가스 레이저. 헬륨 네온 레이저

헬륨-네온 레이저는 다이오드 또는 반도체와 함께 스펙트럼의 가시 영역에 가장 일반적으로 사용되며 가장 저렴한 레이저 중 하나입니다. 주로 상업적 목적을 위한 이러한 종류의 레이저 시스템의 출력은 1mW에서 수십 mW 범위입니다. 특히 널리 사용되는 1mW 정도의 덜 강력한 He-Ne 레이저는 주로 견적 장치로 사용되며 측정 기술 분야의 다른 문제를 해결하는 데 사용됩니다. 적외선 및 적색 범위에서 헬륨-네온 레이저는 점차 다이오드 레이저로 대체되고 있습니다. He-Ne 레이저는 적절한 선택적 거울 덕분에 달성되는 적색 라인 외에도 주황색, 노란색 및 녹색 라인을 방출할 수 있습니다.

에너지 레벨 다이어그램

He-Ne 레이저의 기능에 가장 중요한 헬륨과 네온의 에너지 준위는 그림 1과 그림 2에 나와 있습니다. 1. 레이저 전이는 네온 원자에서 발생하며 가장 강렬한 선은 633, 1153 및 3391 파장의 전이에서 발생합니다(표 1 참조).

바닥 상태에서 네온의 전자 구성은 다음과 같습니다. 1s22s22p6 여기서 첫 번째 껍질(n = 1)과 두 번째 껍질(n = 2)은 각각 2개와 8개의 전자로 채워져 있습니다. 그림에 따른 더 높은 상태. 1은 여기에 1s22s22p5 껍질이 있고 발광 (광학) 전자가 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p 등의 계획에 따라 여기된다는 사실의 결과로 발생합니다. 따라서 우리는 껍질과의 연결을 수행하는 1 전자 상태에 대해 이야기하고 있습니다. LS(Russell-Saunders) 계획에서 에너지 수준네온은 단일 전자 상태(예: 5s)와 결과적인 총 궤도 운동량 L(= S, P, D...)로 표시됩니다. S, P, D,... 표기법에서 아래쪽 인덱스는 총 궤도 모멘트 J를 나타내고 위쪽 인덱스는 다중도 2S + 1(예: 5s1P1)을 나타냅니다. 종종 Paschen에 따른 순수한 현상학적 명칭이 사용됩니다(그림 1). 이 경우, 여기된 전자 상태의 하위 수준은 2에서 5(s-상태의 경우) 및 1에서 10(p-상태의 경우)으로 계산됩니다.

쌀. 1. He-Ne 레이저의 에너지 준위 계획. 네온 레벨은 Pashen에 따라 표시됩니다. 즉, 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 등입니다.

표 1. He-Ne 레이저의 강렬한 선의 전이에 대한 표기법

자극

헬륨-네온 레이저의 활성 매질은 가스 혼합물, 방전에 필요한 에너지가 공급됩니다. 상위 레이저 레벨(Paschen에 따르면 2s 및 2p)은 준안정 헬륨 원자(23S1, 21S0)와의 충돌을 기반으로 선택적으로 채워집니다. 이러한 충돌 동안 운동 에너지의 교환뿐만 아니라 여기된 헬륨 원자에서 네온 원자로의 에너지 전달도 발생합니다. 이 과정을 두 번째 종류의 충돌이라고 합니다.

He* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)

여기서 별표(*)는 여기 상태를 나타냅니다. 2초 레벨의 여기의 경우 에너지 차이는 &DeltaE=0.05 eV입니다. 충돌 시 기존의 차이가 운동 에너지로 변환되어 열의 형태로 분포됩니다. 3단계에서는 동일한 관계가 발생합니다. 헬륨에서 네온으로의 이러한 공명 에너지 전달은 인구 역전을 생성하는 주요 펌핑 과정입니다. 이 경우 준안정 상태 He의 긴 수명은 상위 레이저 준위의 모집단 선택도에 유리한 영향을 미칩니다.

He-원자의 여기는 직접적으로 또는 더 높은 수준에서 추가적인 캐스케이드 전환을 통해 전자 충돌을 기반으로 발생합니다. 수명이 긴 준안정 상태로 인해 이러한 상태에서 헬륨 원자의 밀도는 매우 높습니다. 상위 레이저 레벨 2s 및 3s는 전기 도플러 전환에 대한 선택 규칙에 따라 하위 p 레벨로만 전달할 수 있습니다. 레이저 방사선의 성공적인 생성을 위해 s-상태(상부 레이저 레벨) = 약 100ns의 수명이 p-상태(하부 레이저 레벨) = 10ns의 수명을 초과하는 것이 매우 중요합니다.

파장

다음으로, 우리는 그림 1을 사용하여 가장 중요한 레이저 전이를 더 자세히 고려할 것입니다. 1 및 표 1의 데이터입니다. 스펙트럼의 빨간색 영역(0.63μm)에서 가장 유명한 선은 3s2 → 2p4 전환으로 인해 나타납니다. 하위 레벨은 10ns 동안 자발적 방출의 결과로 1s 레벨로 분할됩니다(그림 1). 후자는 전기 쌍극자 복사로 인한 분열에 강하여 자연 수명이 깁니다. 따라서 원자는이 상태에 집중되어 있으며 인구가 많은 것으로 판명되었습니다. 가스 방전에서 이 상태의 원자는 전자와 충돌한 다음 2p 및 3s 준위가 다시 여기됩니다. 이 경우 인구 반전이 감소하여 레이저 출력이 제한됩니다. 헬륨-네온 레이저에서 ls-state의 공핍은 주로 가스 방전관의 벽과의 충돌로 인해 발생하므로 튜브 직경이 증가함에 따라 이득의 감소와 효율의 감소가 관찰됩니다. 따라서 실제로 직경은 약 1mm로 제한되어 He-Ne 레이저의 출력 전력을 수십 mW로 제한합니다.

레이저 전이에 참여하는 전자 구성 2s, 3s, 2p 및 3p는 수많은 하위 수준으로 분할됩니다. 이것은 예를 들어 표 2에서 볼 수 있는 것처럼 스펙트럼의 가시 영역에서 추가 전이로 이어집니다. He-Ne 레이저의 모든 가시 라인에 대해 양자 효율은 10% 정도이며 이는 그렇지 않습니다. 매우 높다. 레벨 다이어그램(그림 1)은 상위 레이저 레벨이 바닥 상태보다 약 20eV 높다는 것을 보여줍니다. 적색 레이저 방사선의 에너지는 2 eV에 불과합니다.

표 2. He-Ne 레이저의 파장 λ, 출력 전력, 선폭 Δ ƒ (Paschen transition 표기법)

색깔	λ nm	이행 (Pashen에 따르면)	힘 MW	Δ ƒ MHz	얻다 %/중
적외선	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
적외선	1 523	2s2 → 2p1	1	625
적외선	1 153	2s2 → 2p4	1	825
빨간색	640	3s2 → 2p2
빨간색	635	3s2 → 2p3
빨간색	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
빨간색	629	3s2 → 2p5
주황색	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
주황색	604	3s2 → 2p7
노란색	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
노란색	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

약 1.157 µm 적외선 범위의 복사는 2s → 2p 전이를 통해 발생합니다. 약 1.512 µm의 약간 약한 라인에도 동일하게 적용됩니다. 이 두 적외선 라인은 상업용 레이저에 사용됩니다.

3.391μm의 IR 범위에서 라인의 특징은 높은 이득입니다. 약한 신호 영역, 즉 약한 빛 신호가 한 번 통과하면 약 20dB / m입니다. 이것은 1미터 길이의 레이저에 대해 100배에 해당합니다. 상위 레이저 레벨은 알려진 적색 전이(0.63 µm)와 동일합니다. 한편으로 높은 이득은 낮은 3p 레벨에서 매우 짧은 수명으로 인해 발생합니다. 반면에 이것은 상대적으로 긴 파장과 그에 따른 낮은 복사 주파수 때문입니다. 일반적으로 자극 방출과 자발적 방출의 비율은 저주파 ƒ에 대해 증가합니다. 약한 신호 g의 증폭은 일반적으로 g ~ƒ2에 비례합니다.

선택적 요소가 없으면 He-Ne 레이저는 3.39µm 라인에서 방출되고 0.63µm의 빨간색 영역에서는 방출되지 않습니다. 적외선 라인의 여기는 선택적 캐비티 미러 또는 가스 배출 튜브의 Brewster 창에서의 흡수에 의해 방지됩니다. 이로 인해 레이저 생성 임계값을 3.39μm 방사선에 충분한 수준으로 높일 수 있으므로 여기에는 더 약한 빨간색 선만 나타납니다.

설계

여기에 필요한 전자는 5~10mA의 전류에서 약 12kV의 전압으로 사용할 수 있는 가스 방전(그림 2)에서 형성됩니다. 방전의 일반적인 길이는 10cm 이상이고 방전 모세관의 직경은 약 1mm이며 방출되는 레이저 빔의 직경에 해당합니다. 가스 방전관의 직경이 증가함에 따라 계수 유용한 조치 ls 레벨을 비우려면 튜브 벽과의 충돌이 필요하기 때문에 감소합니다. 최적의 출력을 위해 총 충전 압력(p)이 사용됩니다. p·D = 500 Pa·mm, 여기서 D는 튜브 직경입니다. He/Ne 혼합물의 비율은 원하는 레이저 라인에 따라 다릅니다. 알려진 빨간색 선의 경우 He:Ne = 5:l이고 적외선 선의 경우 약 1.15 µm - He:Ne=10:l입니다. 중요한 측면은 전류 밀도의 최적화이기도 합니다. 633nm 라인의 효율은 약 0.1%입니다. 이 경우 여기 프로세스가 그다지 효율적이지 않기 때문입니다. 헬륨-네온 레이저의 서비스 수명은 약 20,000 작동 시간입니다.

쌀. 2. mW 범위의 편광 방사선용 He-Ne 레이저 설계

이러한 조건에서 게인은 g=0.1m-1이므로 반사율이 높은 미러를 사용해야 합니다. 레이저 빔을 빠져나가기 위해 부분 투과(반투명) 거울(예: R = 98%)이 한쪽에만 설치되고 다른 쪽에는 가능한 가장 높은 반사율(~ 100%)을 갖는 거울이 설치됩니다. 다른 가시적 전환에 대한 이득은 훨씬 적습니다(표 2 참조). 상업적 목적으로 이 라인은 지난 몇 년손실이 극히 적은 미러를 사용합니다.

이전에는 헬륨-네온 레이저에서 방전관의 출력창을 에폭시 수지로 고정하고 거울을 외부에 장착했다. 이로 인해 헬륨이 접착제를 통해 확산되고 수증기가 레이저로 들어갔습니다. 오늘날 이러한 창은 유리에 금속을 직접 용접하여 고정되어 헬륨 누출을 연간 약 1Pa로 줄입니다. 소량 양산되는 레이저의 경우 출력창에 직접 미러 코팅을 하여 전체 디자인을 단순화합니다.

빔 속성

분극 방향을 선택하기 위해 가스 방전 램프에는 그림 1과 같이 비스듬히 배열된 두 개의 창이 장착되어 있습니다. 도 2에 도시된 바와 같이, 브루스터 플레이트가 공진기에 삽입된다. 빛이 소위 브루스터 각도로 입사하고 입사면에 평행하게 편광되면 광학 표면의 반사율이 사라집니다. 따라서 이러한 편광 방향의 복사는 손실 없이 Brewster 창을 통과합니다. 동시에 입사면에 수직으로 편광된 성분의 반사율은 상당히 높으며 레이저에서 억제됩니다.

편광의 비율(도)(편극 방향의 전력 대 이 방향에 수직인 전력의 비율)은 기존 상용 시스템의 경우 1000:1입니다. 내부 미러가 있는 Brewster 플레이트 없이 레이저가 작동하면 편광되지 않은 방사선이 생성됩니다.

레이저는 일반적으로 횡방향 TEM00 모드(최저차 모드)에서 생성되며 여러 종방향(축방향) 모드가 한 번에 형성됩니다. 미러 사이의 거리(레이저 공진기의 길이) L = 30cm일 때 모드간 주파수 간격은 Δ ƒ` = c/2L = 500MHz입니다. 중심 주파수는 4.7 1014Hz 수준입니다. 빛의 증폭은 Δ ƒ = 1500MHz(도플러 폭) 범위 내에서 발생할 수 있으므로 L = 30CM에서 세 가지 다른 주파수가 방출됩니다.<= 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.

약 10mW의 헬륨-네온 레이저는 종종 간섭계 또는 홀로그래피에 사용됩니다. 이러한 양산형 레이저의 가간섭 길이는 20~30cm로 작은 물체의 홀로그래피에 충분하다. 직렬 주파수 선택 요소를 사용하면 더 큰 일관성 길이를 얻을 수 있습니다.

미러 사이의 광학 거리가 열 또는 기타 영향의 결과로 변경되면 레이저 공진기의 축방향 고유 주파수가 이동합니다. 단일 주파수 생성에서는 안정적인 방사 주파수를 얻을 수 없습니다. 1500MHz의 선폭 범위에서 제어할 수 없이 이동합니다. 추가 전자 제어를 통해 라인 중앙에서 주파수 안정화를 달성할 수 있습니다(상업용 시스템은 수 MHz의 주파수 안정성을 가질 수 있음). 연구실에서는 때때로 헬륨-네온 레이저를 1Hz 미만의 범위로 안정화하는 것이 가능합니다.

적절한 거울을 사용하여 표 4.2의 다른 라인을 여기하여 레이저 광을 생성할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 가시선은 수 밀리와트의 일반적인 전력으로 약 633nm입니다. 약 633nm의 강렬한 레이저 라인을 억제한 후, 선택적 미러 또는 프리즘을 사용하기 때문에 가시 범위의 다른 라인이 공진기에 나타날 수 있습니다(표 2 참조). 그러나 이러한 라인의 출력은 무거운 라인의 출력 전력의 10% 이하에 불과합니다.

상업용 헬륨 네온 레이저는 다양한 파장에서 사용할 수 있습니다. 그 외에도 많은 라인에서 생성되고 다양한 조합으로 많은 파장의 파동을 방출할 수 있는 레이저도 있습니다. 조정 가능한 He-Ne 레이저의 경우 프리즘을 돌려 필요한 파장을 선택하는 것이 좋습니다.

헬륨 네온 레이저

Shavlov 외에도 두 명의 다른 Bell 연구소 연구원이 1958년에 레이저 문제를 연구하고 있었습니다: Ali Javan과 John Sanders. 자바는 원래 이란인이었다. 그는 1954년에 Towns에서 방사선 분광학 주제로 박사 학위를 받았습니다. 그는 4년 동안 Towns의 그룹에 머물면서 전파 분광기와 메이저에 대해 연구했습니다. 자신의 논문을 옹호한 후 Tau가 파리와 도쿄에서 안식년이 아니었을 때 Javan은 Bell Labs 그룹이 주제에 대한 실험적 작업을 발표하기 전에 메이저에 더 많이 관여하고 3레벨 메이저에 대한 아이디어를 생각해 냈습니다. 그는 특히 3단계 시스템에서 라만 효과를 사용하여 역전 없는 인구 증가를 얻는 방법을 찾았지만 벨 그룹보다 늦게 결과를 발표했습니다.

1958년 4월 Bell Labs에서 일자리를 찾고 있을 때 Shavlov와 이야기를 나누며 레이저에 대해 이야기했습니다. 1958년 8월 벨 연구소에 입학하여 10월에 레이저에 대한 체계적인 연구를 시작했습니다. 처음에 그는 그곳에서 윤리적인 어려움을 겪었습니다. RCA는 이전에 3단계 마스터에 대한 그의 기록을 조사한 결과 그의 날짜가 Bell 그룹의 날짜보다 앞선다고 결정했습니다. RCA는 그에게 특허권에 대해 1,000달러를 지불하고 Javan이 이미 작업하고 있던 Bell과 분쟁을 시작했습니다. 약 6개월 동안 Javan은 RCA 및 Bell Labs의 변호사와 거래했습니다. 운 좋게도 RCA는 시장 조사를 했고 이 메이저 앰프가 수익성이 없다고 확신하고 사업을 포기하고 특허는 Bell Labs에 남겼습니다.

따라서 Javan은 전적으로 레이저에 전념할 수 있었습니다. 그는 가스를 사용하여 건물을 짓는 것을 생각했고 1959년 Physical Review Letters에 제안된 디자인을 발표했습니다. 그는 이 단순한 물질이 연구를 용이하게 할 것이라고 믿었기 때문에 활성 매체로 가스를 사용하기로 결정했습니다. 그러나 그는 강력한 램프를 사용하여 원자를 여기 상태로 직접 펌핑하는 것은 불가능하다고 생각했으며 순수한 네온 매질에서 전자와 직접 충돌하거나 두 번째 종류의 충돌에 의한 여기를 고려했습니다. 후자의 경우, 방전관은 두 개의 가스로 채워져 있으며, 전기 방전에서 전자와 충돌하여 여기된 첫 번째 가스의 원자가 에너지를 두 번째 가스의 원자로 전달하여 여기할 수 있도록 선택됩니다. . 일부 가스 혼합물은 이러한 조건을 충족하는 에너지 준위 구조를 가지고 있습니다. 실제로, 제2 기체의 에너지 준위는 제1 기체의 여기 에너지와 실질적으로 동일한 에너지를 가질 필요가 있다. 가능한 가스 조합에서 Javan은 헬륨과 네온의 조합을 선택했으며 그 수준은 그림 1에 나와 있습니다. 54. 그는 모든 물리적 과정이 수준에 대한 볼츠만 에너지 분포를 확립하는 경향이 있다고 믿었습니다(즉, 하위 수준의 인구가 상위 수준의 인구보다 많습니다). 따라서 역 모집단을 갖는 매질은 서로 다른 속도로 진행되는 다양한 물리적 프로세스의 경쟁의 결과로 고정 프로세스에서만 얻을 수 있습니다.

이것은 원숭이가 앉아 있는 가지가 있는 나무(그림 55에서 두 개)를 보면 더 잘 이해할 수 있습니다. 먼저 Boltzmann 통계에 따른 개체군을 고려하십시오. 즉, 4마리의 원숭이가 위쪽 가지에 앉아 있고(1), 5마리가 아래쪽에 있고(2), 6마리가 바닥에 앉아 있습니다(3, 주요 수준). 이 세 가지 레벨 중 주요 레벨이 가장 인구가 많고 레벨이 높을수록 인구가 적습니다. 그러나 원숭이는 가만히 앉아 있지 않고 나뭇가지 위로 점프합니다(예를 들어, 이것이 1분마다 발생한다고 가정할 수 있습니다). 이 경우 수준의 모집단은 시간적으로 동일하게 유지됩니다(평형 상황). 이제 계속해서 같은 속도로 가지를 채우지만(분당 원숭이 한 마리), 동시에 가지 2를 적셔서 미끄럽게 만든다고 가정합니다. 이제 원숭이는 10초 이상 그 위에 머물 수 없습니다. 따라서 이 가지가 빠르게 퍼지고 곧 가지 2보다 가지 1에 더 많은 원숭이가 있게 됩니다. 따라서 다른 가지에서 원숭이의 체류 시간이 다르기 때문에 역 모집단이 얻어집니다. 이는 매우 원시적인 고려 사항이지만 Javan의 고려 사항을 이해하는 데 도움이 됩니다.

헬륨-네온 혼합물의 선택은 최적의 환경을 약속하는 시스템을 얻기 위해 신중한 선택을 거쳤으며 이후의 성공만이 Javan에 대한 사후적 완전한 신뢰를 가져왔습니다. 헬륨-네온이 최고의 혼합물이라고 확신한 후에도 가스 방출이 너무 혼란스럽다는 회의론자들이 많았다. 불확실성이 너무 많고 그의 시도는 기러기를 사냥하는 것과 같았습니다.

쌀. 54. 헬륨(He)과 (Ne)의 에너지 준위. 주요 레이저 전환 표시

그림 55. 잔디 위의 원숭이는 Boltzmann 통계에 따라 분포되어 있습니다. 지상에 더 많이 있으며 가지의 높이에 따라 그 수는 감소합니다.

Javan은 많은 돈을 썼지만 다행스럽게도 시스템이 작동했습니다. 그렇지 않으면 행정부는 프로젝트를 종료하고 실험을 중단할 준비가 되었습니다. 프로젝트가 끝날 때까지 2백만 달러가 이 연구에 사용되었습니다. 이 금액은 분명히 과장된 것이지만 이 프로젝트에는 의심할 여지 없이 상당한 비용이 필요했습니다.

한편 옥스포드 대학의 실험 물리학자인 John Sanders는 적외선 레이저를 구현하기 위해 Bell Labs에 초대되었습니다. 이 연구에 할당된 1년 미만 동안 Sanders는 이론적인 연구에 시간을 낭비하지 않고 즉시 내부에 Fabry-Perot 공진기가 있는 방전관에서 순수한 헬륨을 여기하기로 결정했습니다. 그는 방전 매개변수를 변경하면서 시행착오를 통해 레이저 효과를 얻으려고 했습니다. 서로 평행을 유지하면서 미러를 장착할 수 있는 최대 거리는 15cm였으며 샌더스는 더 이상 방전관을 사용하지 않았습니다. Javan은 이것이 근본적인 한계라고 생각했습니다. 그는 가스의 이득이 매우 작고 샌더스 공진기가 작동하지 않을 것이라고 가정했습니다. Javan이 사용한 튜브는 훨씬 더 길었고, 그런 거리에서 Fabry-Perot 미러를 조정하는 것이 극히 어려웠기 때문에 먼저 작업 장치에 필요한 매개 변수를 결정한 다음 시도를 통해 미러를 조정하려고 시도하고 오류. 그는 그렇게 일했습니다. 알려진 이득을 얻기 위해 He-Ne 모드를 선택하는 모든 사전 작업 없이는 성공할 수 없었습니다.

Sanders는 플래시 램프로 충분한 여기 원자를 얻는 것이 어렵다는 내용의 편지를 Physical Review Letters에 보냈고 전자 충격에 의해 생성된 여기를 사용할 것을 제안했습니다. 이러한 여기는 가스 또는 증기에서 방전을 통해 쉽게 수행할 수 있습니다. 활성 물질이 수명이 긴 여기 상태뿐만 아니라 에너지가 낮고 수명이 짧은 상태(원숭이 예에서 고려함)를 포함하는 경우 모집단 역전을 얻을 수 있습니다.

이 기사 직후, Physical Review Letters의 같은 호에서 A. Javan은 이러한 문제를 고려한 기사를 발표했으며 다른 계획 중에서 매우 독창적인 하나를 제안했습니다. 가스의 수명이 긴 상태를 고려하십시오. 방전 조건에서 이 상태는 수명이 길기 때문에 적절하게 채워질 수 있습니다. 두 번째 기체의 지금 여기 상태가 이 수명이 긴 상태에 매우 가까운 에너지를 가지고 있다면 충돌 시 에너지가 첫 번째 원자에서 두 번째 원자로 옮겨져 여기될 가능성이 매우 높습니다. 이 원자가 다른 더 낮은 에너지 상태를 가지고 있다면, 그들은 여기되지 않은 채로 남아 있을 것이고, 따라서 더 낮은 에너지 상태와 관련하여 높은 에너지 상태 사이에 역 모집단이 있을 수 있습니다. 그의 작업에서 Javan은 헬륨과 네온의 혼합물뿐만 아니라 크립톤과 수은의 혼합물을 언급했습니다. 이 작업은 1959년 6월 3일 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

Javan은 Columbia에서 Javan의 친구였던 Yale 대학 분광학자인 William R. Bennett, Jr.와 긴밀하게 협력했습니다. 그들은 일 년 내내 밤늦게까지 일했습니다. 1959년 가을, Javan은 Bell Labs의 광학 기술자인 Donald R. Herriot에게 프로젝트를 도와달라고 요청했습니다. 근본적인 문제 중 하나는 출력 빔을 왜곡하지 않도록 매우 높은 광학 품질의 두 개의 투명 창을 방전관에 제공하는 것이었습니다. 또한 공진기 미러를 설치해야 했습니다. 방전관 내부에 거울이있는 계획이 개발되었습니다 (그림 56). 마이크로 미터 나사가있는 특수 장치가 장착되어있어 모서리에서 거울을 미세 조정할 수 있습니다. 1959년 9월 Bennett은 Yale에서 Bell Labs로 이동하여 Javan과 함께 다양한 조건에서 헬륨-네온 혼합물의 분광 특성을 계산하고 측정하는 집중적이고 철저한 연구 프로그램을 시작했습니다. 반전의 생산. 그들은 최상의 조건에서 1.5% 정도의 아주 작은 이득만 얻을 수 있음을 발견했습니다. 이 낮은 이득으로 인해 손실을 최소화하고 가능한 가장 높은 반사율을 가진 미러를 사용하는 것이 절대적으로 필요했습니다. 이러한 거울은 투명 표면(유리)에 굴절률이 다른 적합한(투명) 유전 물질의 많은 층을 증착하여 얻습니다. 층간 경계에서 반사에 의한 다중경로 간섭으로 인해 높은 반사계수가 얻어진다. 3명의 연구원은 1.15μm 파장에서 반사율이 98.9%인 거울을 사용할 수 있었습니다.

쌀. 56. Javan, Bennett 및 Heriott가 만든 헬륨-네온 레이저의 다이어그램

1960년 Javan, Bennett 및 Heriott는 마침내 레이저를 테스트했습니다. 먼저 강력한 마그네트론을 사용하여 혼합 가스가 들어있는 석영관에서 방전을 시도했지만 관이 녹아내렸습니다. 장비를 다시 만들고 변경해야 했습니다. 1960년 12월 12일, 그들은 새로운 튜브 및 배출 기관에 대한 작업을 시작했습니다. 그들은 레이저 광선을 얻기 위해 거울을 조정하려고 시도했지만 성공하지 못했습니다. 그런 다음 정오에 Heriott는 다음과 같은 신호를 보았습니다. 우리는 모노크로메이터를 설정하고 1.153 µm의 파장에서 신호 피크를 기록했습니다. 예상 파장에서. 가스를 활성 매질로 사용하고 연속 모드에서 작동하는 최초의 레이저가 탄생했습니다! 그 방사선은 근적외선 범위에 있으므로 눈에 보이지 않습니다. 등록하려면 오실로스코프에 연결된 적절한 수신기가 필요했습니다.

그리고 6개월 전에 도움을 준 기술자인 Ed Ballick은 나중에 옥스포드 대학에서 학위를 받고 캐나다에서 가르쳤습니다. 그는 백년 된 와인 한 병을 샀습니다. 그것은 엄숙한 순간을위한 것입니다 - 레이저 작동의 경우. 레이저 실험이 마침내 결실을 맺었을 때, 며칠 후 Javan은 Bell 연구소 소장에게 전화를 걸어 100주년 기념 와인으로 행사를 목욕시키도록 초대했습니다. 그는 몹시 기뻤지만 다음과 같이 외쳤다. “젠장, 알리. 문제가있다!". 이것은 Javan 아침에 발생했으며 문제가 무엇인지 이해하지 못했습니다. 그러나 정오에 실험실 주변에 회람이 회람되어 이전의 것을 명확히하고 몇 달 전에 발행되었으며 과학 센터의 영토에서 술을 마시는 것을 금지했습니다. 100세 미만의 술을 마시는 것을 금지한다는 설명이 있었습니다. 그 후 그들은 규칙을 어기지 않고 성공을 위해 안경을 올렸습니다!

근적외선 범위에서 1.15μm 전이에서 작동하는 첫 번째 레이저. Javan은 네온의 가능한 전이 중 하나에 해당하는 이 파장에서 최대 반사를 갖는 거울을 사용했습니다. 그는 다른 가능한 파장이 있다는 것을 알고 있었습니다. 그는 이 파장에서 가장 큰 이득을 기대할 수 있다는 연구 결과를 보여 이 파장을 선택했습니다. 가시 영역의 천이를 사용하기 위해서는 당시 Fabry-Perot 공진기에 사용되었던 평면 거울을 조정하는 것이 불가능할 정도로 작은 직경의 튜브가 필요했습니다.

Javan 레이저에서 방전관은 각각 0.1 및 1 Torr의 압력에서 네온과 헬륨을 포함했습니다(1Torr는 1기압의 거의 1/1000입니다). 융합된 석영 튜브는 길이 80cm, 직경 1.5cm였으며, 각 끝에는 고반사 평면 거울이 포함된 금속 공동이 있었습니다. 유연한 슬리브(벨로우즈)가 사용되어 마이크로미터 나사로 Fabry-Perot 거울을 (정확하게 기울임으로써) 조정할 수 있었습니다. 이를 통해 6 arc sec의 정확도로 병렬성을 보장할 수 있었습니다. 끝에는 100A 이상의 정확도로 연마된 표면이 있는 평평한 유리창이 있었습니다. 이를 통해 왜곡 없이 방사선 빔을 방출할 수 있었습니다. 방전은 50와트 전력의 28MHz 발진기를 사용하여 외부 전극으로 여기되었습니다. 반사율이 높은 거울은 유전 물질(MgF 2 , ZnS)의 13개 층을 증착하여 얻었다. 1.1~1.2μm 사이에서 반사율은 98.9%였습니다. 레이저는 지속적으로 작동했으며 이러한 유형의 첫 번째 레이저였습니다.

Hughes의 사례에 이어 Bell Labs는 1960년 12월 14일에 헬륨-네온 레이저의 공개 시연도 했습니다. 신호.

이 레이저는 이름에 구성 요소의 화학 기호를 사용하여 He-Ne 레이저로 알려지게 되었습니다. 1961년 1월 31일 언론에 발표되었습니다. 이를 설명하는 논문이 1960년 12월 30일 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

Javan이 1960년 봄에 실험을 수행하는 동안 Bell Labs의 두 연구원인 A. Fox와 T. Lee는 Fabry-Perot 공진기에 어떤 모드가 존재하는지에 대한 질문을 연구하기 시작했습니다. 사실 Fabry-Perot 공진기는 닫힌 공동 형태의 마이크로파 공진기와 매우 다릅니다. 그들은 이러한 모드의 모양을 결정했으며 그 결과는 다른 Bell Labs 연구원인 Gary D. Bond, James Gordon 및 Herwig Kogelnik이 구면 거울의 경우 분석 솔루션을 찾도록 촉발했습니다. 가스 레이저 개발을 위한 광공동 연구의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 이러한 결과를 얻기 전에 가스 레이저는 기껏해야 한계 장치였으며, 그 생성은 엔드 미러의 정렬에 크게 의존했습니다. 구형 거울이 있는 공진기에 대한 이론적 연구에 따르면 거울의 정렬에 상대적으로 약하게 의존하는 구성이 있을 수 있으며 공진기의 내부 손실은 평면 거울이 있는 공진기보다 작을 수 있습니다. 이를 통해 이전에 생각했던 것보다 훨씬 낮은 이득으로 활성 미디어를 사용할 수 있습니다. 평면 거울이 있는 공진기는 사실상 버려졌고 새로운 가스 레이저의 모든 발견은 구형 거울이 있는 공진기를 사용하여 이루어졌습니다.

1961년 벨 연구소에서 주요 레이저 연구 프로그램이 시작되었습니다. 다른 문제에 몰두한 연구원은 새로운 주제로 방향을 바꾸고 새로운 직원을 고용했습니다. 초점에 위치한 공진기에서 두 개의 동일한 구면 거울을 사용하기로 한 결정(이 구성을 공초점 공진기라고 함)은 Javan이 그러한 공진기를 사용하는 경우 피할 수 있는 어려움을 보여주었습니다. 결과적으로 William W. Rygrod, Herwig Kogelnik, Donald R. Heriott, D. J. Brangacio는 1962년 봄에 방전관의 축에 빛을 집중시키는 구형 거울을 가진 최초의 공초점 공진기를 만들었습니다. 이 거울은 외부에 배치됩니다. 튜브. 이로 인해 6328A 레드 라인에서 발생을 얻을 수 있었습니다. 빛의 일부는 불가피하게 창 표면의 반사(프레넬 반사)에서 손실됩니다. 그러나 이러한 손실은 브루스터 각도라고 하는 특정 각도로 창을 기울이면 피할 수 있습니다. 이 경우 특정 편광의 빛에 대해 손실은 거의 0입니다. 이 새로운 레이저 구성은 그림 1에 나와 있습니다. 57.

쌀. 57. 공초점 광학 공진기. 방전에 의해 가스가 여기되는 튜브는 브루스터 각도로 기울어진 창으로 닫힙니다. 동일한 곡률 반경을 갖는 오목 거울은 그들 사이의 거리가 곡률 반경과 같도록 튜브 뒤에 배치됩니다.

적색 He-Ne 레이저는 널리 사용되었으며 특히 의학 분야에서 여전히 사용되고 있습니다. 또한 레이저(고간섭)광과 일반(간섭)광의 근본적인 차이점을 이해하는 데 크게 기여합니다. 이 레이저를 사용하면 간섭 현상을 쉽게 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 레이저 빔의 모드 구조가 공진기 미러의 약간의 기울기에 의해 쉽고 명확하게 변경됩니다. 다른 수많은 유형의 레이저 개발도 자극되었습니다.

현대식 He-Ne 레이저는 그림 1에 표시된 여러 전이 중 하나에서 생성할 수 있습니다. 54. 이를 위해 원하는 파장에서 최대 반사로 다층 거울을 만듭니다. 3.39μm, 1.153μm, 6328A°의 파장에서 생성되며 특수 미러를 사용하는 경우에도 5433A(녹색선), 5941A°(노란색선), 6120A°(주황색선)의 파장에서 발생합니다.

작가의 책에서

두 번째 고체 레이저 1959년 9월 Townes는 "Quantum Electronics - Resonant Phenomena"에 관한 회의를 조직했으며, 이 회의에서 레이저는 아직 만들어지지 않았지만 대부분의 비공식 토론은 레이저에 초점을 맞추었습니다. 이 회의에는 Peter가 참석했습니다.

작가의 책에서

세슘 레이저 1961년은 두 개의 레이저가 추가로 구현된 해였으며, 여기에는 레이저 개념의 초기부터 전문가들이 작업해 왔습니다. 그 중 하나가 세슘 레이저였습니다. Townes와 Shavlov가 논문을 작성한 후 Townes는 레이저를 만들기로 결정했습니다.

작가의 책에서

네오디뮴 레이저 1961년에 출시되었으며 여전히 주요 레이저 중 하나는 네오디뮴 유리 레이저입니다. 1959-1960년. American Optical Company는 또한 과학자 중 한 명인 Elias Snitzer가 수행한 레이저 연구에 관심을 갖게 되었습니다. 이것

작가의 책에서

레이저는 자연에 존재합니까? 대답은 예인 것 같습니다! 약 10μm의 파장을 가진 레이저 방사(특히 재료 가공에 널리 사용되는 고출력 CO2 레이저를 작동시키는 일반적인 이산화탄소 방출 라인)

작가의 책에서

레이저와 문 벨 연구소는 달 표면의 지형을 연구하기 위해 최초의 레이저 중 하나를 사용했습니다. 1969년 7월 21일 달에 보내진 아폴로 11호 탐사 동안 우주비행사들은 레이저 빛을 반사할 수 있는 두 개의 모서리 반사판을 달 표면에 설치했습니다.

이 연구의 목적은 헬륨과 네온 가스의 혼합물을 활성 물질로 사용하는 가스 레이저의 주요 특성과 매개변수를 연구하는 것입니다.

3.1. 헬륨-네온 레이저의 작동 원리

헬륨 네온 레이저는 가장 일반적인 가스 레이저입니다. 원자 가스 레이저에 속하며 활성 매체는 헬륨과 네온과 같은 불활성 가스의 중성(이온화되지 않은) 원자의 혼합물입니다. 네온은 작동 가스이며 일관된 전자기 복사의 방출과 함께 에너지 준위 사이에서 전이가 발생합니다. 헬륨은 보조 가스의 역할을 하며 네온의 여기와 그 안에 인구 역전 생성에 기여합니다.

모든 레이저에서 생성을 시작하려면 두 가지 중요한 조건이 충족되어야 합니다.

1. 작동하는 레이저 레벨 사이에 인구 반전이 있어야 합니다.

2. 활성 매체의 이득은 방사선 출력에 대한 "유용한" 손실을 포함하여 레이저의 모든 손실을 초과해야 합니다.

시스템에 두 가지 수준이 있는 경우 이자형 1 그리고 이자형 2 각각의 입자 수 N 1 그리고 N 2 및 퇴화 정도 g 1 그리고 g 2, 인구 역전은 인구가 다음과 같을 때 발생합니다. N 2 /g 2개의 최상위 레벨 이자형 2 더 많은 인구가있을 것입니다 N 1 /g 1 낮은 수준 이자형 1, 즉 반전 정도 Δ N긍정적일 것입니다:

만약 레벨이 이자형 1 그리고 이자형 2가 축퇴하지 않은 경우 역전이 발생하려면 입자 수가 다음과 같아야 합니다. N 2 최상위 레벨 이자형 2는 입자의 수보다 많았습니다. N 1 낮은 수준에서 이자형하나 . 인구 역전의 형성과 일관된 전자기 복사 방출로 인한 강제 전이의 발생이 가능한 수준을 작업 레이저 레벨.

인구 반전 상태는 다음을 사용하여 생성됩니다. 펌핑– 다양한 방법에 의한 가스 원자의 여기. 라고 불리는 외부 에너지의 영향으로 펌프 소스, 지상 에너지 준위의 Ne 원자 이자형열역학적 평형 상태에 해당하는 0은 여기 상태 Ne*로 이동합니다. 전환은 펌프 강도에 따라 다른 에너지 수준으로 발생할 수 있습니다. 그런 다음 더 낮은 에너지 수준으로 자발적이거나 강제적인 전환이 있습니다.

대부분의 경우 시스템의 모든 상태 간에 가능한 모든 전환을 고려할 필요는 없습니다. 이를 통해 2, 3, 4단계 레이저 작동 방식을 말할 수 있습니다. 레이저 작동 방식의 유형은 활성 매체의 특성과 사용된 펌핑 방법에 따라 결정됩니다.

헬륨-네온 레이저는 그림 3과 같이 3단계 방식으로 작동합니다. 3.1. 이 경우 방사선을 펌핑하고 생성하는 채널이 부분적으로 분리됩니다. 활성 물질을 펌핑하면지면에서 전환이 발생합니다. 이자형 0에서 흥분 수준 이자형 2, 이는 노동 수준 사이의 인구 역전의 출현으로 이어진다. 이자형 2 및 이자형하나 . 작업 수준의 인구 반전 상태에 있는 활성 매체는 주파수로 전자기 복사를 증폭할 수 있습니다.
촉진된 방출 과정 때문입니다.

쌀. 3.1. 헬륨-네온 레이저의 작동을 설명하는 작업 및 보조 가스의 에너지 준위 다이어그램

가스에서 에너지 준위의 확장이 작고 넓은 흡수 대역이 없기 때문에 광 복사를 사용하여 역 모집단을 얻기가 어렵습니다. 그러나 가스에서 다른 펌핑 방법이 가능합니다. 원자 충돌 시 직접적인 전자 여기 및 공명 에너지 전달이 가능합니다. 전자와 충돌할 때 원자의 여기는 전기장에 의해 전자가 가속되는 방전에서 가장 쉽게 수행될 수 있습니다. 상당한 운동 에너지를 얻을 수 있습니다. 전자와 원자의 비탄성 충돌에서 후자는 여기 상태로 이동합니다. 이자형 2:

공정(3.4)이 공명 특성을 갖는 것이 중요합니다. 다른 원자의 여기된 에너지 상태가 일치하는 경우, 즉 공명 상태인 경우 에너지 전달 확률이 최대가 됩니다.

He와 Ne의 에너지 준위와 주요 작동 전이는 그림 1에 자세히 나와 있습니다. 3.2. 가스 원자와 빠른 전자(3.2) 및 (3.3)의 비탄성 상호작용에 해당하는 전이는 위쪽에 점선 화살표로 표시됩니다. 전자 충격의 결과로 헬륨 원자는 준안정인 2 1 S 0 및 2 3 S 1 수준으로 여기됩니다. 헬륨에서 바닥 상태 1 S 0 으로의 복사 전이는 선택 규칙에 의해 금지됩니다. 여기된 He 원자가 바닥 상태 1 S 0 에서 Ne 원자와 충돌할 때 여기 전달(3.4)이 가능하고 네온은 2S 또는 3S 레벨 중 하나로 전달됩니다. 이 경우 보조 가스와 작동 가스의 바닥 상태와 여기 상태 사이의 에너지 갭이 가깝기 때문에 공진 조건이 충족됩니다.

복사 전이는 네온의 2S 및 3S 수준에서 2P 및 3P 수준으로 발생할 수 있습니다. He 원자에서 이러한 수준으로 에너지가 직접 전달되지 않기 때문에 P 수준은 상위 S 수준보다 덜 채워집니다. 또한 수준 P는 수명이 짧고 비복사 전이 P → 1S는 수준 P를 비웁니다. 따라서 상황(3.1)은 상위 수준 S의 인구가 하위 수준 P의 인구보다 높을 때 발생합니다. 즉, 레벨 S와 P 사이에 인구 반전이 있습니다. 이는 레벨 사이의 전환이 레이저 생성에 사용될 수 있음을 의미합니다.

S 및 P 준위의 수가 많기 때문에 이들 사이에 서로 다른 양자 전이의 큰 집합이 가능합니다. 특히, 4개의 2S 레벨에서 10개의 2P 레벨로, 선택 규칙에 의해 30가지 다른 전환이 허용되며 대부분이 생성을 생성합니다. 2S → 2P 전환 동안 가장 강한 방출선은 1.1523μm 선(스펙트럼의 적외선 영역)입니다. 3S→2Р 전환의 경우 가장 중요한 선은 0.6328 µm(빨간색 영역)이고 3S→3Р – 3.3913 µm(IR 영역)입니다. 자발적인 방출은 나열된 모든 파장에서 발생합니다.

쌀. 3.2. 헬륨 및 네온 원자의 에너지 준위와 He-Ne 레이저의 작동 방식

앞서 언급한 바와 같이, P 준위로의 복사 전이 후, P → 1S 전이 동안 비복사 복사 붕괴가 발생합니다. 불행히도, 네온 1S의 수준은 준안정이며, 가스 혼합물에 다른 불순물이 포함되어 있지 않은 경우 네온 원자가 1S 수준에서 바닥 상태로 전환되는 유일한 방법은 용기 벽과의 충돌입니다. 이러한 이유로 방전관의 직경이 감소함에 따라 시스템의 이득이 증가합니다. 네온의 1S 상태가 천천히 고갈되기 때문에 Ne 원자는 이러한 상태로 유지되며 이는 매우 바람직하지 않으며 이 레이저의 여러 기능을 결정합니다. 특히, 펌프 전류가 임계값 이상으로 증가함에 따라 제이그런 다음 1S 수준에서 작업 입자가 축적 된 다음 전자와 충돌 할 때 2P 또는 3P 상태로 이동하기 때문에 레이저 방사선의 급격한 증가와 포화 및 감소가 발생합니다. 이것은 높은 출력 방사 전력을 얻는 것을 불가능하게 합니다.

역 모집단의 발생은 혼합물의 He와 Ne의 압력과 전자 온도에 따라 달라집니다. 가스 압력의 최적 값은 He의 경우 133Pa, Ne의 경우 13Pa입니다. 전자 온도는 기체 혼합물에 인가된 전압에 의해 주어진다. 일반적으로 이 전압은 2…3kV 수준으로 유지됩니다.

레이저 생성을 얻으려면 레이저에 양의 피드백이 있어야 합니다. 그렇지 않으면 장치가 증폭기로만 작동합니다. 이를 위해 활성 기체 매체를 광학 공진기에 넣습니다. 피드백을 생성하는 것 외에도 공진기는 진동 유형을 선택하고 특수 선택적 미러가 사용되는 생성 파장을 선택하는 데 사용됩니다.

임계값에 가까운 펌프 레벨에서 한 가지 유형의 진동에 대한 레이저 발진은 비교적 쉽습니다. 여기 수준이 증가함에 따라 특별한 조치를 취하지 않으면 다른 여러 모드가 발생합니다. 이 경우 원자선의 폭에 포함되는 공진기의 공진 주파수에 가까운 주파수에서 발생이 일어난다. 축방향 진동의 경우(TEM 00 -모드), 인접한 최대값 사이의 주파수 거리는
, 어디 엘공진기 길이입니다. 여러 모드가 동시에 존재하기 때문에 방출 스펙트럼에서 비트와 불균일성이 발생합니다. 축 모드만 존재한다면 스펙트럼은 별도의 선이 될 것이며, 그 사이의 거리는 다음과 같을 것입니다. 씨 / 2엘. 그러나 TEM 10 모드와 같이 공진기에서 축이 아닌 유형의 진동을 여기시키는 것도 가능하며, 그 존재는 거울의 튜닝에 크게 의존합니다. 따라서 추가 위성 라인은 축 방향 진동의 양쪽에서 주파수에서 대칭으로 위치한 방출 스펙트럼에 나타납니다. 펌프 수준이 증가함에 따라 새로운 유형의 진동이 나타나는 것은 방사선장의 구조를 육안으로 관찰하여 쉽게 결정할 수 있습니다. 간섭성 방사 모드의 구조에 대한 공진기 정렬의 영향을 시각적으로 관찰하는 것도 가능합니다.

가스는 응축 매체보다 더 균질합니다. 따라서 가스의 광선은 덜 왜곡되고 산란되며 헬륨-네온 레이저의 복사는 회절 현상으로 인해 한계에 도달하는 우수한 주파수 안정성과 높은 지향성을 특징으로 합니다. 공초점 공진기에 대한 발산의 회절 한계

여기서 λ는 파장입니다. 디 0은 가장 좁은 부분의 광선의 지름입니다.

헬륨-네온 레이저의 방사는 높은 수준의 단색성과 일관성을 특징으로 합니다. 그러한 레이저의 방출선의 폭은 스펙트럼선의 "자연적" 폭보다 훨씬 좁고 현대 분광계의 한계 분해능보다 수십 배 작습니다. 따라서 그것을 결정하기 위해 방사선의 다양한 모드의 비트 스펙트럼이 측정됩니다. 또한, 이 레이저의 복사는 공진기의 광축에 대해 Brewster 각도에 위치한 창을 사용하기 때문에 평면 편광입니다.

방사선 일관성의 증거는 소스의 다른 지점에서 받은 방사선의 중첩에서 회절 패턴의 관찰이 될 수 있습니다. 예를 들어, 다중 슬롯 시스템의 간섭을 관찰하여 일관성을 추정할 수 있습니다. Young의 경험에 따르면 일반적인 "고전적인" 광원에서 나오는 빛의 간섭을 관찰하기 위해 방사선이 먼저 하나의 슬릿을 통과한 다음 두 개의 슬릿을 통과한 다음 화면에 간섭 무늬가 형성됩니다. 레이저 방사선을 사용하는 경우 첫 번째 슬릿이 불필요한 것으로 판명되었습니다. 이 상황은 기본입니다. 또한 두 슬릿 사이의 거리와 너비는 기존 실험보다 비교할 수 없을 정도로 클 수 있습니다. 가스 레이저의 출구 창에는 두 개의 슬릿이 있으며 그 사이의 거리는 2입니다. ㅏ. 입사 방사선이 가간섭인 경우 멀리 떨어진 스크린에 디슬릿에서 간섭 패턴이 관찰됩니다. 이 경우 밴드의 최대(최소) 사이의 거리는

가장 일반적인 가스 레이저는 헬륨-네온( 히네) 레이저(중성 원자 레이저)는 10:1의 비율로 헬륨과 네온의 혼합물에서 작동합니다. 이 레이저는 최초의 연속 레이저이기도 합니다.

헬륨과 네온 준위의 에너지 체계를 고려하십시오(그림 3.4). 생성은 네온 레벨 사이에서 발생하며 펌핑 프로세스를 수행하기 위해 헬륨이 추가됩니다. 그림에서 알 수 있듯이 레벨은 2 3 에스 1그리고 2 1 초 0헬륨은 각각 레벨에 가깝습니다. 2초그리고 3초그녀가 아니라. 헬륨 수치 때문에 2 3 에스 1그리고 2 1 초 0준안정인 경우, 준안정 여기된 헬륨 원자가 네온 원자와 충돌할 때 네온 원자로 공명 에너지 전달이 있을 것입니다(두 번째 종류의 충돌).

그래서 수준 2초그리고 3초네온을 채울 수 있으므로 이러한 수준에서 생성을 진행할 수 있습니다. 일생 에스-상태( ㅅ» 100ns) 훨씬 긴 수명 아르 자형-상태( 피»10ns)이므로 레이저가 4단계 방식에 따라 작동하려면 다음 조건이 충족됩니다.

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

전이 중 하나에서 레이저 생성 가능 ㅏ, 비, 씨파장에 따라 라=3.39μm, 파운드=0.633μm, 나=1.15 μm, 이는 공진기 미러의 반사 계수를 선택하거나 분산 요소를 공진기에 도입하여 얻을 수 있습니다.

쌀. 3.4. 헬륨과 네온의 에너지 준위 계획.

이러한 레이저의 생성 특성을 고려해보자.

그림 3.5. 헬륨-네온 레이저의 생성 특성.

펌프 전류 증가에 따른 출력 전력의 초기 증가는 인구 역전으로 설명됩니다. 최대 전력에 도달한 후 곡선은 펌프 전류의 추가 증가와 함께 감소하기 시작합니다. 이것은 2p와 1s 레벨이 긴장을 풀 시간이 없다는 사실로 설명됩니다. 전자는 낮은 에너지 준위로 갈 시간이 없고 인접한 2p 및 1s 준위의 전자 수는 같아집니다. 이 경우 반전이 없습니다.

헬륨-네온 레이저의 효율은 약 0.1%이며, 이는 여기된 입자의 낮은 부피 밀도로 설명됩니다. 출력 전력 일반 히네-레이저 피~5-50mW, 발산 큐~1mrad.

아르곤 레이저

이온 가스 레이저와 관련된 가시광선 및 근자외선 스펙트럼 영역에서 가장 강력한 연속파 레이저입니다. 작업 가스의 상위 레이저 레벨은 방전 중 전자의 두 번의 연속 충돌로 인해 채워집니다. 첫 번째 충돌에서 이온은 중성 원자에서 형성되고 두 번째 충돌에서는 이러한 이온이 여기됩니다. 따라서 펌핑은 각각의 효율이 전류 밀도에 비례하는 2단계 프로세스입니다. 효율적인 펌핑을 위해서는 충분히 높은 전류 밀도가 필요합니다.

레이저 에너지 레벨 다이어그램 아르 +그림에 나와 있습니다. 3.3. 레벨 그룹이 채워지면 454.5nm에서 528.7nm 사이의 라인에서 레이저 방출이 발생합니다. 4p접지 또는 준안정 상태의 전자 충격에 의한 여기 아르 + .

3.5 CO 2 레이저

분자 이산화탄소-레이저는 가스레이저 중 가장 강력한 cw레이저로 전기에너지를 방사선에너지로 변환하는 효율(15~20%)이 가장 높습니다. 레이저 생성은 진동-회전 전이에서 발생하며 이러한 레이저의 방출선은 9.4μm 및 10.4μm의 파장에 위치한 원적외선 영역에 있습니다.

에 이산화탄소레이저는 혼합 가스를 사용합니다. 이산화탄소, N 2그리고 그. 펌핑은 분자 충돌 중에 직접 수행됩니다. 이산화탄소전자와 진동 들뜬 분자 N 2. 혼합물에서 He의 높은 열전도율은 냉각을 촉진합니다. 이산화탄소, 열 여기의 결과로 채워진 더 낮은 레이저 레벨의 고갈로 이어집니다. 그래서 존재 N 2혼합물에서 상위 레이저 레벨의 높은 인구에 기여하고 존재 그– 하위 수준의 고갈 및 결과적으로 함께 인구 역전이 증가합니다. 에너지 레벨 다이어그램 이산화탄소-레이저는 그림 1에 나와 있습니다. 3.4. 레이저 생성은 분자의 진동 상태 사이의 전환 중에 수행됩니다. CO 2 n 3 6월 1일또는 n 3 6월 2일회전 상태의 변화와 함께.

쌀. 3.4. 에너지 레벨 다이어그램 N 2그리고 이산화탄소안에 이산화탄소-레이저.

이산화탄소레이저는 연속 모드와 펄스 모드 모두에서 작동할 수 있습니다. 연속 모드에서 출력 전력은 몇 킬로와트에 도달할 수 있습니다.