lasery gazowe. Laser helowy neonowy

Laser helowo-neonowy - wraz z diodą lub półprzewodnikiem - jest jednym z najczęściej używanych i najtańszych laserów dla widzialnego obszaru widma. Moc systemów laserowych tego typu, przeznaczonych głównie do celów komercyjnych, zawiera się w przedziale od 1 mW do kilkudziesięciu mW. Szczególnie popularne są lasery He-Ne o mniejszej mocy rzędu 1 mW, które wykorzystywane są głównie jako urządzenia do kwotowania, a także do rozwiązywania innych problemów z zakresu techniki pomiarowej. W zakresie podczerwieni i czerwieni laser helowo-neonowy jest coraz częściej zastępowany przez laser diodowy. Lasery He-Ne są w stanie emitować oprócz czerwonych linii pomarańczowe, żółte i zielone, co uzyskuje się dzięki odpowiednim lusterkom selektywnym.

Wykres poziomu energii

Na ryc. 1. Przejścia laserowe zachodzą w atomie neonu, przy czym najbardziej intensywne linie wynikają z przejść o długościach fali 633, 1153 i 3391 (tab. 1).

Konfiguracja elektronowa neonu w stanie podstawowym wygląda następująco: 1s22s22p6 gdzie pierwsza powłoka (n = 1) i druga powłoka (n = 2) wypełnione są odpowiednio dwoma i ośmioma elektronami. Wyższe stany wg ryc. 1 powstają w wyniku tego, że jest tu powłoka 1s22s22p5, a świecący (optyczny) elektron jest wzbudzany według schematu: 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p, ... itd. Mówimy zatem o stanie jednoelektronowym, który realizuje połączenie z powłoką. W schemacie LS (Russell-Saunders) dla poziomy energii neon jest wskazywany przez stan jednoelektronowy (np. 5s), a także wynikający z tego całkowity moment orbitalny L (= S, P, D...). W zapisie S, P, D,... dolny indeks pokazuje całkowity moment orbitalny J, a górny krotność 2S + 1, na przykład 5s1P1. Często używa się określenia czysto fenomenologicznego według Paschena (ryc. 1). W tym przypadku podpoziomy wzbudzonych stanów elektronowych liczone są od 2 do 5 (dla stanów s) i od 1 do 10 (dla stanów p).

Ryż. 1. Schemat poziomów energetycznych lasera He-Ne. Poziomy neonowe są oznaczone zgodnie z Pashen, czyli: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 itd.

Tabela 1. Oznaczenia przejść intensywnych linii lasera He-Ne

Pobudzenie

Aktywnym ośrodkiem lasera helowo-neonowego jest mieszanka gazowa, do którego dostarczana jest niezbędna energia w wyładowaniu elektrycznym. Górne poziomy laserowe (2s i 2p wg Paschena) są selektywnie obsadzane na podstawie zderzeń z metastabilnymi atomami helu (23S1, 21S0). Podczas tych zderzeń zachodzi nie tylko wymiana energii kinetycznej, ale także przeniesienie energii z wzbudzonych atomów helu na atomy neonu. Ten proces nazywa się kolizją drugiego rodzaju:

He* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)

gdzie gwiazdka (*) symbolizuje stan wzbudzony. Różnica energii w przypadku wzbudzenia na poziomie 2s wynosi: &DeltaE=0,05 eV. W zderzeniu istniejąca różnica jest zamieniana na energię kinetyczną, która jest następnie rozprowadzana w postaci ciepła. Na poziomie 3 zachodzą identyczne relacje. Taki rezonansowy transfer energii z helu do neonu jest głównym procesem pompowania w tworzeniu inwersji populacji. W tym przypadku długi czas życia stanu metastabilnego He ma korzystny wpływ na selektywność populacji górnego poziomu lasera.

Wzbudzenie atomów He następuje na zasadzie zderzenia elektronów, bezpośrednio lub poprzez dodatkowe przejścia kaskadowe z wyższych poziomów. Dzięki długożyciowym stanom metastabilnym gęstość atomów helu w tych stanach jest bardzo wysoka. Górne poziomy laserowe 2s i 3s mogą - z zastrzeżeniem zasad doboru elektrycznych przejść Dopplera - przejść tylko do niższych poziomów p. Dla pomyślnej generacji promieniowania laserowego niezwykle ważne jest, aby czas życia stanów s (górny poziom lasera) = około 100 ns był dłuższy niż czas życia stanów p (dolny poziom lasera) = 10 ns.

Długości fal

Następnie rozważymy bardziej szczegółowo najważniejsze przejścia laserowe, korzystając z ryc. 1 i dane z tabeli 1. Najbardziej znana linia w czerwonym obszarze widma (0,63 μm) pojawia się z powodu przejścia 3s2 → 2p4. Poziom dolny zostaje rozdzielony w wyniku emisji spontanicznej w czasie 10 ns na poziom 1s (rys. 1). Ta ostatnia jest odporna na rozszczepianie pod wpływem elektrycznego promieniowania dipolowego, dzięki czemu ma długą naturalną żywotność. Dlatego atomy są skoncentrowane w tym stanie, który okazuje się być gęsto zaludniony. W wyładowaniu gazowym atomy w tym stanie zderzają się z elektronami, a następnie poziomy 2p i 3s są ponownie wzbudzane. W tym przypadku inwersja populacji maleje, co ogranicza moc lasera. Zubożenie stanu ls występuje w laserach helowo-neonowych głównie na skutek zderzeń ze ścianką rury gazowo-wyładowczej, a zatem wraz ze wzrostem średnicy rury obserwuje się spadek wzmocnienia i spadek wydajności. Dlatego w praktyce średnica jest ograniczona do około 1 mm, co z kolei ogranicza moc wyjściową laserów He-Ne do kilkudziesięciu mW.

Konfiguracje elektroniczne 2s, 3s, 2p i 3p uczestniczące w przejściu laserowym są podzielone na liczne podpoziomy. Prowadzi to np. do dalszych przejść w widzialnym obszarze widma, co widać w tabeli 2. Dla wszystkich widzialnych linii lasera He-Ne sprawność kwantowa jest rzędu 10%, co nie jest bardzo wysoko. Wykres poziomu (rys. 1) pokazuje, że górne poziomy lasera znajdują się około 20 eV powyżej stanu podstawowego. Energia czerwonego promieniowania laserowego wynosi tylko 2 eV.

Tabela 2. Długości fal λ, moce wyjściowe i szerokości linii Δ ƒ lasera He-Ne (zapis przejścia Paschena)

Kolor	λ Nm	Przemiana (według Paszena)	Moc mW	Δ ƒ MHz	Osiągać %/m
Podczerwień	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Podczerwień	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Podczerwień	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Czerwony	640	3s2 → 2p2
Czerwony	635	3s2 → 2p3
Czerwony	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Czerwony	629	3s2 → 2p5
Pomarańczowy	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Pomarańczowy	604	3s2 → 2p7
Żółty	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Żółty	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

Promieniowanie w zakresie podczerwieni około 1,157 µm powstaje poprzez przejścia 2s → 2p. To samo dotyczy nieco słabszej linii przy około 1,512 µm. Obie te linie podczerwone znajdują zastosowanie w komercyjnych laserach.

Cechą charakterystyczną linii w zakresie IR na poziomie 3,391 μm jest duże wzmocnienie. W strefie słabych sygnałów, czyli przy pojedynczym przejściu słabych sygnałów świetlnych wynosi około 20 dB/m. Odpowiada to współczynnikowi 100 dla lasera o długości 1 metra. Górny poziom lasera jest taki sam jak dla znanego przejścia czerwonego (0,63 µm). Z jednej strony wysokie wzmocnienie spowodowane jest niezwykle krótkim czasem życia na niższym poziomie 3p. Z drugiej strony wynika to ze stosunkowo dużej długości fali i odpowiednio niskiej częstotliwości promieniowania. Zwykle stosunek emisji stymulowanych i spontanicznych wzrasta dla niskich częstotliwości ƒ. Wzmocnienie słabych sygnałów g jest z reguły proporcjonalne do g ~ƒ2.

Bez elementów selektywnych laser He-Ne emitowałby na linii 3,39 µm, a nie w obszarze czerwonym przy 0,63 µm. Wzbudzeniu linii podczerwieni zapobiega selektywne lustro wnękowe lub absorpcja w oknach Brewstera rury wyładowczej. Dzięki temu próg generacji lasera można podnieść do poziomu wystarczającego dla promieniowania 3,39 μm, tak że pojawia się tu tylko słabsza czerwona linia.

Projekt

Elektrony niezbędne do wzbudzenia powstają w wyładowaniu gazowym (ryc. 2), które można wykorzystać przy napięciu około 12 kV przy prądach od 5 do 10 mA. Typowa długość wyładowania wynosi 10 cm lub więcej, średnica kapilar wyładowania wynosi około 1 mm i odpowiada średnicy emitowanej wiązki laserowej. Wraz ze wzrostem średnicy rury wyładowczej współczynnik przydatne działanie zmniejsza się, ponieważ zderzenia ze ścianą rury są wymagane do opróżnienia poziomu ls. W celu uzyskania optymalnej mocy wyjściowej stosuje się całkowite ciśnienie napełniania (p): p·D = 500 Pa·mm, gdzie D jest średnicą rury. Stosunek w mieszaninie He/Ne zależy od pożądanej linii lasera. Dla znanej czerwonej linii mamy He: Ne = 5:l, a dla linii podczerwieni około 1,15 µm - He:Ne=10:l. Ważnym aspektem jest również optymalizacja gęstości prądu. Sprawność dla linii 633 nm wynosi około 0,1%, ponieważ proces wzbudzenia w tym przypadku nie jest bardzo wydajny. Żywotność lasera helowo-neonowego wynosi około 20 000 godzin pracy.

Ryż. 2. Projekt lasera He-Ne na promieniowanie spolaryzowane w zakresie mW

Zysk w tych warunkach wynosi g=0,1 m-1, dlatego konieczne jest zastosowanie zwierciadeł o wysokim współczynniku odbicia. Aby wyjść z wiązki laserowej, zainstalowane jest tam częściowo przepuszczalne (półprzezroczyste) lustro (np. o R=98%) tylko z jednej strony, a z drugiej strony lustro o najwyższym możliwym współczynniku odbicia (~100%). Zysk dla innych widocznych przejść jest znacznie mniejszy (patrz Tabela 2). W celach komercyjnych linie te zostały pozyskane tylko w ostatnie lata stosowanie luster o wyjątkowo niskich stratach.

Wcześniej w laserze helowo-neonowym okna wyjściowe rury wyładowczej mocowano żywicą epoksydową, a lustra montowano na zewnątrz. Spowodowało to dyfuzję helu przez klej, a para wodna dostała się do lasera. Obecnie okna te mocuje się metodą bezpośredniego zgrzewania metalu ze szkłem, co zmniejsza wyciek helu do około 1 Pa rocznie. W przypadku małych, masowo produkowanych laserów powłoka lustrzana nakładana jest bezpośrednio na okienka wyjściowe, co znacznie upraszcza cały projekt.

Właściwości wiązki

Aby wybrać kierunek polaryzacji, lampa gazowo-wyładowcza wyposażona jest w dwa skośnie rozmieszczone okna lub, jak pokazano na ryc. 2, płytka Brewstera jest włożona do rezonatora. Współczynnik odbicia na powierzchni optycznej zanika, jeśli światło pada pod tak zwanym kątem Brewstera i jest spolaryzowane równolegle do płaszczyzny padania. Tak więc promieniowanie o tym kierunku polaryzacji przechodzi bez strat przez okno Brewstera. Jednocześnie współczynnik odbicia elementu spolaryzowanego prostopadle do płaszczyzny padania jest dość wysoki i jest tłumiony w laserze.

Stosunek (stopień) polaryzacji (stosunek mocy w kierunku polaryzacji do mocy prostopadłej do tego kierunku) wynosi 1000:1 dla konwencjonalnych systemów komercyjnych. Kiedy laser działa bez płytek Brewstera z wewnętrznymi zwierciadłami, generowane jest promieniowanie niespolaryzowane.

Laser zwykle generuje w trybie poprzecznym TEM00 (tryb najniższego rzędu), a jednocześnie powstaje kilka modów podłużnych (osiowych). Gdy odległość między lustrami (długość rezonatora laserowego) L = 30 cm, przedział częstotliwości międzymodowej wynosi Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. Częstotliwość środkowa jest na poziomie 4,7 1014 Hz. Ponieważ wzmocnienie światła może wystąpić w zakresie Δ ƒ = 1500 MHz (szerokość Dopplera), przy L = 30CM emitowane są trzy różne częstotliwości: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. Przy zastosowaniu mniejszej odległości między lustrami (<= 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.

Lasery helowo-neonowe o mocy około 10 mW często znajdują zastosowanie w interferometrii lub holografii. Długość koherencji takich masowo produkowanych laserów wynosi od 20 do 30 cm, co w zupełności wystarcza do holografii małych obiektów. Większe długości koherencji uzyskuje się przy użyciu szeregowych elementów selektywnych częstotliwościowo.

Gdy odległość optyczna między zwierciadłami zmienia się w wyniku efektów termicznych lub innych, osiowe częstotliwości drgań własnych rezonatora laserowego ulegają przesunięciu. Przy generowaniu jednoczęstotliwościowym nie uzyskuje się tutaj stabilnej częstotliwości promieniowania - porusza się ona w niekontrolowany sposób w zakresie szerokości linii 1500 MHz. Dzięki dodatkowemu sterowaniu elektronicznemu można uzyskać stabilizację częstotliwości w samym środku linii (systemy komercyjne mogą mieć stabilność częstotliwości rzędu kilku MHz). W laboratoriach badawczych czasami możliwe jest ustabilizowanie lasera helowo-neonowego do zakresu poniżej 1 Hz.

Stosując odpowiednie zwierciadła, można wzbudzić różne linie z tabeli 4.2 w celu wygenerowania światła laserowego. Najczęściej używana widzialna linia ma długość około 633 nm z typowymi mocami kilku miliwatów. Po stłumieniu intensywnej linii lasera o długości około 633 nm, w rezonatorze mogą pojawić się inne linie w zakresie widzialnym dzięki zastosowaniu selektywnych zwierciadeł lub pryzmatów (patrz Tabela 2). Jednak moce wyjściowe tych linii stanowią tylko 10% mocy wyjściowej linii ciężkiej lub nawet mniej.

Komercyjne lasery helowo-neonowe są dostępne w różnych długościach fal. Oprócz nich istnieją również lasery, które generują na wielu liniach i są w stanie emitować fale o wielu długościach w różnych kombinacjach. W przypadku przestrajalnych laserów He-Ne proponuje się dobór wymaganej długości fali poprzez obracanie pryzmatu.

Laser helowy neonowy

Oprócz Shavlova, w 1958 roku nad problemem lasera pracowało dwóch innych badaczy z Bell Labs: Ali Javan i John Sanders. Javan był z pochodzenia Irańczykiem. Doktoryzował się w 1954 r. w Towns na temat radiospektroskopii. Pozostał w grupie Townsa przez cztery lata, zajmując się spektroskopią radiową i maserami. Po obronie swojej pracy doktorskiej, gdy Tau nie był na urlopie naukowym w Paryżu i Tokio, Javan bardziej zaangażował się w masery i wpadł na pomysł masera trójpoziomowego, zanim grupa Bell Labs opublikowała eksperymentalną pracę na ten temat. Znalazł metodę uzyskiwania bezinwersyjnego przyrostu populacji, wykorzystując w szczególności efekt Ramana w systemie trzypoziomowym, ale swoje wyniki opublikował później niż grupa Bella.

W kwietniu 1958, kiedy szukał pracy w Bell Labs, rozmawiał z Szawłowem, który opowiedział mu o laserach. W sierpniu 1958 został przyjęty do Bell Labs, aw październiku rozpoczął systematyczne badania nad laserami. Początkowo miał tam trudności etyczne. RCA wcześniej zbadał jego zapisy dotyczące masera trójpoziomowego i ustalił, że jego daty poprzedzają te z grupy Bell. RCA zapłaciło mu 1000 dolarów za prawa do patentu i rozpoczęło spór z Bellem, gdzie Javan już pracował. Przez około sześć miesięcy Javan zajmował się prawnikami z RCA i Bell Labs. Na szczęście RCA zrobiło rozeznanie w rynku i przekonane, że ten wzmacniacz maserowy nie jest opłacalny, porzuciło biznes, pozostawiając patent Bell Labs.

Tak więc Javan mógł całkowicie poświęcić się laserowi. Pomyślał o zbudowaniu go przy użyciu gazów i opublikował swój proponowany projekt w Physical Review Letters w 1959 roku. Postanowił użyć gazu jako ośrodka aktywnego, ponieważ wierzył, że ta prosta substancja ułatwi badania. Uważał jednak, że niemożliwe jest użycie potężnych lamp do pompowania atomów bezpośrednio do stanu wzbudzonego i rozważał wzbudzenie albo przez bezpośrednie zderzenia z elektronami w czystym ośrodku neonowym, albo przez zderzenia drugiego rodzaju. W tym drugim przypadku rura wyładowcza jest wypełniona dwoma gazami, które są tak dobrane, aby atomy pierwszego gazu wzbudzone zderzeniami z elektronami w wyładowaniu elektrycznym mogły przekazać swoją energię atomom drugiego gazu, wzbudzając je . Niektóre mieszaniny gazów miały strukturę poziomu energii, która spełniała te warunki. W rzeczywistości konieczne jest, aby poziom energii drugiego gazu miał energię praktycznie równą energii wzbudzenia pierwszego gazu. Z możliwych kombinacji gazów Javan wybrał kombinację helu i neonu, których poziomy pokazano na ryc. 54. Uważał, że każdy proces fizyczny ma tendencję do ustalania rozkładu energii Boltzmanna na poziomach (tj. populacja niższego poziomu jest większa niż populacja wyższego poziomu). Zatem ośrodek o odwrotnej populacji można uzyskać w procesie stacjonarnym tylko w wyniku konkurencji różnych procesów fizycznych przebiegających z różną szybkością.

Można to lepiej zrozumieć, patrząc na drzewo z gałęziami (dwie na ryc. 55), na którym siedzą małpy. Rozważmy najpierw populację według statystyk Boltzmanna, tj., powiedzmy, cztery małpy siedzą na górnej gałęzi (1), pięć na dole (2) i sześć na ziemi (3, główny poziom). Z tych trzech poziomów główny jest najbardziej zaludniony, a im wyższy poziom, tym mniej zaludniony. Jednak małpy nie siedzą nieruchomo, tylko skaczą po gałęziach (np. możemy założyć, że dzieje się to co minutę). W tym przypadku populacje na poziomach pozostają takie same w czasie (sytuacja równowagi). Załóżmy teraz, że nadal zapełniamy gałęzie w tym samym tempie (jedna małpa na minutę), ale jednocześnie zwilżamy gałąź 2 i sprawiamy, że jest śliska. Teraz małpy nie mogą pozostać na nim dłużej niż powiedzmy 10 sekund. Dlatego ta gałąź szybko się rozprzestrzenia i wkrótce na gałęzi 1 jest więcej małp niż na gałęzi 2. W ten sposób uzyskuje się populację odwrotną, ponieważ czas przebywania małpy na różnych gałęziach jest różny. Chociaż są to bardzo prymitywne rozważania, pomagają zrozumieć rozważania Javana.

Wybór mieszanki helowo-neonowej przeszedł staranną selekcję, aby uzyskać system, który obiecywał optymalne środowisko, a dopiero późniejszy sukces przyniósł a posteriori pełne zaufanie do Javan. Nawet po tym, jak był przekonany, że hel-neon jest najlepszą mieszanką, było wielu sceptyków, którzy mówili mu, że wyładowanie gazu jest zbyt chaotyczne. Mówili, że jest zbyt wiele niewiadomych, a jego próby przypominały polowanie na dziką gęś.

Ryż. 54. Poziomy energetyczne helu (He) i (Ne). Pokazano główne przejścia laserowe

Rys.55. Małpy na murawie są rozmieszczane zgodnie ze statystykami Boltzmanna. Na ziemi jest ich więcej, a ich liczba maleje wraz z wysokością gałęzi.

Javan wydał dużo pieniędzy, ale na szczęście system działał, w przeciwnym razie administracja była gotowa zamknąć projekt i przerwać eksperymenty. Do końca projektu na to badanie wydano dwa miliony dolarów. Choć kwota ta jest najwyraźniej przesadzona, projekt niewątpliwie wymagał znacznych kosztów.

Tymczasem John Sanders, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Oksfordzkiego, został zaproszony do Bell Labs, aby spróbować wdrożyć laser na podczerwień. W ciągu niespełna jednego roku przeznaczonego na te badania Sanders nie tracił czasu na badania teoretyczne, ale natychmiast postanowił wzbudzić czysty hel w rurze wyładowczej z umieszczonym w niej rezonatorem Fabry'ego-Perota. Próbował uzyskać efekt lasera metodą prób i błędów, zmieniając parametry wyładowania. Maksymalna odległość, na jaką można było zamontować lustra, pozostając równolegle do siebie, wynosiła 15 cm, Sanders nie używał dłuższych rurek wyładowczych. Javan uważał to za podstawowe ograniczenie. Założył, że wzmocnienie w gazie jest bardzo małe i rezonator Sandersa nie zadziała. Rurka, z której korzystał Javan była znacznie dłuższa, a ponieważ niezwykle trudno było ustawić zwierciadła Fabry-Perot na taką odległość, postanowił najpierw określić wymagane parametry dla urządzenia roboczego, a następnie spróbować wyregulować zwierciadła na próbę i błąd. Tak pracował. Bez wszystkich wstępnych prac nad wyborem trybu He-Ne, aby uzyskać znane wzmocnienie, nie można było odnieść sukcesu.

Sanders wysłał list do Physical Review Letters, że trudno jest uzyskać wystarczającą ilość wzbudzonych atomów za pomocą lampy błyskowej i zasugerował użycie wzbudzenia wytwarzanego przez uderzenia elektronów. Takie wzbudzenie można łatwo przeprowadzić za pomocą wyładowania elektrycznego w gazie lub parze. Inwersję populacji można uzyskać, jeśli materiał aktywny zawiera stany wzbudzone o długim czasie życia, a także stany o niższych energiach i krótkim czasie życia (jak rozważaliśmy w przykładzie małpy).

Zaraz po tym artykule, w tym samym numerze „Physical Review Letters”, A. Javan opublikował swój artykuł, w którym również rozważał te problemy, a wśród innych schematów zaproponował jeden bardzo oryginalny. Rozważ stan długowieczności w gazie. W warunkach rozładowania stan ten może być odpowiednio wypełniony ze względu na jego długą żywotność. Jeśli teraz wzbudzony stan drugiego gazu ma energię bardzo zbliżoną do tego długotrwałego stanu, to jest bardzo prawdopodobne, że w zderzeniu energia zostanie przeniesiona z pierwszego atomu na drugi, który zostanie wzbudzony. Jeśli ten atom ma inne niższe stany energetyczne, pozostaną one niewzbudzone, a zatem może istnieć odwrotna populacja między stanami o wysokiej energii w stosunku do stanu o niższej energii. W swojej pracy Javan wspomniał o mieszaninach kryptonu i rtęci, a także helu i neonu. Ta praca została opublikowana w Physical Review Letters 3 czerwca 1959.

Javan ściśle współpracował z Williamem R. Bennettem, Jr., spektroskopem z Yale University, który był przyjacielem Javana na Columbii. Pracowali do późnych godzin nocnych przez cały rok. Jesienią 1959 roku Javan poprosił Donalda R. Herriota, technika optycznego w Bell Labs, o pomoc w projekcie. Jednym z podstawowych problemów było wyposażenie rury wyładowczej w dwa przezroczyste okienka o bardzo wysokiej jakości optycznej, aby nie zniekształcać wiązki wyjściowej. Konieczne było również zainstalowanie luster rezonatorowych. Opracowano schemat (rys. 56) z lustrami wewnątrz rury wyładowczej, wyposażonymi w specjalne urządzenia ze śrubami mikrometrycznymi, które umożliwiały precyzyjne dostrojenie lustra w narożach. We wrześniu 1959 Bennett przeniósł się z Yale do Bell Labs i wraz z Javanem rozpoczął program intensywnych i dokładnych badań, obliczając i mierząc właściwości spektroskopowe mieszanin helowo-neonowych w różnych warunkach, w celu określenia czynników, które determinują produkcja inwersji. Stwierdzili, że w najlepszych warunkach można uzyskać tylko bardzo mały zysk, rzędu 1,5%. Ten niski zysk sprawił, że absolutnie konieczne było zminimalizowanie strat i zastosowanie luster o jak najwyższym współczynniku odbicia. Takie lustra uzyskuje się poprzez nałożenie na przezroczystą powierzchnię (szkło) wielu warstw odpowiednich (przezroczystych) materiałów dielektrycznych o różnych współczynnikach załamania. Wysoki współczynnik odbicia uzyskuje się dzięki wielodrogowej interferencji z odbiciami na granicach między warstwami. Trzech badaczy mogło użyć luster o współczynniku odbicia 98,9% przy długości fali 1,15 µm.

Ryż. 56. Schemat lasera helowo-neonowego zbudowanego przez Javana, Bennetta i Heriotta

W 1960 roku Javan, Bennett i Heriott w końcu przetestowali swój laser. Najpierw próbowali przeprowadzić wyładowanie elektryczne w rurce kwarcowej zawierającej mieszankę gazów za pomocą silnego magnetronu, ale rura stopiła się. Musiałem przerobić sprzęt i dokonać zmian. 12 grudnia 1960 r. rozpoczęli pracę nad nową organizacją rur i wyrzutni. Próbowali dostosować lustra, aby uzyskać efekt laserowy, ale bez powodzenia. Następnie w południe Heriott zobaczył sygnał: „Kręciłem jak zwykle śruby mikrometru na jednym z lusterek, gdy nagle na oscyloskopie pojawił się sygnał. Ustawiliśmy monochromator i zarejestrowaliśmy pik sygnału przy długości fali 1,153 µm, tj. przy oczekiwanej długości fali. Narodził się pierwszy laser, wykorzystujący gaz jako medium aktywne i działający w trybie ciągłym! Jego promieniowanie mieściło się w zakresie bliskiej podczerwieni, a zatem było niewidoczne dla oka. Rejestracja wymagała odpowiedniego odbiornika podłączonego do oscyloskopu.

A sześć miesięcy wcześniej Ed Ballick, technik, który pomagał, później ukończył studia na Uniwersytecie Oksfordzkim i wykładał w Kanadzie, kupił stuletnią butelkę wina. Przeznaczony był na uroczystą chwilę – z okazji działania lasera. Kiedy eksperymenty laserowe w końcu doszły do skutku, kilka dni później Javan zadzwonił do szefa Bell Labs i zaprosił go, aby kąpał wydarzenie w stuletnim winie. Był strasznie zachwycony, ale potem wykrzyknął: „Cholera Ali. Mamy problem!". Stało się to rano, Javan, i nie rozumiałem, na czym polega problem. Ale w południe po laboratorium krążył okólnik wyjaśniający poprzedni, wydany kilka miesięcy wcześniej i zakazujący picia alkoholu na terenie ośrodka naukowego. Wyjaśnienie zabraniało picia alkoholu poniżej 100 lat. Potem podnieśli okulary sukcesu bez łamania zasad!

Pierwszy laser działał przy przejściu 1,15 µm, w zakresie bliskiej podczerwieni. Javan używał luster, które miały maksymalne odbicie na tej długości fali, co odpowiada jednemu z możliwych przejść neonu. Wiedział, że istnieją inne możliwe długości fal. Wybrał tę długość fali, ponieważ jego badania wykazały, że można się na niej spodziewać największego zysku. Aby użyć przejść w obszarze widzialnym, potrzebna była rura o tak małej średnicy, że niemożliwe było ustawienie płaskich zwierciadeł, które były wówczas używane w rezonatorze Fabry-Perota.

W laserze jawańskim rura wyładowcza zawierała neon i hel pod ciśnieniem odpowiednio 0,1 i 1 Tor (1 Tor to prawie jedna tysięczna ciśnienia jednej atmosfery). Rura ze stopionego kwarcu miała 80 cm długości i 1,5 cm średnicy, a na każdym końcu znajdowała się metalowa wnęka zawierająca płaskie lustra o wysokim współczynniku odbicia. Zastosowano tuleje elastyczne (mieszki), które umożliwiły regulację (poprzez precyzyjne nachylenie) lusterek Fabry-Perot za pomocą śrub mikrometrycznych. Umożliwiło to zapewnienie równoległości z dokładnością do 6 sekund kątowych. Na końcach znajdowały się płaskie szyby o powierzchniach wypolerowanych z dokładnością lepszą niż 100 A. Umożliwiały one emisję wiązki promieniowania bez zniekształceń. Wyładowanie elektryczne wzbudzano elektrodami zewnętrznymi przy użyciu oscylatora 28 MHz o mocy 50 watów. Lustra o wysokim współczynniku odbicia uzyskano przez nałożenie 13 warstw materiałów dielektrycznych (MgF 2 , ZnS). Pomiędzy 1,1 a 1,2 µm współczynnik odbicia wynosił 98,9%. Laser działał nieprzerwanie i był pierwszym tego typu laserem.

Idąc za przykładem Hughesa, Bell Labs dało również publiczną demonstrację lasera helowo-neonowego w dniu 14 grudnia 1960 roku. Aby zademonstrować możliwe znaczenie dla komunikacji, rozmowa telefoniczna była transmitowana za pomocą wiązki promieniowania laserowego, która była modulowana przez telefon sygnał.

Laser ten stał się znany jako laser He-Ne, używając symboli chemicznych jego składników w nazwie. Został on przedstawiony prasie 31 stycznia 1961 r. Artykuł opisujący go został opublikowany 30 grudnia 1960 r. w Physical Review Letters.

Kiedy Javan przeprowadzał eksperymenty wiosną 1960 roku, dwóch badaczy z Bell Labs, A. Fox i T. Lee, zaczęło badać pytanie, jakie mody istnieją w rezonatorze Fabry'ego-Perota. Faktem jest, że rezonator Fabry-Perot bardzo różni się od rezonatorów mikrofalowych w postaci zamkniętych wnęk. Określili kształt tych modów, a ich wynik skłonił innych badaczy Bell Labs, Gary’ego D. Bonda, Jamesa Gordona i Herwiga Kogelnika, do znalezienia rozwiązań analitycznych w przypadku luster sferycznych. Nie można nie doceniać znaczenia badań wnęk optycznych dla rozwoju laserów gazowych. Przed uzyskaniem tych wyników laser gazowy był w najlepszym razie urządzeniem marginalnym, którego generacja była silnie uzależniona od ustawienia zwierciadeł końcowych. Badania teoretyczne rezonatorów ze zwierciadłami sferycznymi wykazały, że mogą istnieć konfiguracje stosunkowo słabo zależne od ustawienia zwierciadeł, a straty wewnętrzne w rezonatorze mogą być mniejsze niż w rezonatorze z lustrami płaskimi. Pozwala to na wykorzystanie aktywnych mediów o znacznie niższych zyskach niż wcześniej sądzono. Praktycznie zrezygnowano z rezonatora z płaskimi lustrami, a wszystkie odkrycia nowych laserów gazowych dokonywano przy użyciu rezonatorów ze zwierciadłami sferycznymi.

W 1961 roku w Bell Labs rozpoczęto duży program badań nad laserami. Badacze zajęci innymi problemami zostali przeorientowani na nowe tematy, zatrudniono nowych pracowników. Decyzja o zastosowaniu dwóch identycznych zwierciadeł sferycznych w rezonatorze znajdującym się w ich ogniskach (ta konfiguracja nazywana jest rezonatorem konfokalnym) pokazała, jakich trudności mógłby uniknąć Javan, stosując taki rezonator. W rezultacie William W. Rygrod, Herwig Kogelnik, Donald R. Heriott i D.J. Brangacio zbudowali wiosną 1962 r. pierwszy rezonator konfokalny ze zwierciadłami sferycznymi, które skupiają światło w osi rury wyładowczej, które to zwierciadła zostały umieszczone na zewnątrz rury wyładowczej. rura. Umożliwiło to uzyskanie generacji na czerwonej linii 6328 A. Część światła jest nieuchronnie tracona w odbiciach od powierzchni okien (odbicie Fresnela). Strat tych można jednak uniknąć, uchyliwszy okna pod pewnym kątem, zwanym kątem Brewstera. W tym przypadku dla światła o określonej polaryzacji straty są praktycznie zerowe. Ta nowa konfiguracja lasera jest pokazana na ryc. 57.

Ryż. 57. Konfokalny rezonator optyczny. Rura, w której gaz jest wzbudzany przez wyładowanie elektryczne, jest zamknięta okienkami nachylonymi pod kątem Brewstera. Zwierciadła wklęsłe o równych promieniach krzywizny umieszcza się za rurą tak, aby odległość między nimi była równa promieniowi krzywizny

Czerwony laser He-Ne stał się szeroko stosowany i nadal jest stosowany w szczególności w medycynie. Ponadto w znacznym stopniu przyczynia się do zrozumienia fundamentalnych różnic między światłem laserowym (wysoce koherentnym) a zwykłym (niespójnym). Za pomocą tego lasera można łatwo zaobserwować zjawiska interferencyjne, a także strukturę modową wiązki laserowej, którą łatwo i wyraźnie zmienia się poprzez lekkie nachylenie zwierciadła rezonatora. Stymulowano również rozwój innych, licznych rodzajów laserów.

Nowoczesny laser He-Ne może generować na jednym z kilku przejść pokazanych na ryc. 54. W tym celu wykonuje się zwierciadła wielowarstwowe z maksymalnym odbiciem przy pożądanej długości fali. Generowanie uzyskuje się przy długości fali 3,39 μm, 1,153 μm, 6328 A°, a nawet przy użyciu specjalnych luster przy długości fali 5433 A (linia zielona), 5941 A° (linia żółta), 6120 A° (linia pomarańczowa).

Z książki autora

Drugi laser na ciele stałym We wrześniu 1959 roku Townes zorganizował konferencję „Elektronika kwantowa – zjawiska rezonansowe", na której, mimo że laser nie został jeszcze stworzony, większość nieformalnych dyskusji dotyczyła laserów. W konferencji tej wziął udział Peter

Z książki autora

Laser cezowy Rok 1961 był rokiem wdrożenia dwóch kolejnych laserów, nad którymi specjaliści pracowali od samego początku koncepcji lasera. Jednym z nich był laser cezowy. Po tym, jak Townes i Shavlov napisali swoją pracę, zdecydowano, że Townes spróbuje zbudować laser.

Z książki autora

Laser neodymowy Kolejnym laserem, wprowadzonym na rynek w 1961 roku i nadal jednym z głównych, jest laser neodymowy ze szkła. W latach 1959-1960. American Optical Company zainteresowała się również badaniami laserowymi, które przeprowadził jeden z jej naukowców, Elias Snitzer. Ten

Z książki autora

Czy laser istnieje w naturze? Odpowiedź wydaje się brzmieć tak! Promieniowanie laserowe o długości fali około 10 μm (typowa linia emisji dwutlenku węgla, w której pracują lasery CO2 dużej mocy, które znajdują szerokie zastosowanie, w szczególności do obróbki materiałów)

Z książki autora

Laser i Moon Bell Labs wykorzystały jeden z pierwszych laserów do badania topografii powierzchni Księżyca. Podczas wyprawy Apollo 11, wysłanej na Księżyc 21 lipca 1969, astronauci zainstalowali na jego powierzchni dwa narożne reflektory zdolne do odbijania światła laserowego,

Celem pracy jest zbadanie głównych cech i parametrów lasera gazowego, w którym jako substancję czynną zastosowano mieszaninę gazów helu i neonu.

3.1. Zasada działania lasera helowo-neonowego

Laser helowo-neonowy jest typowym i najpowszechniejszym laserem gazowym. Należy do atomowych laserów gazowych, a jego ośrodkiem aktywnym jest mieszanina neutralnych (niezjonizowanych) atomów gazów obojętnych - helu i neonu. Neon jest gazem roboczym, a między jego poziomami energetycznymi zachodzą przejścia z emisją spójnego promieniowania elektromagnetycznego. Hel pełni rolę gazu pomocniczego i przyczynia się do wzbudzenia neonu i powstania w nim inwersji populacyjnej.

Aby rozpocząć generację w dowolnym laserze, muszą być spełnione dwa ważne warunki:

1. Musi istnieć inwersja populacji między działającymi poziomami lasera.

2. Wzmocnienie w ośrodku aktywnym musi przekraczać wszystkie straty w laserze, w tym straty „użyteczne” dla wyjścia promieniowania.

Jeśli system ma dwa poziomy mi 1 oraz mi 2 z liczbą cząstek na każdym z nich, odpowiednio N 1 oraz N 2 i stopień degeneracji g 1 oraz g 2, to inwersja populacji nastąpi, gdy populacja N 2 /g 2 najwyższe poziomy mi 2 będzie więcej ludności N 1 /g 1 niższy poziom mi 1 , czyli stopień inwersji Δ N będzie pozytywne:

Jeśli poziomy mi 1 oraz mi 2 są niezdegenerowane, to aby nastąpiła inwersja konieczne jest, aby liczba cząstek N 2 na najwyższym poziomie mi 2 było więcej niż liczba cząstek N 1 na niższym poziomie mi jeden . Poziomy, pomiędzy którymi możliwe jest powstanie inwersji populacji i występowanie wymuszonych przejść z emisją spójnego promieniowania elektromagnetycznego, nazywamy działające niwelatory laserowe.

Stan inwersji populacji jest tworzony za pomocą pompowanie– wzbudzanie atomów gazu różnymi metodami. Ze względu na energię źródła zewnętrznego, zwanego źródło pompy, atom Ne z poziomu energii przyziemnej mi 0 , odpowiadający stanowi równowagi termodynamicznej, przechodzi w stan wzbudzony Ne*. W zależności od intensywności pompy mogą wystąpić przejścia do różnych poziomów energii. Potem następują spontaniczne lub wymuszone przejścia na niższe poziomy energii.

W większości przypadków nie jest konieczne uwzględnienie wszystkich możliwych przejść między wszystkimi stanami w systemie. Dzięki temu można mówić o dwu-, trzy- i czteropoziomowych schematach działania lasera. Rodzaj schematu pracy lasera determinowany jest właściwościami czynnika aktywnego, a także zastosowaną metodą pompowania.

Laser helowo-neonowy działa w układzie trzypoziomowym, jak pokazano na rys. 3.1. W tym przypadku kanały do pompowania i generowania promieniowania są częściowo rozdzielone. Pompowanie substancji czynnej powoduje przejścia z poziomu gruntu mi 0 do poziomu podekscytowanego mi 2, co prowadzi do pojawienia się inwersji populacji pomiędzy poziomami pracy mi 2 i mi jeden . Czynnik aktywny, który znajduje się w stanie z inwersją populacji poziomów roboczych, jest zdolny do wzmacniania promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości
ze względu na stymulowane procesy emisyjne.

Ryż. 3.1. Schemat poziomów energetycznych gazu roboczego i pomocniczego, wyjaśniający działanie lasera helowo-neonowego

Ponieważ poszerzenie poziomów energii w gazach jest niewielkie i nie ma szerokich pasm absorpcji, trudno jest uzyskać odwrotną populację za pomocą promieniowania optycznego. W gazach możliwe są jednak inne metody pompowania: bezpośrednie wzbudzenie elektronowe i rezonansowe przeniesienie energii po zderzeniu atomów. Wzbudzenie atomów przy zderzeniu z elektronami najłatwiej można przeprowadzić w wyładowaniu elektrycznym, gdzie elektrony są przyspieszane przez pole elektryczne może uzyskać znaczną energię kinetyczną. W zderzeniach nieelastycznych elektronów z atomami te ostatnie przechodzą w stan wzbudzony mi 2:

Ważne jest, aby proces (3.4) miał charakter rezonansowy: prawdopodobieństwo przeniesienia energii będzie maksymalne, jeśli wzbudzone stany energetyczne różnych atomów pokrywają się, tj. są w rezonansie.

Poziomy energii He i Ne oraz główne przejścia robocze pokazano szczegółowo na ryc. 1. 3.2. Przejścia odpowiadające nieelastycznym oddziaływaniom atomów gazu z szybkimi elektronami (3.2) i (3.3) są pokazane kropkowanymi strzałkami do góry. W wyniku zderzenia elektronów atomy helu są wzbudzane do poziomów 2 1 S 0 i 2 3 S 1, które są metastabilne. Przejścia radiacyjne w helu do stanu podstawowego 1 S 0 są zabronione przez reguły selekcji. Gdy wzbudzone atomy He zderzają się z atomami Ne w stanie podstawowym 1 S 0 , możliwe jest przeniesienie wzbudzenia (3.4) i neon przechodzi do jednego z poziomów 2S lub 3S. W tym przypadku warunek rezonansu jest spełniony, ponieważ przerwy energetyczne między stanem podstawowym i wzbudzonym w gazie pomocniczym i roboczym są blisko siebie.

Przejścia radiacyjne mogą zachodzić od poziomów neonu 2S i 3S do poziomów 2P i 3P. Poziomy P są mniej zaludnione niż wyższe poziomy S, ponieważ nie ma bezpośredniego transferu energii z atomów He na te poziomy. Ponadto poziomy P mają krótki czas życia, a przejście bezpromieniste P → 1S opróżnia poziomy P. Zatem sytuacja (3.1) powstaje, gdy populacja wyższych poziomów S jest wyższa niż populacja niższych poziomów P, tj. pomiędzy poziomami S i P występuje inwersja populacji, co oznacza, że przejścia między nimi można wykorzystać do generowania lasera.

Ponieważ liczba poziomów S i P jest duża, możliwy jest duży zestaw różnych przejść kwantowych między nimi. W szczególności, od czterech poziomów 2S do dziesięciu poziomów 2P, reguły wyboru umożliwiają 30 różnych przejść, z których większość generuje generację. Najsilniejszą linią emisyjną podczas przejść 2S → 2P jest linia 1,1523 μm (obszar widma w podczerwieni). Dla przejść 3S→2Р najbardziej znacząca jest linia 0,6328 µm (obszar czerwony), a dla 3S→3Р – 3,3913 µm (obszar IR). Emisja spontaniczna występuje na wszystkich wymienionych długościach fal.

Ryż. 3.2. Poziomy energetyczne atomów helu i neonu oraz schemat działania lasera He-Ne

Jak wspomniano wcześniej, po przejściach radiacyjnych do poziomów P, niepromienisty zanik radiacyjny występuje podczas przejść P → 1S. Niestety poziomy neonu 1S są metastabilne, a jeśli mieszanina gazowa nie zawiera innych zanieczyszczeń, to jedynym sposobem przejścia atomów neonu do stanu podstawowego z poziomu 1S jest zderzenie ze ścianami naczynia. Z tego powodu wzmocnienie systemu wzrasta wraz ze zmniejszaniem się średnicy rury wyładowczej. Ponieważ stany 1S neonu powoli się wyczerpują, atomy Ne pozostają w tych stanach, co jest wysoce niepożądane i determinuje szereg cech tego lasera. W szczególności, gdy prąd pompy wzrasta powyżej wartości progowej j następnie następuje gwałtowny wzrost, a następnie nasycenie, a nawet spadek mocy promieniowania laserowego, co jest właśnie wynikiem akumulacji pracujących cząstek na poziomach 1S, a następnie ich przejścia do stanów 2P lub 3P po zderzeniu z elektronami. Uniemożliwia to uzyskanie wysokich wyjściowych mocy promieniowania.

Występowanie populacji odwrotnej zależy od ciśnienia He i Ne w mieszaninie oraz temperatury elektronów. Optymalne wartości ciśnień gazu to 133 Pa dla He i 13 Pa dla Ne. Temperaturę elektronów określa napięcie przyłożone do mieszaniny gazów. Zwykle napięcie to utrzymuje się na poziomie 2…3 kV.

Aby uzyskać generację lasera, konieczne jest, aby w laserze występowało dodatnie sprzężenie zwrotne, w przeciwnym razie urządzenie będzie działać tylko jako wzmacniacz. W tym celu aktywny ośrodek gazowy umieszcza się w rezonatorze optycznym. Oprócz tworzenia sprzężenia zwrotnego, rezonator służy do wyboru rodzaju oscylacji i wyboru długości fali generacji, dla której stosuje się specjalne zwierciadła selektywne.

Przy poziomach pompy zbliżonych do progu, wystrzeliwanie jednego rodzaju oscylacji jest stosunkowo łatwe. Wraz ze wzrostem poziomu wzbudzenia, jeśli nie zostaną podjęte żadne specjalne środki, powstaje szereg innych trybów. W tym przypadku generacja następuje na częstotliwościach bliskich częstotliwościom rezonansowym rezonatora, które mieszczą się w szerokości linii atomowej. W przypadku drgań osiowych (tryb TEM 00) odległość częstotliwości pomiędzy sąsiednimi maksimami
, gdzie L to długość rezonatora. W wyniku jednoczesnej obecności kilku modów w widmie emisyjnym powstają dudnienia i niejednorodności. Gdyby istniały tylko mody osiowe, to widmo byłoby oddzielnymi liniami, których odległość byłaby równa c / 2L. Ale możliwe jest również wzbudzanie nieosiowych typów oscylacji w rezonatorze, na przykład trybów TEM 10, których obecność silnie zależy od strojenia zwierciadeł. W związku z tym w widmie emisyjnym pojawiają się dodatkowe linie satelitarne, zlokalizowane symetrycznie w częstotliwości po obu stronach osiowych rodzajów drgań. Pojawienie się nowych rodzajów oscylacji wraz ze wzrostem poziomu pompy można łatwo określić poprzez wizualną obserwację struktury pola promieniowania. Możliwa jest również wizualna obserwacja wpływu ustawienia rezonatora na strukturę modów promieniowania koherentnego.

Gazy są bardziej jednorodne niż media skondensowane. Dzięki temu wiązka światła w gazie jest mniej zniekształcona i rozproszona, a promieniowanie lasera helowo-neonowego charakteryzuje się dobrą stabilnością częstotliwości i dużą kierunkowością, która dzięki zjawisku dyfrakcji osiąga swoją granicę. Dyfrakcyjna granica rozbieżności dla rezonatora konfokalnego

gdzie λ jest długością fali; d 0 to średnica wiązki światła w jej najwęższej części.

Promieniowanie lasera helowo-neonowego charakteryzuje się wysokim stopniem monochromatyczności i koherencji. Szerokość linii emisyjnych takiego lasera jest znacznie węższa niż „naturalna” szerokość linii widmowej io wiele rzędów wielkości mniejsza niż graniczny stopień rozdzielczości nowoczesnych spektrometrów. Dlatego, aby to określić, mierzy się widmo uderzeń różnych trybów promieniowania. Dodatkowo promieniowanie tego lasera jest spolaryzowane płaszczyznowo dzięki zastosowaniu okienek umieszczonych pod kątem Brewstera do osi optycznej rezonatora.

Dowodem spójności promieniowania może być obserwacja wzoru dyfrakcyjnego w nałożeniu promieniowania otrzymanego z różnych punktów źródła. Na przykład spójność można oszacować obserwując interferencję z systemu wielu szczelin. Z doświadczenia Younga wiadomo, że aby zaobserwować interferencję światła ze zwykłego „klasycznego” źródła, promieniowanie najpierw przechodzi przez jedną szczelinę, a następnie przez dwie, a następnie na ekranie powstają prążki interferencyjne. W przypadku zastosowania promieniowania laserowego pierwsza szczelina okazuje się zbędna. Ta okoliczność jest fundamentalna. Ponadto odległość między dwiema szczelinami i ich szerokość mogą być niewspółmiernie większe niż w klasycznych eksperymentach. W oknie wyjściowym lasera gazowego znajdują się dwie szczeliny, których odległość wynosi 2 a. W przypadku, gdy padające promieniowanie jest spójne, na ekranie znajdującym się w pewnej odległości d ze szczelin będzie obserwowany wzór interferencji. W tym przypadku odległość między maksimami (minimami) pasm

Najpopularniejszym laserem gazowym jest helowo-neonowy ( He-Ne) laser (laser atomów neutralnych), który działa na mieszaninie helu i neonu w stosunku 10:1. Ten laser jest również pierwszym laserem ciągłym.

Rozważ schemat energetyczny poziomów helu i neonu (ryc. 3.4). Generowanie odbywa się między poziomami neonów, a hel jest dodawany w celu przeprowadzenia procesu pompowania. Jak widać na rysunku, poziomy 2 3 S 1 oraz 2 1 S 0 hel znajdują się odpowiednio blisko poziomów 2s oraz 3s nie ona. Ponieważ poziomy helu 2 3 S 1 oraz 2 1 S 0 są metastabilne, to gdy metastabilne wzbudzone atomy helu zderzają się z atomami neonu, nastąpi rezonansowe przeniesienie energii na atomy neonu (zderzenia drugiego rodzaju).

Więc poziomy 2s oraz 3s neon może być zaludniony, a zatem generacja może przebiegać z tych poziomów. Dożywotni s-stany ( t s» 100 ns) znacznie dłuższa żywotność R-stany ( tp»10 ns), a więc spełniony jest warunek, aby laser działał zgodnie ze schematem czteropoziomowym:

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

Generowanie lasera jest możliwe na jednym z przejść a, b, c zgodnie z długościami fal ja=3,39 µm, funt=0,633 µm, ja jestem=1,15 μm, co można uzyskać dobierając współczynnik odbicia zwierciadeł rezonatora lub wprowadzając do rezonatora elementy dyspersyjne.

Ryż. 3.4. Schemat poziomów energetycznych helu i neonu.

Rozważmy charakterystykę generacji takiego lasera.

Rys.3.5. Charakterystyka generacji lasera helowo-neonowego.

Początkowy wzrost mocy wyjściowej wraz ze wzrostem prądu pompy tłumaczy się inwersją populacji. Po osiągnięciu mocy maksymalnej krzywa zaczyna maleć wraz z dalszym wzrostem prądu pompy. Wyjaśnia to fakt, że poziomy 2p i 1s nie mają czasu na relaks; elektrony nie mają czasu, aby przejść na niski poziom energii, a liczba elektronów na sąsiednich poziomach 2p i 1s staje się taka sama. W tym przypadku nie ma inwersji.

Wydajność laserów helowo-neonowych jest rzędu 0,1%, co tłumaczy się niską gęstością objętościową wzbudzonych cząstek. Moc wyjściowa typowa He-Ne-laser P~5-50 mW, rozbieżność q~1 mrad.

Laser argonowy

Są to najpotężniejsze lasery o fali ciągłej w zakresie widzialnym i bliskim ultrafiolecie, związane z laserami jonowymi. Górny poziom lasera w gazie roboczym jest wypełniany w wyniku dwóch kolejnych zderzeń elektronów podczas wyładowania elektrycznego. W pierwszym zderzeniu jony powstają z obojętnych atomów, a w drugim jony te są wzbudzane. Dlatego pompowanie jest procesem dwuetapowym, którego wydajność jest proporcjonalna do gęstości prądu. Wydajne pompowanie wymaga odpowiednio wysokich gęstości prądu.

Wykres poziomu energii lasera włączony Ar+ pokazano na ryc. 3.3. Emisja lasera w liniach między 454,5 nm a 528,7 nm występuje, gdy grupa poziomów jest zaludniona 4p przez wzbudzenie przez oddziaływanie elektronów stanów podstawowych lub metastabilnych Ar + .

3,5 laser CO 2

Molekularny CO 2-Lasery są najpotężniejszymi laserami cw wśród laserów gazowych, ze względu na najwyższą wydajność przetwarzania energii elektrycznej na energię promieniowania (15-20%). Generowanie lasera następuje na przejściach wibracyjno-rotacyjnych, a linie emisyjne tych laserów znajdują się w obszarze dalekiej podczerwieni, które znajdują się przy długościach fali 9,4 μm i 10,4 μm.

W CO 2 Laser wykorzystuje mieszaninę gazów CO 2, N 2 oraz On. Pompowanie odbywa się bezpośrednio podczas zderzeń cząsteczek CO 2 z elektronami i cząsteczkami wzbudzonymi oscylacjami N 2. Wysoka przewodność cieplna He w mieszaninie sprzyja chłodzeniu CO 2, co prowadzi do zubożenia dolnego poziomu lasera w wyniku wzbudzenia termicznego. Więc obecność N 2 w mieszaninie przyczynia się do wysokiej populacji górnego poziomu lasera, a obecność On– wyczerpywanie się dolnego poziomu, aw efekcie łącznie prowadzą do wzrostu inwersji populacji. Wykres poziomu energii CO 2-laser pokazano na ryc. 3.4. Generowanie lasera odbywa się podczas przejścia między stanami oscylacyjnymi cząsteczki CO 2 n 3 czerwca 1 lub n 3 czerwca 2 ze zmianą stanu obrotowego.

Ryż. 3.4. Wykres poziomu energii N 2 oraz CO 2 w CO 2-laser.

CO 2 Laser może pracować zarówno w trybie ciągłym, jak i pulsacyjnym. W trybie ciągłym jego moc wyjściowa może osiągnąć kilka kilowatów.