. 55), რომელზეც მაიმუნები სხედან. ჯერ განვიხილოთ პოპულაცია ბოლცმანის სტატისტიკის მიხედვით, ანუ, ვთქვათ, ოთხი მაიმუნი ზის ზედა ტოტზე (1), ხუთი ქვედაზე (2) და ექვსი მიწაზე (3, მთავარი დონე). ამ სამი საფეხურიდან მთავარი ყველაზე დასახლებულია და რაც უფრო მაღალია, მით ნაკლებია. თუმცა მაიმუნები ჯერ კიდევ არ სხედან, არამედ ხტებიან ტოტებზე (მაგალითად, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ ეს ყოველ წუთს ხდება). ამ შემთხვევაში, დონეებზე პოპულაციები დროში უცვლელი რჩება (ბალანსის სიტუაცია). დავუშვათ ახლა, რომ ჩვენ ვაგრძელებთ ტოტების დასახლებას იმავე სიჩქარით (ერთი მაიმუნი წუთში), მაგრამ ამავე დროს ვასველებთ მე-2 ტოტს და სრიალას ვაქცევთ. ახლა მაიმუნები მასზე, ვთქვათ, 10 წამზე მეტს ვერ ჩერდებიან. მაშასადამე, ეს ტოტი სწრაფად ვრცელდება და მალე მაიმუნი პირველ ტოტზე უფრო მეტია, ვიდრე მე-2 ტოტზე. ამრიგად, ინვერსიული პოპულაცია მიიღება იმის გამო, რომ მაიმუნის სხვადასხვა ტოტებზე ყოფნის დრო განსხვავებულია. მიუხედავად იმისა, რომ ეს ძალიან პრიმიტიული მოსაზრებებია, ისინი ხელს უწყობენ ჯავანის მოსაზრებების გაგებას.

ჰელიუმ-ნეონის ნარევის შერჩევამ გაიარა ფრთხილად შერჩევა, რათა მიგვეღო სისტემა, რომელიც ჰპირდებოდა ოპტიმალურ გარემოს და მხოლოდ შემდგომმა წარმატებამ მოიტანა უკან სრული ნდობა ჯავანში. მას შემდეგაც კი, რაც ის დარწმუნდა, რომ ჰელიუმ-ნეონი საუკეთესო ნაზავი იყო, ბევრი სკეპტიკოსი ამბობდა, რომ გაზის გამონადენი ძალიან ქაოტური იყო. ძალიან ბევრი გაურკვევლობა იყო, ამბობდნენ, და მისი მცდელობები ველურ ბათზე ნადირობას ჰგავდა.

ბრინჯი. 54. ჰელიუმის (He) და (Ne) ენერგეტიკული დონეები. ნაჩვენებია ძირითადი ლაზერული გადასვლები

სურ.55. ტურფაზე მაიმუნები განაწილებულია ბოლცმანის სტატისტიკის მიხედვით. ადგილზე უფრო მეტია და მათი რაოდენობა კლებულობს ტოტების სიმაღლესთან ერთად.

ჯავანმა ბევრი ფული დახარჯა, მაგრამ, საბედნიეროდ, სისტემამ იმუშავა, წინააღმდეგ შემთხვევაში ადმინისტრაცია მზად იყო პროექტის დახურვისა და ექსპერიმენტების შესაჩერებლად. პროექტის დასასრულისთვის ამ კვლევაზე ორი მილიონი დოლარი დაიხარჯა. მიუხედავად იმისა, რომ ეს თანხა აშკარად გადაჭარბებულია, პროექტი უდავოდ მოითხოვდა მნიშვნელოვან ხარჯებს.

იმავდროულად, ოქსფორდის უნივერსიტეტის ექსპერიმენტატორი ფიზიკოსი ჯონ სანდერსი მიწვეული იყო Bell Labs-ში ინფრაწითელი ლაზერის დანერგვის მიზნით. ამ კვლევისთვის გამოყოფილი ერთ წელზე ნაკლები ხნის განმავლობაში, სანდერსმა დრო არ დაკარგა თეორიულ შესწავლაზე, მაგრამ მაშინვე გადაწყვიტა სუფთა ჰელიუმის აღგზნება გამონადენის მილში, რომელშიც შიგნით იყო Fabry-Pero-ს რეზონატორი. ის ცდილობდა ლაზერული ეფექტის მიღებას ცდისა და შეცდომის გზით, ცვლიდა გამონადენის პარამეტრებს. მაქსიმალური მანძილი, რომელზედაც სარკეების დამონტაჟება შეიძლებოდა ერთმანეთის პარალელურად ყოფნისას იყო 15 სმ. სანდერსს არ გამოუყენებია აღარ გამონადენი მილები. ჯავანმა ეს ფუნდამენტურ შეზღუდვად მიიჩნია. მან ივარაუდა, რომ გაზში მომატება ძალიან მცირეა და სანდერსის რეზონატორი არ იმუშავებს. მილი, რომელსაც ჯავანი იყენებდა, გაცილებით გრძელი იყო და რადგანაც ძალიან რთული იყო Fabry-Perot სარკეების ასეთ მანძილზე რეგულირება, მან გადაწყვიტა ჯერ განსაზღვრა სამუშაო მოწყობილობისთვის საჭირო პარამეტრები, შემდეგ კი სარკეების საცდელი რეგულირება სცადა და შეცდომა. ასე მუშაობდა. ყველა წინასწარი სამუშაოს გარეშე He-Ne რეჟიმის არჩევისას ცნობილი მოგების მისაღებად, შეუძლებელი იყო წარმატების მიღწევა.

სანდერსმა გაუგზავნა წერილი Physical Review Letters-ს, რომელშიც ნათქვამია, რომ ძნელი იყო საკმარისად აღგზნებული ატომების მოპოვება ფლეშ ნათურებით და შესთავაზა ელექტრონის ზემოქმედების შედეგად წარმოქმნილი აგზნების გამოყენება. ასეთი აგზნება ადვილად შეიძლება განხორციელდეს ელექტრული გამონადენით გაზში ან ორთქლში. პოპულაციის ინვერსიის მიღება შესაძლებელია, თუ აქტიური მასალა შეიცავს აღგზნებულ მდგომარეობებს ხანგრძლივი სიცოცხლის ხანგრძლივობით, ასევე მდგომარეობებს დაბალი ენერგიით და ხანმოკლე სიცოცხლეებით (როგორც ჩვენ განვიხილეთ მაიმუნების მაგალითში).

ამ სტატიის შემდეგ დაუყოვნებლივ, Physical Review Letters-ის იმავე ნომერში, ა. ჯავანმა გამოაქვეყნა თავისი სტატია, რომელშიც ასევე განიხილა ეს პრობლემები და სხვა სქემებს შორის მან შესთავაზა ერთი ძალიან ორიგინალური. განვიხილოთ გაზში გრძელვადიანი მდგომარეობა. გამონადენის პირობებში, ეს მდგომარეობა შეიძლება სათანადოდ იყოს დასახლებული მისი ხანგრძლივი სიცოცხლის გამო. თუ მეორე აირის ახლა აღგზნებულ მდგომარეობას აქვს ენერგია ძალიან ახლოს ამ ხანგრძლივ მდგომარეობასთან, მაშინ ძალიან სავარაუდოა, რომ შეჯახებისას ენერგია გადაეცეს პირველი ატომიდან მეორეზე, რომელიც აგზნდება. თუ ამ ატომს აქვს სხვა დაბალი ენერგეტიკული მდგომარეობები, მაშინ ისინი დარჩებიან აუღელვებელი და, შესაბამისად, შეიძლება იყოს ინვერსიული პოპულაცია მაღალი ენერგიის მდგომარეობას შორის ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობასთან მიმართებაში. თავის ნაშრომში ჯავანმა ახსენა კრიპტონისა და ვერცხლისწყლის ნარევები, აგრეთვე ჰელიუმისა და ნეონის ნარევები. ეს ნაშრომი გამოქვეყნდა Physical Review Letters-ში 1959 წლის 3 ივნისს.

ჯავანი მჭიდროდ თანამშრომლობდა უილიამ რ. ბენეტთან, უმცროსთან, იელის უნივერსიტეტის სპექტროსკოპისტთან, რომელიც იყო ჯავანის მეგობარი კოლუმბიაში. მთელი წელი გვიანობამდე მუშაობდნენ. 1959 წლის შემოდგომაზე ჯავანმა პროექტში დახმარება სთხოვა დონალდ რ. ჰერიოტს, Bell Labs-ის ოპტიკურ ტექნიკოსს. ერთ-ერთი ფუნდამენტური პრობლემა იყო გამონადენის მილის მიწოდება ძალიან მაღალი ოპტიკური ხარისხის ორი გამჭვირვალე ფანჯრით, რათა არ დაამახინჯებინა გამომავალი სხივი. ასევე საჭირო იყო რეზონატორის სარკეების დაყენება. შემუშავდა სქემა (სურ. 56) გამონადენი მილის შიგნით სარკეებით, აღჭურვილი სპეციალური მოწყობილობებით მიკრომეტრიული ხრახნებით, რამაც შესაძლებელი გახადა სარკეების დახვეწა კუთხეებში. 1959 წლის სექტემბერში ბენეტი გადავიდა იელიდან Bell Labs-ში და ჯავანთან ერთად დაიწყო ინტენსიური და საფუძვლიანი კვლევის პროგრამა, ჰელიუმ-ნეონის ნარევების სპექტროსკოპული თვისებების გამოთვლა და გაზომვა სხვადასხვა პირობებში, რათა დაედგინა ფაქტორები, რომლებიც განსაზღვრავენ ინვერსიის წარმოება. მათ დაადგინეს, რომ საუკეთესო პირობებში, მხოლოდ ძალიან მცირე მოგება, 1,5%-ის ოდენობით შეიძლება მიღებულ იქნას. ამ დაბალმა მატებამ აუცილებელს გახადა დანაკარგების მინიმუმამდე შემცირება და სარკეების გამოყენება მაქსიმალური არეკვლის მქონე. ასეთი სარკეები მიიღება გამჭვირვალე ზედაპირზე (მინაზე) შესაფერისი (გამჭვირვალე) დიელექტრიკული მასალების მრავალი ფენის დეპონირებით სხვადასხვა რეფრაქციული მაჩვენებლით. არეკვლის მაღალი კოეფიციენტი მიიღება ფენებს შორის საზღვრებზე ანარეკლებში მრავალმხრივი ჩარევის გამო. სამმა მკვლევარმა შეძლო გამოეყენებინა სარკეები, რომლებსაც ჰქონდათ არეკვლა 98,9% ტალღის სიგრძეზე 1,15 მკმ.

ბრინჯი. 56. ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის დიაგრამა, რომელიც აშენებულია ჯავანის, ბენეტისა და ჰერიოტის მიერ

1960 წელს ჯავანმა ბენეტმა და ჰერიოტმა საბოლოოდ გამოსცადეს თავიანთი ლაზერი. პირველ რიგში, ისინი ცდილობდნენ ელექტრული განმუხტვის განხორციელებას კვარცის მილში, რომელიც შეიცავს აირის ნარევს მძლავრი მაგნეტრონის გამოყენებით, მაგრამ მილი დნება. მომიწია აღჭურვილობის გადაკეთება და ცვლილებების შეტანა. 1960 წლის 12 დეკემბერს მათ დაიწყეს მუშაობა ახალი მილისა და გამონადენის ორგანიზაციაზე. ისინი ცდილობდნენ სარკეების მორგებას ისე, რომ ლასინგი მიეღოთ, მაგრამ უშედეგოდ. შემდეგ, შუადღისას, ჰერიოტმა დაინახა სიგნალი: „როგორც ყოველთვის, ერთ-ერთ სარკეზე მიკრომეტრულ ხრახნებს ვატრიალებდი, როცა უცებ სიგნალი გამოჩნდა ოსცილოსკოპზე. ჩვენ დავაყენეთ მონოქრომატორი და ჩავწერეთ სიგნალის პიკი ტალღის სიგრძეზე 1,153 მკმ, ე.ი. მოსალოდნელ ტალღის სიგრძეზე. დაიბადა პირველი ლაზერი, რომელიც იყენებდა გაზს, როგორც აქტიურ საშუალებას და მუშაობდა უწყვეტ რეჟიმში! მისი გამოსხივება ახლო ინფრაწითელ დიაპაზონში იყო და ამიტომ თვალისთვის უხილავი. რეგისტრაციისთვის საჭირო იყო ოსცილოსკოპთან დაკავშირებული შესაბამისი მიმღები.

და ექვსი თვით ადრე, ედ ბალიკმა, ტექნიკოსმა, რომელიც დაეხმარა, მოგვიანებით მიიღო ხარისხი ოქსფორდის უნივერსიტეტიდან და ასწავლიდა კანადაში, იყიდა ასი წლის ბოთლი ღვინო. იგი განკუთვნილი იყო საზეიმო მომენტისთვის - ლაზერის ექსპლუატაციის დღესთან დაკავშირებით. როდესაც ლაზერული ექსპერიმენტები საბოლოოდ დასრულდა, რამდენიმე დღის შემდეგ ჯავანმა დაურეკა Bell Labs-ის ხელმძღვანელს და მიიწვია ღონისძიების დასაბანად ასი წლის ღვინით. ის საშინლად აღფრთოვანებული იყო, მაგრამ შემდეგ წამოიძახა: „ჯანდაბა, ალი. Ჩვენ პრობლემა გვაქვს!". ეს მოხდა დილით, ჯავან, და ვერ გავიგე რა პრობლემა იყო. მაგრამ შუადღისას, ლაბორატორიის ირგვლივ გავრცელდა ცირკულარი, რომელიც აზუსტებდა წინას, რომელიც რამდენიმე თვით ადრე იყო გაცემული და კრძალავდა ალკოჰოლის დალევას სამეცნიერო ცენტრის ტერიტორიაზე. განმარტება კრძალავდა 100 წლამდე ასაკის ნებისმიერი ალკოჰოლის დალევას. ამის შემდეგ მათ სათვალეები ასწიეს წარმატებისთვის წესების დარღვევის გარეშე!

პირველი ლაზერი მოქმედებდა 1,15 μm გადასვლით, ახლო IR დიაპაზონში. ჯავანმა გამოიყენა სარკეები, რომლებსაც ჰქონდათ მაქსიმალური არეკვლა ამ ტალღის სიგრძეზე, რაც შეესაბამება ნეონის ერთ-ერთ შესაძლო გადასვლას. მან იცოდა, რომ არსებობდა სხვა შესაძლო ტალღის სიგრძე. მან აირჩია ეს ტალღის სიგრძე, რადგან მისმა კვლევამ აჩვენა, რომ მასში ყველაზე დიდი მოგების მოსალოდნელი იყო. ხილულ რეგიონში გადასვლების გამოსაყენებლად საჭირო იყო ისეთი მცირე დიამეტრის მილი, რომ შეუძლებელი იყო ბრტყელი სარკეების მორგება, რომლებიც იმ დროს იყენებდნენ Fabry-Pero-ს რეზონატორს.

იავურ ლაზერში გამონადენი მილი შეიცავდა ნეონს და ჰელიუმს შესაბამისად 0,1 და 1 Torr წნევით (1 Torr არის ერთი ატმოსფეროს წნევის თითქმის მეათასედი). შერწყმული კვარცის მილი იყო 80 სმ სიგრძისა და 1,5 სმ დიამეტრის, თითოეულ ბოლოში იყო ლითონის ღრუ, რომელიც შეიცავდა მაღალ ამრეკლავ ბრტყელ სარკეებს. გამოყენებული იყო მოქნილი სამაჯური (ბელი), რამაც შესაძლებელი გახადა Fabry-Pero-ს სარკეების მორგება (ზუსტი დახრილობით) მიკრომეტრიანი ხრახნებით. ამან შესაძლებელი გახადა პარალელურობის უზრუნველყოფა 6 რკალის წამის სიზუსტით. ბოლოებზე იყო ბრტყელი მინის ფანჯრები 100 ა-ზე უკეთესი სიზუსტით გაპრიალებული ზედაპირით. ისინი შესაძლებელს ხდიდნენ რადიაციული სხივის გამოსხივებას დამახინჯების გარეშე. ელექტრული გამონადენი აღფრთოვანებული იყო გარე ელექტროდებით 28 MHz ოსცილატორის გამოყენებით 50 ვატი სიმძლავრით. მაღალი არეკვლის მქონე სარკეები მიიღეს დიელექტრიკული მასალის 13 ფენის (MgF 2, ZnS) დეპონირებით. 1.1-დან 1.2 მკმ-მდე, არეკვლა იყო 98.9%. ლაზერი მუდმივად მუშაობდა და იყო ამ ტიპის პირველი ლაზერი.

ჰიუზის მაგალითის მიხედვით, Bell Labs-მა ასევე გამართა ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის საჯარო დემონსტრირება 1960 წლის 14 დეკემბერს. კომუნიკაციისთვის შესაძლო მნიშვნელობის საჩვენებლად, სატელეფონო საუბარი გადაეცა ლაზერული გამოსხივების სხივის გამოყენებით, რომელიც მოდულირებული იყო ტელეფონით. სიგნალი.

ეს ლაზერი ცნობილი გახდა, როგორც He-Ne ლაზერი, მისი კომპონენტების ქიმიური სიმბოლოების გამოყენებით. იგი პრესას წარუდგინეს 1961 წლის 31 იანვარს. ნაშრომი, რომელიც აღწერდა მას, გამოქვეყნდა 1960 წლის 30 დეკემბერს Physical Review Letters-ში.

სანამ ჯავანი ატარებდა ექსპერიმენტებს 1960 წლის გაზაფხულზე, Bell Labs-ის ორმა მკვლევარმა, ა. ფოქსმა და ტ. ლიმ, დაიწყეს კითხვის შესწავლა, თუ რა რეჟიმები არსებობს Fabry-Pero-ს რეზონატორში. ფაქტია, რომ Fabry-Pero-ს რეზონატორი ძალიან განსხვავდება მიკროტალღური რეზონატორებისგან დახურული ღრუების სახით. მათ განსაზღვრეს ამ რეჟიმების ფორმა და მათმა შედეგმა აიძულა Bell Labs-ის სხვა მკვლევარები, გარი დ. ბონდი, ჯეიმს გორდონი და ჰერვიგ კოგელნიკი, ეპოვათ ანალიტიკური გადაწყვეტილებები სფერული სარკეების შემთხვევაში. ოპტიკური ღრუების შესწავლის მნიშვნელობა გაზის ლაზერების განვითარებისთვის არ შეიძლება შეფასდეს. ამ შედეგების მიღებამდე, გაზის ლაზერი იყო, საუკეთესო შემთხვევაში, ზღვრული მოწყობილობა, რომლის წარმოქმნა დიდად იყო დამოკიდებული ბოლო სარკეების გასწორებაზე. სფერული სარკეების მქონე რეზონატორების თეორიულმა კვლევებმა აჩვენა, რომ შეიძლება იყოს კონფიგურაციები, რომლებიც შედარებით სუსტად არის დამოკიდებული სარკეების გასწორებაზე, ხოლო შიდა დანაკარგები რეზონატორში შეიძლება იყოს უფრო მცირე, ვიდრე ბრტყელი სარკეებით რეზონატორში. ეს საშუალებას იძლევა გამოიყენოს აქტიური მედიის მნიშვნელოვნად დაბალი მოგება, ვიდრე ადრე ეგონათ. ბრტყელი სარკეებით რეზონატორი პრაქტიკულად მიტოვებული იყო და ახალი გაზის ლაზერების ყველა აღმოჩენა გაკეთდა სფერული სარკეებით რეზონატორების გამოყენებით.

1961 წელს Bell Labs-ში დაიწყო ლაზერული კვლევის ძირითადი პროგრამა. სხვა პრობლემებით დაკავებული მკვლევარები გადააკეთეს ახალ თემებზე, დაიქირავეს ახალი თანამშრომლები. გადაწყვეტილებამ გამოიყენოს ორი იდენტური სფერული სარკე რეზონატორში, რომელიც მდებარეობს მათ ფოკუსში (ამ კონფიგურაციას ეწოდება კონფოკალური რეზონატორი) აჩვენა, თუ რა სირთულეებს შეეძლო აეცილებინა ჯავანი, თუ გამოიყენებდა ასეთ რეზონატორს. შედეგად, უილიამ რიგროდმა, ჰერვიგ კოგელნიკმა, დონალდ რ. ჰერიოტმა და დ.ჯ. ბრანგაციომ 1962 წლის გაზაფხულზე ააშენეს პირველი კონფოკალური რეზონატორი სფერული სარკეებით, რომლებიც აკონცენტრირებენ შუქს გამონადენი მილის ღერძზე, ეს სარკეები მოთავსებულია გარეთ. მილის. ამან შესაძლებელი გახადა გენერაციის მიღება 6328 A წითელ ხაზზე. სინათლის ნაწილი გარდაუვლად იკარგება ფანჯრის ზედაპირების ანარეკლებში (ფრესნელის ასახვა). თუმცა, ამ დანაკარგების თავიდან აცილება შესაძლებელია ფანჯრების გარკვეული კუთხით დახრილობით, რომელსაც ბრუსტერის კუთხე ეწოდება. ამ შემთხვევაში, გარკვეული პოლარიზაციის ფონზე, დანაკარგები პრაქტიკულად ნულის ტოლია. ეს ახალი ლაზერული კონფიგურაცია ნაჩვენებია ნახ. 57.

ბრინჯი. 57. კონფოკალური ოპტიკური რეზონატორი. მილი, რომელშიც გაზი აღგზნებულია ელექტრული გამონადენით, დახურულია ფანჯრებით, რომლებიც ბრუსტერის კუთხით არის დახრილი. ჩაზნექილი სარკეები თანაბარი სიმრუდის რადიუსით მოთავსებულია მილის უკან ისე, რომ მათ შორის მანძილი ტოლი იყოს გამრუდების რადიუსზე.

წითელი ჰე-ნე ლაზერი ფართოდ გამოიყენება და დღემდე გამოიყენება, კერძოდ, მედიცინაში. გარდა ამისა, ის დიდად უწყობს ხელს ლაზერული (უაღრესად თანმიმდევრული) და ჩვეულებრივი (არათანმიმდევრული) შუქის ფუნდამენტური განსხვავებების გაგებას. ამ ლაზერით ადვილად შეიმჩნევა ჩარევის ფენომენები, ასევე ლაზერის სხივის რეჟიმის სტრუქტურა, რომელიც ადვილად და ნათლად იცვლება რეზონატორის სარკის უმნიშვნელო დახრით. ასევე სტიმულირებული იყო სხვა, მრავალრიცხოვანი ტიპის ლაზერების განვითარებაც.

თანამედროვე He-Ne ლაზერს შეუძლია შექმნას ნახ. 54. ამისათვის კეთდება მრავალშრიანი სარკეები სასურველ ტალღის სიგრძეზე მაქსიმალური არეკვით. გენერაცია მიიღება ტალღის სიგრძეზე 3,39 μm, 1,153 μm, 6328 A° და სპეციალური სარკეების გამოყენებისასც კი, ტალღის სიგრძეზე 5433 A (მწვანე ხაზი), 5941 A° (ყვითელი ხაზი), 6120 A° (ნარინჯისფერი ხაზი).

ავტორის წიგნიდან

მეორე მყარი მდგომარეობის ლაზერი 1959 წლის სექტემბერში ტაუნსმა მოაწყო კონფერენცია თემაზე "კვანტური ელექტრონიკა - რეზონანსული ფენომენი", სადაც, მიუხედავად იმისა, რომ ლაზერი ჯერ არ იყო შექმნილი, არაფორმალური დისკუსიების უმეტესობა ორიენტირებული იყო ლაზერებზე. ამ კონფერენციას ესწრებოდა პიტერი.

ავტორის წიგნიდან

ცეზიუმის ლაზერი 1961 წელი იყო კიდევ ორი ​​ლაზერის დანერგვის წელი, რომელზედაც სპეციალისტები მუშაობდნენ ლაზერის კონცეფციის დაწყებიდანვე. ერთ-ერთი მათგანი იყო ცეზიუმის ლაზერი. მას შემდეგ, რაც თაუნსმა და შავლოვმა დაწერეს თავიანთი ნაშრომი, გადაწყდა, რომ თაუნსი ცდილობდა ლაზერის აგებას.

ავტორის წიგნიდან

ნეოდიმის ლაზერი კიდევ ერთი ლაზერი, რომელიც გამოვიდა 1961 წელს და დღემდე ერთ-ერთი მთავარია, არის ნეოდიმის მინის ლაზერი. 1959-1960 წლებში. ამერიკული ოპტიკური კომპანია ასევე დაინტერესდა ლაზერული გამოკვლევით, რომელიც მისმა ერთ-ერთმა მეცნიერმა ელიას სნიცერმა ჩაატარა. ეს

ავტორის წიგნიდან

არსებობს თუ არა ლაზერი ბუნებაში? პასუხი, როგორც ჩანს, დიახ! ლაზერული გამოსხივება ტალღის სიგრძით დაახლოებით 10 μm (ტიპიური ნახშირორჟანგის ემისიის ხაზი, რომელიც მუშაობს მაღალი სიმძლავრის CO2 ლაზერებით, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება, განსაკუთრებით მასალების დამუშავებისთვის) იყო.

ავტორის წიგნიდან

ავტორის წიგნიდან

Laser and the Moon Bell Labs-მა გამოიყენა ერთ-ერთი პირველი ლაზერი მთვარის ზედაპირის ტოპოგრაფიის შესასწავლად. 1969 წლის 21 ივლისს მთვარეზე გაგზავნილი Apollo 11-ის ექსპედიციის დროს ასტრონავტებმა მის ზედაპირზე დაამონტაჟეს ორი კუთხის რეფლექტორი, რომელსაც შეეძლო ლაზერული სინათლის ასახვა.

ამ სამუშაოს მიზანია გაზის ლაზერის ძირითადი მახასიათებლებისა და პარამეტრების შესწავლა, რომელშიც აქტიურ ნივთიერებად გამოიყენება ჰელიუმის და ნეონის აირების ნარევი.

3.1. ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის მუშაობის პრინციპი

ჰელიუმის ნეონის ლაზერი არის ტიპიური და ყველაზე გავრცელებული გაზის ლაზერი. ის მიეკუთვნება ატომური აირის ლაზერებს და მისი აქტიური გარემო არის ინერტული აირების ნეიტრალური (არაიონიზებული) ატომების - ჰელიუმის და ნეონის ნარევი. ნეონი არის მოქმედი გაზი და ხდება გადასვლები მის ენერგეტიკულ დონეებს შორის თანმიმდევრული ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გამოსხივებით. ჰელიუმი ასრულებს დამხმარე გაზის როლს და ხელს უწყობს ნეონის აგზნებას და მასში პოპულაციის ინვერსიის შექმნას.

ნებისმიერ ლაზერში გენერირების დასაწყებად, ორი მნიშვნელოვანი პირობა უნდა დაკმაყოფილდეს:

1. უნდა არსებობდეს პოპულაციის ინვერსია სამუშაო ლაზერულ დონეებს შორის.

2. აქტიურ გარემოში მომატება უნდა აღემატებოდეს ლაზერში არსებულ ყველა დანაკარგს, რადიაციის გამომავალი "სასარგებლო" დანაკარგების ჩათვლით.

თუ სისტემას აქვს ორი დონე ე 1 და ე 2 თითოეულ მათგანზე ნაწილაკების რაოდენობით, შესაბამისად ნ 1 და ნ 2 და გადაგვარების ხარისხი გ 1 და გ 2 , მაშინ მოსახლეობის ინვერსია მოხდება პოპულაციის დროს ნ 2 /გ 2 უმაღლესი დონე ე 2 მეტი მოსახლეობა იქნება ნ 1 /გ 1 ქვედა დონე ე 1, ანუ ინვერსიის ხარისხი Δ ნდადებითი იქნება:

თუ დონეები ე 1 და ე 2 არადეგენერატია, მაშინ ინვერსიისთვის აუცილებელია ნაწილაკების რაოდენობა ნ 2 უმაღლეს დონეზე ე 2 მეტი იყო ნაწილაკების რაოდენობაზე ნ 1 ქვედა დონეზე ეერთი . დონეები, რომელთა შორისაც შესაძლებელია პოპულაციის ინვერსიის ფორმირება და იძულებითი გადასვლების წარმოქმნა თანმიმდევრული ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გამოსხივებით, ე.წ. სამუშაო ლაზერული დონეები.

მოსახლეობის ინვერსიის მდგომარეობა იქმნება გამოყენებით სატუმბი- გაზის ატომების აგზნება სხვადასხვა მეთოდით. გარე წყაროს ენერგიის გამო ე.წ ტუმბოს წყარო, Ne ატომი მიწის ენერგიის დონიდან ე 0 , რომელიც შეესაბამება თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობას, გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში Ne*. გადასვლები შეიძლება მოხდეს სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეზე, ტუმბოს ინტენსივობის მიხედვით. შემდეგ ხდება სპონტანური ან იძულებითი გადასვლები ენერგიის დაბალ დონეებზე.

უმეტეს შემთხვევაში, არ არის აუცილებელი ყველა შესაძლო გადასვლის განხილვა სისტემის ყველა სახელმწიფოს შორის. ეს შესაძლებელს ხდის ლაზერის მუშაობის ორ, სამ და ოთხდონიან სქემებზე საუბარი. ლაზერის მუშაობის სქემის ტიპი განისაზღვრება აქტიური საშუალების თვისებებით, ასევე გამოყენებული სატუმბი მეთოდით.

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერი მუშაობს სამ დონის სქემით, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 3.1. ამ შემთხვევაში, სატუმბი და გამოსხივების წარმოქმნის არხები ნაწილობრივ გამოყოფილია. აქტიური ნივთიერების ამოტუმბვა იწვევს მიწის დონიდან გადასვლას ე 0 აღფრთოვანებულ დონემდე ე 2, რაც იწვევს სამუშაო დონეებს შორის მოსახლეობის ინვერსიის გამოჩენას ე 2 და ეერთი . აქტიურ გარემოს, რომელიც იმყოფება სამუშაო დონეების პოპულაციის ინვერსიის მდგომარეობაში, შეუძლია ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გაძლიერება სიხშირით.
სტიმულირებული ემისიის პროცესების გამო.

ბრინჯი. 3.1. სამუშაო და დამხმარე აირის ენერგიის დონის დიაგრამა, რომელიც ხსნის ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის მუშაობას

ვინაიდან აირებში ენერგიის დონის გაფართოება მცირეა და არ არის ფართო შთანთქმის ზოლები, ძნელია ინვერსიული პოპულაციის მიღება ოპტიკური გამოსხივების გამოყენებით. თუმცა, აირებში შესაძლებელია გადატუმბვის სხვა მეთოდები: პირდაპირი ელექტრონული აგზნება და რეზონანსული ენერგიის გადაცემა ატომების შეჯახებისას. ელექტრონებთან შეჯახებისას ატომების აგზნება ყველაზე მარტივად შეიძლება განხორციელდეს ელექტრულ გამონადენში, სადაც ელექტრონები აჩქარებულია ელექტრული ველით. შეუძლია შეიძინოს მნიშვნელოვანი კინეტიკური ენერგია. ელექტრონების ატომებთან არაელასტიური შეჯახებისას ეს უკანასკნელი გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში ე 2:

მნიშვნელოვანია, რომ პროცესს (3.4) ჰქონდეს რეზონანსული ხასიათი: ენერგიის გადაცემის ალბათობა მაქსიმალური იქნება, თუ სხვადასხვა ატომების აღგზნებული ენერგეტიკული მდგომარეობები ემთხვევა, ანუ რეზონანსშია.

He-სა და Ne-ს ენერგეტიკული დონეები და ძირითადი სამუშაო გადასვლები დეტალურად არის ნაჩვენები ნახ.1-ში. 3.2. გაზის ატომების სწრაფ ელექტრონებთან (3.2) და (3.3) არაელასტიური ურთიერთქმედების შესაბამისი გადასვლები ნაჩვენებია წერტილოვანი ისრებით ზემოთ. ელექტრონის ზემოქმედების შედეგად ჰელიუმის ატომები აღგზნებულია 2 1 S 0 და 2 3 S 1 დონემდე, რომლებიც მეტასტაბილურია. რადიაციული გადასვლები ჰელიუმში საწყის მდგომარეობაში 1 S 0 აკრძალულია შერჩევის წესებით. როდესაც აღგზნებული He ატომები ეჯახებიან Ne ატომებს ძირითად მდგომარეობაში 1 S 0, შესაძლებელია აგზნების გადაცემა (3.4) და ნეონი გადადის ერთ-ერთ 2S ან 3S დონეზე. ამ შემთხვევაში რეზონანსული პირობა დაკმაყოფილებულია, ვინაიდან დამხმარე და სამუშაო აირში მიწისა და აღგზნებულ მდგომარეობებს შორის ენერგეტიკული უფსკრული ახლოს არის ერთმანეთთან.

რადიაციული გადასვლები შეიძლება მოხდეს ნეონის 2S და 3S დონეებიდან 2P და 3P დონეზე. P დონეები ნაკლებად დასახლებულია ვიდრე S-ის ზედა დონეები, ვინაიდან არ ხდება ენერგიის პირდაპირი გადაცემა He-ის ატომებიდან ამ დონეებზე. გარდა ამისა, P დონეებს აქვთ ხანმოკლე სიცოცხლე, ხოლო არარადიაციული გადასვლა P → 1S აშორებს P დონეებს. ამრიგად, სიტუაცია (3.1) წარმოიქმნება, როდესაც ზედა დონის S პოპულაცია უფრო მაღალია, ვიდრე ქვედა დონის P. ანუ, S და P დონეებს შორის ხდება პოპულაციის ინვერსია, რაც ნიშნავს, რომ მათ შორის გადასვლები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლაზერული გენერირებისთვის.

ვინაიდან S და P დონეების რაოდენობა დიდია, მათ შორის შესაძლებელია სხვადასხვა კვანტური გადასვლების დიდი ნაკრები. კერძოდ, ოთხი 2S დონიდან ათ 2P დონემდე, შერჩევის წესებით ნებადართულია 30 განსხვავებული გადასვლა, რომელთა უმეტესობა გენერირებულია. ყველაზე ძლიერი ემისიის ხაზი 2S → 2P გადასვლების დროს არის 1,1523 μm ხაზი (სპექტრის ინფრაწითელი რეგიონი). 3S→2Р გადასვლებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი ხაზია 0,6328 μm (წითელი რეგიონი), ხოლო 3S→3Р – 3,3913 μm (IR რეგიონი). სპონტანური ემისია ხდება ყველა ჩამოთვლილ ტალღის სიგრძეზე.

ბრინჯი. 3.2. ჰელიუმის და ნეონის ატომების ენერგეტიკული დონეები და ჰე-ნე ლაზერის მუშაობის სქემა

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, რადიაციული გადასვლის შემდეგ P დონეებზე, არარადიაციული რადიაციული დაშლა ხდება P → 1S გადასვლების დროს. სამწუხაროდ, ნეონის 1S დონეები მეტასტაბილურია და თუ აირის ნარევი არ შეიცავს სხვა მინარევებს, მაშინ ნეონის ატომების 1S დონიდან ძირითად მდგომარეობაში გადასვლის ერთადერთი გზა არის ჭურჭლის კედლებთან შეჯახება. ამ მიზეზით, სისტემის მომატება იზრდება გამონადენი მილის დიამეტრის შემცირებით. ვინაიდან ნეონის 1S მდგომარეობები ნელ-ნელა იშლება, ნეონის ატომები შენარჩუნებულია ამ მდგომარეობებში, რაც ძალზე არასასურველია და განსაზღვრავს ამ ლაზერის რიგ მახასიათებლებს. კერძოდ, ტუმბოს დენი იზრდება ზღვრულ მნიშვნელობაზე მაღლა ჯშემდეგ ხდება სწრაფი ზრდა, შემდეგ გაჯერება და ლაზერული გამოსხივების სიმძლავრის დაქვეითებაც კი, რაც განპირობებულია სამუშაო ნაწილაკების დაგროვებით 1S დონეზე და შემდეგ მათი გადატანა 2P ან 3P მდგომარეობებში ელექტრონებთან შეჯახებისას. ეს შეუძლებელს ხდის მაღალი გამომავალი გამოსხივების სიმძლავრის მიღებას.

ინვერსიული პოპულაციის წარმოქმნა დამოკიდებულია ნარევში He-სა და Ne-ს წნევაზე და ელექტრონის ტემპერატურაზე. გაზის წნევის ოპტიმალური მნიშვნელობებია He-სთვის 133 Pa და Ne-სთვის 13 Pa. ელექტრონის ტემპერატურა მოცემულია გაზის ნარევზე გამოყენებული ძაბვით. როგორც წესი, ეს ძაბვა შენარჩუნებულია 2…3 კვ-ის დონეზე.

ლაზერული გენერირების მისაღებად აუცილებელია დადებითი გამოხმაურება არსებობდეს ლაზერში, წინააღმდეგ შემთხვევაში მოწყობილობა იმუშავებს მხოლოდ როგორც გამაძლიერებელი. ამისათვის აქტიური აირისებრი გარემო მოთავსებულია ოპტიკურ რეზონატორში. უკუკავშირის შექმნის გარდა, რეზონატორი გამოიყენება რხევების ტიპების შესარჩევად და წარმოქმნის ტალღის სიგრძის შესარჩევად, რისთვისაც გამოიყენება სპეციალური სელექციური სარკეები.

ზღურბლთან ახლოს ტუმბოს დონეზე, ერთი ტიპის რხევაზე ლაზირება შედარებით მარტივია. აგზნების დონის მატებასთან ერთად, თუ არ მიიღება სპეციალური ზომები, წარმოიქმნება რიგი სხვა რეჟიმი. ამ შემთხვევაში გენერირება ხდება რეზონანსის რეზონანსულ სიხშირეებთან ახლოს სიხშირეებზე, რომლებიც შეიცავს ატომური ხაზის სიგანეს. ვიბრაციების ღერძული ტიპების შემთხვევაში (TEM 00 - რეჟიმი), სიხშირის მანძილი მიმდებარე მაქსიმუმებს შორის
, სად ლარის რეზონატორის სიგრძე. რამდენიმე რეჟიმის ერთდროული არსებობის შედეგად, ემისიის სპექტრში წარმოიქმნება დარტყმები და არაერთგვაროვნება. თუ მხოლოდ ღერძული რეჟიმები არსებობდა, მაშინ სპექტრი იქნებოდა ცალკეული ხაზები, რომელთა შორის მანძილი ტოლი იქნებოდა გ / 2ლ. მაგრამ ასევე შესაძლებელია რეზონატორში არაღერძული ტიპის რხევების აღგზნება, მაგალითად, TEM 10 რეჟიმები, რომელთა არსებობა ძლიერ არის დამოკიდებული სარკეების რეგულირებაზე. აქედან გამომდინარე, დამატებითი სატელიტური ხაზები ჩნდება ემისიის სპექტრში, რომლებიც განლაგებულია სიმეტრიულად სიხშირით ღერძული ტიპის ვიბრაციების ორივე მხარეს. ახალი ტიპის რხევების გამოჩენა ტუმბოს დონის ზრდით ადვილად განისაზღვრება რადიაციული ველის სტრუქტურის ვიზუალური დაკვირვებით. ასევე შესაძლებელია ვიზუალურად დავაკვირდეთ რეზონატორის განლაგების გავლენას თანმიმდევრული გამოსხივების რეჟიმების სტრუქტურაზე.

აირები უფრო ერთგვაროვანია ვიდრე შედედებული გარემო. ამრიგად, გაზში სინათლის სხივი ნაკლებად დამახინჯებულია და მიმოფანტულია, ხოლო ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის გამოსხივება ხასიათდება კარგი სიხშირის მდგრადობით და მაღალი მიმართულობით, რომელიც აღწევს თავის ზღვარს დიფრაქციული ფენომენების გამო. დივერგენციის დიფრაქციული ლიმიტი კონფოკალური რეზონატორისთვის

,

სადაც λ არის ტალღის სიგრძე; დ 0 არის სინათლის სხივის დიამეტრი მის ვიწრო ნაწილში.

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერის გამოსხივება ხასიათდება მონოქრომატულობის და თანმიმდევრულობის მაღალი ხარისხით. ასეთი ლაზერის ემისიის ხაზების სიგანე გაცილებით ვიწროა, ვიდრე სპექტრული ხაზის "ბუნებრივ" სიგანეზე და სიდიდის მრავალი რიგით ნაკლებია, ვიდრე თანამედროვე სპექტრომეტრების გარჩევადობის შემზღუდავი ხარისხი. ამიტომ, მის დასადგენად, იზომება რადიაციაში სხვადასხვა რეჟიმის დარტყმების სპექტრი. გარდა ამისა, ამ ლაზერის გამოსხივება სიბრტყეზეა პოლარიზებული ფანჯრების გამოყენების გამო, რომლებიც მდებარეობს ბრუსტერის კუთხით რეზონატორის ოპტიკურ ღერძზე.

რადიაციის თანმიმდევრულობის მტკიცებულება შეიძლება იყოს დიფრაქციის ნიმუშის დაკვირვება წყაროს სხვადასხვა წერტილიდან მიღებული გამოსხივების ზედმეტად. მაგალითად, თანმიმდევრულობა შეიძლება შეფასდეს მრავალი სლოტის სისტემიდან ჩარევის დაკვირვებით. იანგის გამოცდილებიდან ცნობილია, რომ ჩვეულებრივი „კლასიკური“ წყაროდან სინათლის ჩარევაზე დასაკვირვებლად, რადიაცია ჯერ ერთ ჭრილში გადის, შემდეგ კი ორ ჭრილში, შემდეგ კი ეკრანზე წარმოიქმნება ჩარევის ზღურბლები. ლაზერული გამოსხივების გამოყენების შემთხვევაში პირველი ჭრილი არასაჭირო აღმოჩნდება. ეს გარემოება ფუნდამენტურია. გარდა ამისა, მანძილი ორ ჭრილსა და მათ სიგანეს შორის შეიძლება იყოს შეუდარებლად მეტი ვიდრე კლასიკურ ექსპერიმენტებში. გაზის ლაზერის გასასვლელ ფანჯარაში არის ორი ჭრილი, რომელთა შორის მანძილი არის 2 ა. იმ შემთხვევაში, როდესაც ინციდენტის გამოსხივება თანმიმდევრულია, ეკრანზე, რომელიც მდებარეობს მანძილზე დჭრილებიდან შეინიშნება ჩარევის ნიმუში. ამ შემთხვევაში, მანძილი ზოლების მაქსიმუმებს შორის

.

ყველაზე გავრცელებული გაზის ლაზერი არის ჰელიუმ-ნეონი ( ჰე-ნე) ლაზერი (ნეიტრალური ატომის ლაზერი), რომელიც მოქმედებს ჰელიუმისა და ნეონის ნარევზე 10:1 თანაფარდობით. ეს ლაზერი ასევე არის პირველი უწყვეტი ლაზერი.

განვიხილოთ ჰელიუმის და ნეონის დონის ენერგეტიკული სქემა (ნახ. 3.4). გენერაცია ხდება ნეონის დონეებს შორის და ჰელიუმი ემატება სატუმბი პროცესის განსახორციელებლად. როგორც ნახატიდან ჩანს, დონეები 2 3 S 1და 2 1 S 0ჰელიუმი განლაგებულია, შესაბამისად, დონეებთან ახლოს 2 წმდა 3 წმარა ის. იმის გამო, რომ ჰელიუმის დონე 2 3 S 1და 2 1 S 0ისინი მეტასტაბილურები არიან, მაშინ როდესაც მეტასტაბილური აღგზნებული ჰელიუმის ატომები ნეონის ატომებს ეჯახება, იქნება რეზონანსული ენერგიის გადაცემა ნეონის ატომებზე (მეორე სახის შეჯახება).

ასე რომ, დონეები 2 წმდა 3 წმნეონის დასახლება შესაძლებელია და, შესაბამისად, წარმოქმნა შეიძლება ამ დონეებიდან. Სიცოცხლის განმავლობაში ს-სახელმწიფოები ( თ ს» 100 ნს) გაცილებით მეტი სიცოცხლე რ-სახელმწიფოები ( t გვ»10 ns), ასე რომ, დაკმაყოფილებულია შემდეგი პირობა ლაზერის მუშაობისთვის ოთხი დონის სქემის მიხედვით:

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

ლაზერული გამომუშავება შესაძლებელია ერთ-ერთ გადასვლებზე ა, ბ, გტალღის სიგრძის მიხედვით ლ ა=3.39 მკმ, LB=0.633 მკმ, ს=1,15 მკმ, რომელიც შეიძლება მივიღოთ რეზონატორის სარკეების არეკვლის კოეფიციენტის შერჩევით ან რეზონატორში დისპერსიული ელემენტების შეყვანით.

ბრინჯი. 3.4. ჰელიუმის და ნეონის ენერგიის დონის სქემა.

განვიხილოთ ასეთი ლაზერის დამახასიათებელი თაობა.

სურ.3.5. ჰელიუმ-ნეონის ლაზერისთვის დამახასიათებელი თაობა.

გამომავალი სიმძლავრის საწყისი ზრდა ტუმბოს დენის გაზრდით აიხსნება პოპულაციის ინვერსიით. მაქსიმალური სიმძლავრის მიღწევის შემდეგ, მრუდი იწყებს შემცირებას ტუმბოს დენის შემდგომი ზრდით. ეს აიხსნება იმით, რომ 2p და 1s დონეებს არ აქვთ დასვენების დრო; ელექტრონებს არ აქვთ დრო, რომ გადავიდნენ დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე და ელექტრონების რაოდენობა მეზობელ 2p და 1s დონეზე ხდება იგივე. ამ შემთხვევაში ინვერსია არ არის.

ჰელიუმ-ნეონის ლაზერების ეფექტურობა არის 0,1%-ის ოდენობით, რაც აიხსნება აღგზნებული ნაწილაკების დაბალი მოცულობითი სიმკვრივით. ტიპიური გამომავალი სიმძლავრე ჰე-ნე- ლაზერი პ~5-50 მვტ, დივერგენცია ქ~ 1 მრ.

არგონის ლაზერი

ეს არის ყველაზე მძლავრი უწყვეტი ტალღის ლაზერები ხილულ და ახლო ულტრაიისფერ სპექტრულ რეგიონში, რომლებიც დაკავშირებულია იონური აირის ლაზერებთან. სამუშაო აირში ზედა ლაზერული დონე დასახლებულია ელექტრონების ორი თანმიმდევრული შეჯახების გამო ელექტრული გამონადენის დროს. პირველ შეჯახებისას იონები წარმოიქმნება ნეიტრალური ატომებისგან, ხოლო მეორეში ეს იონები აღგზნებულია. აქედან გამომდინარე, სატუმბი არის ორეტაპიანი პროცესი, რომელთაგან თითოეულის ეფექტურობა პროპორციულია დენის სიმკვრივისა. საკმარისად მაღალი დენის სიმკვრივეა საჭირო ეფექტური ტუმბოსთვის.

ლაზერული ენერგიის დონის დიაგრამა ჩართულია Ar+ნაჩვენებია ნახ. 3.3. ლაზერული ემისია ხაზებში 454.5 ნმ-დან 528.7 ნმ-მდე ხდება, როდესაც დონეების ჯგუფი დასახლებულია. 4გვმიწის ან მეტასტაბილური მდგომარეობების ელექტრონის ზემოქმედებით აგზნებით Ar + .

3.5 CO 2 ლაზერი

მოლეკულური CO 2-ლაზერები არის ყველაზე მძლავრი cw ლაზერები გაზის ლაზერებს შორის, ელექტროენერგიის რადიაციულ ენერგიად გადაქცევის ყველაზე მაღალი ეფექტურობის გამო (15-20%). ლაზერის წარმოქმნა ხდება ვიბრაციულ-როტაციულ გადასვლებზე და ამ ლაზერების ემისიის ხაზები არის შორეულ ინფრაწითელ რეგიონში, რომლებიც განლაგებულია ტალღის სიგრძეზე 9.4 μm და 10.4 μm.

AT CO 2ლაზერი იყენებს აირების ნარევს CO 2, N 2და ის. ამოტუმბვა ხორციელდება უშუალოდ მოლეკულების შეჯახების დროს CO 2ელექტრონებითა და ვიბრაციით აღგზნებული მოლეკულებით N 2. ნარევში He-ის მაღალი თბოგამტარობა ხელს უწყობს გაგრილებას CO 2, რაც იწვევს თერმული აგზნების შედეგად დასახლებული ქვედა ლაზერული დონის ამოწურვას. ასე რომ ყოფნა N 2ნარევში ხელს უწყობს ზედა ლაზერული დონის მაღალ პოპულაციას და არსებობას ის– ქვედა დონის ამოწურვა და შედეგად, ისინი ერთად იწვევს მოსახლეობის ინვერსიის ზრდას. ენერგიის დონის დიაგრამა CO 2- ლაზერი ნაჩვენებია ნახ. 3.4. ლაზერული წარმოქმნა ხორციელდება მოლეკულის ვიბრაციულ მდგომარეობებს შორის გადასვლის დროს CO 2 n 3 1 ივნისიან n 3 2 ივნისიბრუნვის მდგომარეობის ცვლილებით.

ბრინჯი. 3.4. ენერგიის დონის დიაგრამა N 2და CO 2 in CO 2- ლაზერი.

CO 2ლაზერს შეუძლია მუშაობა როგორც უწყვეტი, ასევე იმპულსური რეჟიმში. უწყვეტ რეჟიმში, მისი გამომავალი სიმძლავრე შეიძლება მიაღწიოს რამდენიმე კილოვატს.