เลเซอร์แก๊ส เลเซอร์ฮีเลียมนีออน

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ร่วมกับไดโอดหรือเซมิคอนดักเตอร์ เป็นหนึ่งในเลเซอร์ที่ใช้กันมากที่สุดและราคาไม่แพงที่สุดสำหรับบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม พลังของระบบเลเซอร์ประเภทนี้ ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อการค้าเป็นหลัก อยู่ในช่วงตั้งแต่ 1 mW ถึงหลายสิบ mW เลเซอร์ He-Ne ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าที่ได้รับความนิยมเป็นพิเศษคือ 1 mW ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เป็นอุปกรณ์อ้างอิงตลอดจนการแก้ปัญหาอื่น ๆ ในด้านเทคโนโลยีการวัด ในช่วงอินฟราเรดและสีแดง เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนกำลังถูกแทนที่ด้วยเลเซอร์ไดโอดมากขึ้น เลเซอร์ He-Ne สามารถเปล่งเส้นสีส้ม สีเหลือง และสีเขียว นอกเหนือไปจากเส้นสีแดง ซึ่งทำได้ด้วยกระจกแบบคัดเลือกที่เหมาะสม

แผนภาพระดับพลังงาน

ระดับพลังงานของฮีเลียมและนีออนที่สำคัญที่สุดสำหรับการทำงานของเลเซอร์ He-Ne แสดงไว้ในรูปที่ 1. การเปลี่ยนภาพด้วยเลเซอร์เกิดขึ้นในอะตอมของนีออน โดยมีเส้นที่เข้มที่สุดซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนภาพด้วยความยาวคลื่น 633, 1153 และ 3391 (ดูตารางที่ 1)

โครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ของนีออนในสถานะพื้นมีลักษณะดังนี้: 1s22s22p6 โดยที่เปลือกแรก (n = 1) และเปลือกที่สอง (n = 2) เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนสองและแปดตัวตามลำดับ สถานะที่สูงขึ้นตามรูปที่ 1 เกิดขึ้นจากความจริงที่ว่ามีเปลือก 1s22s22p5 ที่นี่และอิเล็กตรอนที่ส่องสว่าง (ออปติคัล) ตื่นเต้นตามแบบแผน: 3s, 4s, 5s, ... , 3p, 4p, ... เป็นต้น เรากำลังพูดถึงสถานะหนึ่งอิเล็กตรอนซึ่งดำเนินการเชื่อมต่อกับเปลือก ในโครงการ LS (Russell-Saunders) สำหรับ ระดับพลังงานนีออนถูกระบุโดยสถานะหนึ่งอิเล็กตรอน (เช่น 5 วินาที) เช่นเดียวกับผลลัพท์ของโมเมนตัมการโคจรทั้งหมด L (= S, P, D...) ในสัญกรณ์ S, P, D,... ดัชนีล่างแสดงโมเมนต์โคจรทั้งหมด J และอันบนแสดงหลายหลาก 2S + 1 เช่น 5s1P1 บ่อยครั้งมีการใช้การกำหนดปรากฏการณ์ทางปรากฏการณ์อย่างหมดจดตาม Paschen (รูปที่ 1) ในกรณีนี้ ระดับย่อยของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่ตื่นเต้นจะถูกนับตั้งแต่ 2 ถึง 5 (สำหรับสถานะ s) และตั้งแต่ 1 ถึง 10 (สำหรับสถานะ p)

ข้าว. 1. โครงการระดับพลังงานของเลเซอร์ He-Ne ระดับนีออนถูกทำเครื่องหมายตาม Pashen นั่นคือ: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 เป็นต้น

ตารางที่ 1. สัญลักษณ์สำหรับการเปลี่ยนเส้นที่รุนแรงของเลเซอร์ He-Ne

ความตื่นเต้น

สารออกฤทธิ์ของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนคือ ส่วนผสมของแก๊สซึ่งพลังงานที่จำเป็นถูกจ่ายในการคายประจุไฟฟ้า ระดับเลเซอร์ด้านบน (2 วินาทีและ 2p ตาม Paschen) ถูกเลือกโดยพิจารณาจากการชนกับอะตอมฮีเลียมที่แพร่กระจายได้ (23S1, 21S0) ในระหว่างการชนกันเหล่านี้ ไม่เพียงแต่การแลกเปลี่ยนพลังงานจลน์เกิดขึ้น แต่ยังรวมถึงการถ่ายโอนพลังงานจากอะตอมฮีเลียมที่ตื่นเต้นไปยังอะตอมนีออนด้วย กระบวนการนี้เรียกว่าการชนกันของประเภทที่สอง:

เขา* + เน -> เขา + เน* + ΔE, (1)

โดยที่ดอกจัน (*) แสดงถึงสถานะตื่นเต้น ความแตกต่างของพลังงานในกรณีของการกระตุ้นระดับ 2s คือ: &DeltaE=0.05 eV ในการชนกัน ความแตกต่างที่มีอยู่จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ ซึ่งจากนั้นจะกระจายไปในรูปของความร้อน สำหรับระดับ 3 ความสัมพันธ์ที่เหมือนกันจะเกิดขึ้น การถ่ายโอนพลังงานจังหวะจากฮีเลียมไปยังนีออนเป็นกระบวนการสูบน้ำหลักในการสร้างการผกผันของประชากร ในกรณีนี้อายุการใช้งานที่ยาวนานของสถานะ metastable เขามีผลดีต่อการคัดเลือกประชากรของระดับเลเซอร์บน

การกระตุ้นของ He-atoms เกิดขึ้นจากการชนกันของอิเล็กตรอน ไม่ว่าจะโดยตรงหรือผ่านการเปลี่ยนแบบน้ำตกเพิ่มเติมจากระดับที่สูงกว่า ความหนาแน่นของอะตอมฮีเลียมในสถานะเหล่านี้มีความหนาแน่นสูงมาก เนื่องจากสถานะที่แพร่กระจายได้เป็นเวลานาน ระดับเลเซอร์บน 2s และ 3s สามารถ - ขึ้นอยู่กับกฎการเลือกสำหรับการเปลี่ยน Doppler ทางไฟฟ้า - ส่งผ่านไปยังระดับ p ที่ต่ำกว่าเท่านั้น สำหรับการสร้างรังสีเลเซอร์ที่ประสบความสำเร็จ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่อายุการใช้งานของสถานะ s (ระดับเลเซอร์บน) = ประมาณ 100 ns เกินอายุการใช้งานของสถานะ p (ระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่า) = 10 ns

ความยาวคลื่น

ต่อไป เราจะพิจารณาการเปลี่ยนภาพด้วยเลเซอร์ที่สำคัญที่สุดโดยละเอียดยิ่งขึ้น โดยใช้รูปที่ 1 และข้อมูลจากตารางที่ 1 เส้นที่มีชื่อเสียงที่สุดในพื้นที่สีแดงของสเปกตรัม (0.63 μm) ปรากฏขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนผ่าน 3s2 → 2p4 ระดับล่างจะถูกแยกออกอันเป็นผลมาจากการปล่อยก๊าซธรรมชาติในช่วง 10 ns เป็นระดับ 1s (รูปที่ 1) ด้านหลังมีความทนทานต่อการแตกร้าวเนื่องจากรังสีไดโพลไฟฟ้า จึงมีชีวิตตามธรรมชาติที่ยาวนาน ดังนั้นอะตอมจึงมีความเข้มข้นในสถานะนี้ซึ่งมีประชากรสูง ในการปล่อยก๊าซ อะตอมในสถานะนี้จะชนกับอิเล็กตรอน จากนั้นระดับ 2p และ 3 จะตื่นเต้นอีกครั้ง ในกรณีนี้ การผกผันของประชากรจะลดลง ซึ่งจำกัดกำลังแสงเลเซอร์ การสูญเสียสถานะ ls เกิดขึ้นในเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ส่วนใหญ่เกิดจากการชนกับผนังของท่อระบายแก๊ส ดังนั้น เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อเพิ่มขึ้น เกนที่ลดลงและประสิทธิภาพลดลง ดังนั้นในทางปฏิบัติ เส้นผ่านศูนย์กลางจะถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 1 มม. ซึ่งในทางกลับกัน จะจำกัดกำลังขับของเลเซอร์ He-Ne ไว้ที่หลายสิบมิลลิวัตต์

การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ 2s, 3s, 2p และ 3p ที่เข้าร่วมในการเปลี่ยนภาพด้วยเลเซอร์จะแบ่งออกเป็นระดับย่อยจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น สิ่งนี้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมในบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 2 สำหรับเส้นที่มองเห็นได้ทั้งหมดของเลเซอร์ He-Ne ประสิทธิภาพควอนตัมอยู่ที่ 10% ซึ่งไม่ใช่ สูงมาก. แผนภาพระดับ (รูปที่ 1) แสดงว่าระดับเลเซอร์บนอยู่ที่ประมาณ 20 eV เหนือสถานะพื้นดิน พลังงานรังสีเลเซอร์สีแดงมีเพียง 2 eV

ตารางที่ 2. ความยาวคลื่น λ กำลังขับ และความกว้างของเส้น Δ ƒ ของเลเซอร์ He-Ne (สัญกรณ์การเปลี่ยนภาพ Paschen)

สี	λ นาโนเมตร	การเปลี่ยนแปลง (ตามพาเชน)	พลัง มิลลิวัตต์	Δ ƒ MHz	ได้รับ %/m
อินฟราเรด	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
อินฟราเรด	1 523	2s2 → 2p1	1	625
อินฟราเรด	1 153	2s2 → 2p4	1	825
สีแดง	640	3s2 → 2p2
สีแดง	635	3s2 → 2p3
สีแดง	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
สีแดง	629	3s2 → 2p5
ส้ม	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
ส้ม	604	3s2 → 2p7
สีเหลือง	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
สีเหลือง	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

การแผ่รังสีในช่วงอินฟราเรดประมาณ 1.157 µm เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนภาพ 2s → 2p เช่นเดียวกับเส้นที่อ่อนกว่าเล็กน้อยที่ประมาณ 1.512 µm เส้นอินฟราเรดทั้งสองนี้ใช้ในเลเซอร์เชิงพาณิชย์

คุณลักษณะเฉพาะของสายในช่วง IR ที่ 3.391 μm คืออัตราขยายที่สูง ในโซนของสัญญาณอ่อนนั่นคือด้วยสัญญาณไฟอ่อนทางเดียวจะอยู่ที่ประมาณ 20 dB / m ซึ่งสอดคล้องกับปัจจัย 100 สำหรับเลเซอร์ยาว 1 เมตร ระดับเลเซอร์ด้านบนจะเหมือนกับการเปลี่ยนสถานะสีแดงที่ทราบ (0.63 µm) กำไรที่สูงนั้นเกิดจากอายุการใช้งานที่สั้นมากที่ระดับ 3p ที่ต่ำกว่า ในทางกลับกัน นี่เป็นเพราะความยาวคลื่นที่ค่อนข้างยาวและตามความถี่ของการแผ่รังสีต่ำ โดยปกติอัตราส่วนของการปล่อยก๊าซกระตุ้นและการปล่อยตามธรรมชาติจะเพิ่มขึ้นสำหรับความถี่ต่ำƒ การขยายสัญญาณอ่อน g ตามกฎแล้วจะเป็นสัดส่วนกับ g ~ƒ2

หากไม่มีองค์ประกอบเฉพาะ เลเซอร์ He-Ne จะปล่อยที่เส้น 3.39 µm และไม่อยู่ในพื้นที่สีแดงที่ 0.63 µm การกระตุ้นของสายอินฟราเรดสามารถป้องกันได้โดยกระจกช่องแบบเลือกหรือโดยการดูดซับในหน้าต่าง Brewster ของท่อระบายแก๊ส ด้วยเหตุนี้ เกณฑ์การสร้างเลเซอร์จึงสามารถยกระดับให้เพียงพอสำหรับการแผ่รังสี 3.39 ไมโครเมตร เพื่อให้ปรากฏเฉพาะเส้นสีแดงที่อ่อนกว่าเท่านั้น

ออกแบบ

อิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับการกระตุ้นจะเกิดขึ้นในการปล่อยก๊าซ (รูปที่ 2) ซึ่งสามารถใช้ได้กับแรงดันไฟฟ้าประมาณ 12 kV ที่กระแสตั้งแต่ 5 ถึง 10 mA ความยาวโดยทั่วไปของการปลดปล่อยคือ 10 ซม. หรือมากกว่า เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นเลือดฝอยประมาณ 1 มม. และสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมา ด้วยการเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อจ่ายก๊าซสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์ลดลงเนื่องจากการชนกับผนังท่อจะทำให้ระดับ ls ว่างเปล่า สำหรับเอาต์พุตกำลังสูงสุด แรงดันในการเติมทั้งหมด (p) จะถูกใช้: p·D = 500 Pa·mm โดยที่ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ อัตราส่วนในส่วนผสม He/N จะขึ้นอยู่กับเส้นเลเซอร์ที่ต้องการ สำหรับเส้นสีแดงที่รู้จัก เรามี He: Ne = 5:l และสำหรับเส้นอินฟราเรดประมาณ 1.15 µm - He:Ne=10:l สิ่งสำคัญคือการเพิ่มประสิทธิภาพของความหนาแน่นกระแส ประสิทธิภาพของสาย 633 นาโนเมตรอยู่ที่ 0.1% เนื่องจากกระบวนการกระตุ้นในกรณีนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากนัก อายุการใช้งานของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนอยู่ที่ประมาณ 20,000 ชั่วโมงการทำงาน

ข้าว. 2. การออกแบบเลเซอร์ He-Ne สำหรับรังสีโพลาไรซ์ในช่วง mW

อัตราขยายภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้อยู่ที่ g=0.1 m-1 ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้กระจกสะท้อนแสงสูง ในการออกจากลำแสงเลเซอร์ กระจกแบบส่องผ่านบางส่วน (กึ่งโปร่งแสง) (เช่น ที่มี R = 98%) ถูกติดตั้งไว้ที่ด้านเดียวเท่านั้น และอีกด้านหนึ่ง เป็นกระจกที่มีการสะท้อนแสงสูงสุด (~ 100%) กำไรจากการเปลี่ยนภาพที่มองเห็นได้น้อยกว่ามาก (ดูตารางที่ 2) เพื่อวัตถุประสงค์ทางการค้า บรรทัดเหล่านี้ได้รับเฉพาะใน ปีที่แล้วใช้กระจกที่มีการสูญเสียต่ำมาก

ก่อนหน้านี้ ในเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน หน้าต่างเอาท์พุตของท่อระบายได้รับการแก้ไขด้วยอีพอกซีเรซิน และติดตั้งกระจกไว้ด้านนอก ทำให้ฮีเลียมกระจายตัวผ่านกาวและไอน้ำเข้าไปในเลเซอร์ ทุกวันนี้ หน้าต่างเหล่านี้ยึดด้วยการเชื่อมโลหะกับกระจกโดยตรง ซึ่งช่วยลดการรั่วไหลของฮีเลียมได้ประมาณ 1 Pa ต่อปี ในกรณีของเลเซอร์ขนาดเล็กที่ผลิตเป็นจำนวนมาก การเคลือบกระจกจะถูกนำไปใช้กับหน้าต่างเอาต์พุตโดยตรง ซึ่งทำให้การออกแบบทั้งหมดง่ายขึ้นอย่างมาก

คุณสมบัติของลำแสง

ในการเลือกทิศทางของโพลาไรเซชัน หลอดปล่อยก๊าซมีหน้าต่างที่จัดวางเฉียงสองบานหรือดังแสดงในรูปที่ 2 ใส่แผ่น Brewster เข้าไปในเครื่องสะท้อน การสะท้อนแสงบนพื้นผิวออปติคัลจะหายไปหากแสงตกกระทบที่มุมที่เรียกว่าบรูว์สเตอร์และโพลาไรซ์ขนานกับระนาบการตกกระทบ ดังนั้นการแผ่รังสีที่มีทิศทางของโพลาไรเซชันนี้จึงผ่านไปโดยไม่สูญเสียผ่านหน้าต่างบริวสเตอร์ ในขณะเดียวกัน การสะท้อนแสงของส่วนประกอบโพลาไรซ์ตั้งฉากกับระนาบของอุบัติการณ์ค่อนข้างสูงและถูกระงับในเลเซอร์

อัตราส่วน (ระดับ) ของโพลาไรซ์ (อัตราส่วนของกำลังในทิศทางของโพลาไรซ์ต่อกำลังในแนวตั้งฉากกับทิศทางนี้) คือ 1000:1 สำหรับระบบเชิงพาณิชย์ทั่วไป เมื่อเลเซอร์ทำงานโดยไม่มีเพลท Brewster ที่มีกระจกภายใน จะเกิดรังสีที่ไม่มีโพลาไรซ์

เลเซอร์มักจะสร้างในโหมด TEM00 ตามขวาง (โหมดลำดับต่ำสุด) และโหมดตามยาว (แนวแกน) หลายโหมดจะถูกสร้างขึ้นพร้อมกัน เมื่อระยะห่างระหว่างกระจก (ความยาวของตัวสะท้อนเลเซอร์) L = 30 ซม. ช่วงความถี่ระหว่างโหมดคือ Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz ความถี่กลางอยู่ที่ระดับ 4.7 1014 Hz เนื่องจากการขยายแสงสามารถเกิดขึ้นได้ภายในช่วง Δ ƒ = 1500 MHz (ความกว้างดอปเปลอร์) จึงปล่อยความถี่ที่แตกต่างกันสามความถี่ที่ L = 30 ซม.: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3 เมื่อใช้ระยะห่างระหว่างกระจกน้อยกว่า (<= 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.

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนประมาณ 10 mW มักใช้ในอินเตอร์เฟอโรเมทรีหรือโฮโลกราฟี ความยาวที่สอดคล้องกันของเลเซอร์ที่ผลิตในปริมาณมากนั้นอยู่ระหว่าง 20 ถึง 30 ซม. ซึ่งเพียงพอสำหรับการถ่ายภาพสามมิติของวัตถุขนาดเล็ก ได้ความยาวการเชื่อมโยงกันที่มากขึ้นโดยใช้องค์ประกอบแบบเลือกความถี่แบบอนุกรม

เมื่อระยะห่างทางแสงระหว่างกระจกเปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจากความร้อนหรือผลกระทบอื่นๆ ความถี่ธรรมชาติตามแนวแกนของเครื่องสะท้อนเลเซอร์จะเปลี่ยนไป ด้วยการสร้างความถี่เดียว จะไม่ได้รับความถี่การแผ่รังสีที่เสถียรที่นี่ ซึ่งจะเคลื่อนที่อย่างไม่สามารถควบคุมได้ในช่วง linewidth ที่ 1500 MHz โดยการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติม การรักษาเสถียรภาพความถี่สามารถทำได้เพียงตรงกลางสาย (ระบบเชิงพาณิชย์สามารถมีเสถียรภาพความถี่ได้หลาย MHz) ในห้องปฏิบัติการวิจัย บางครั้งเป็นไปได้ที่จะทำให้เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนมีเสถียรภาพในช่วงที่น้อยกว่า 1 เฮิรตซ์

ด้วยการใช้กระจกที่เหมาะสม เส้นที่แตกต่างจากตารางที่ 4.2 สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้ เส้นที่มองเห็นได้บ่อยที่สุดอยู่ที่ประมาณ 633 นาโนเมตร โดยมีกำลังทั่วไปหลายมิลลิวัตต์ หลังจากการปราบปรามของเส้นเลเซอร์ที่รุนแรงประมาณ 633 นาโนเมตร เส้นอื่นๆ ในช่วงที่มองเห็นได้สามารถปรากฏในเรโซเนเตอร์เนื่องจากการใช้กระจกหรือปริซึมที่เลือกได้ (ดูตารางที่ 2) อย่างไรก็ตาม กำลังขับของสายเหล่านี้เป็นเพียง 10% ของกำลังขับของสายไฟหนักหรือน้อยกว่านั้น

เลเซอร์ฮีเลียมนีออนเชิงพาณิชย์มีให้เลือกหลายความยาวคลื่น นอกจากนั้น ยังมีเลเซอร์ที่สร้างเส้นหลายเส้นและสามารถปล่อยคลื่นที่มีความยาวคลื่นหลายช่วงรวมกันได้หลากหลาย ในกรณีของเลเซอร์ He-Ne แบบปรับได้ ขอเสนอให้เลือกความยาวคลื่นที่ต้องการโดยการหมุนปริซึม

เลเซอร์ฮีเลียมนีออน

นอกจาก Shavlov แล้ว นักวิจัยจาก Bell Labs อีกสองคนกำลังทำงานเกี่ยวกับปัญหาเลเซอร์ในปี 1958 ได้แก่ Ali Javan และ John Sanders Javan เป็นชาวอิหร่านโดยกำเนิด เขาได้รับปริญญาเอกใน 1954 ภายใต้เมืองในเรื่องของเรดิโอสเปกโทรสโก เขาอยู่กับกลุ่ม Towns เป็นเวลาสี่ปี โดยทำงานเกี่ยวกับสเปกโทรสโกปีวิทยุและ masers หลังจากปกป้องวิทยานิพนธ์ของเขา เมื่อ Tau ไม่ได้อยู่ในวันหยุดในปารีสและโตเกียว Javan ก็เข้ามาพัวพันกับ masers มากขึ้นและเกิดแนวคิดเรื่อง maser สามระดับก่อนที่กลุ่ม Bell Labs จะตีพิมพ์งานทดลองในหัวข้อนี้ เขาพบวิธีการเพื่อให้ได้จำนวนประชากรที่ไม่ต้องเปลี่ยนรูปแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลของรามันในระบบสามระดับ แต่เขาตีพิมพ์ผลงานช้ากว่ากลุ่มเบลล์

ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2501 เมื่อเขาหางานทำที่ Bell Labs เขาได้พูดคุยกับ Shavlov ซึ่งบอกเขาเกี่ยวกับเลเซอร์ ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2501 เขาเข้ารับการรักษาที่ Bell Labs และในเดือนตุลาคมเริ่มการวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์อย่างเป็นระบบ ในขั้นต้นเขามีปัญหาด้านจริยธรรมที่นั่น ก่อนหน้านี้ RCA ได้ตรวจสอบบันทึกของเขาเกี่ยวกับ maser สามระดับและระบุว่าวันที่ของเขาเกิดขึ้นก่อนวันที่ของกลุ่ม Bell อาร์ซีเอจ่ายเงินให้เขา 1,000 ดอลลาร์สำหรับสิทธิ์ในสิทธิบัตร และเริ่มโต้เถียงกับเบลล์ ซึ่งชวาทำงานอยู่แล้ว ประมาณหกเดือน Javan ได้ติดต่อกับทนายความจาก RCA และ Bell Labs โชคดีที่ RCA ได้ทำการวิจัยตลาดและเชื่อว่าเครื่องขยายเสียง maser นี้ไม่ได้ผลกำไร เลิกธุรกิจโดยทิ้งสิทธิบัตรให้ Bell Labs

ดังนั้น Javan สามารถอุทิศตนเพื่อเลเซอร์ทั้งหมดได้ เขาคิดที่จะสร้างมันโดยใช้ก๊าซ และตีพิมพ์การออกแบบที่เสนอใน Physical Review Letters ในปี 1959 เขาตัดสินใจใช้แก๊สเป็นสื่อกลาง เพราะเขาเชื่อว่าสารธรรมดานี้จะเอื้อต่อการวิจัย อย่างไรก็ตาม เขาคิดว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้ตะเกียงอันทรงพลังเพื่อปั๊มอะตอมให้เข้าสู่สภาวะตื่นเต้นโดยตรง และพิจารณาการกระตุ้นด้วยการชนโดยตรงกับอิเล็กตรอนในตัวกลางนีออนบริสุทธิ์ หรือโดยการชนกันของประเภทที่สอง ในกรณีหลัง ท่อระบายจะเต็มไปด้วยก๊าซสองชนิด ซึ่งถูกเลือกเพื่อให้อะตอมของก๊าซตัวแรกที่ตื่นเต้นจากการชนกับอิเล็กตรอนในการปล่อยไฟฟ้า สามารถถ่ายเทพลังงานของพวกมันไปยังอะตอมของก๊าซตัวที่สองได้ . ส่วนผสมของก๊าซบางชนิดมีโครงสร้างระดับพลังงานที่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ อันที่จริง จำเป็นที่ระดับพลังงานของก๊าซตัวที่สองจะต้องมีพลังงานเท่ากับพลังงานกระตุ้นของก๊าซตัวแรก จากการรวมตัวของก๊าซที่เป็นไปได้ Javan ได้เลือกส่วนผสมของฮีเลียมและนีออน ซึ่งแสดงระดับต่างๆ ในรูปที่ 54. เขาเชื่อว่ากระบวนการทางกายภาพใดๆ มีแนวโน้มที่จะสร้างการกระจายพลังงานของ Boltzmann เหนือระดับต่างๆ (กล่าวคือ ประชากรในระดับล่างจะมากกว่าประชากรของระดับบน) ดังนั้นสื่อที่มีประชากรผกผันสามารถได้ในกระบวนการนิ่งเท่านั้นอันเป็นผลมาจากการแข่งขันของกระบวนการทางกายภาพต่าง ๆ ที่ดำเนินการในอัตราที่แตกต่างกัน

สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้ดีขึ้นโดยการดูต้นไม้ที่มีกิ่งก้าน (สองอันในรูปที่ 55) ที่ลิงนั่ง พิจารณาประชากรก่อนตามสถิติของ Boltzmann กล่าวคือ ลิงสี่ตัวนั่งบนกิ่งไม้ด้านบน (1) ห้าตัวที่ด้านล่าง (2) และหกตัวบนพื้นดิน (3 ระดับหลัก) ในสามระดับนี้ ระดับหลักมีประชากรมากที่สุด และยิ่งระดับสูงเท่าใด ประชากรก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ลิงไม่นั่งนิ่ง แต่กระโดดบนกิ่งไม้ (เช่น เราสามารถสรุปได้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นทุกนาที) ในกรณีนี้ ประชากรในระดับยังคงเท่าเดิม (สถานการณ์สมดุล) สมมติว่าตอนนี้เรายังคงเติมกิ่งก้านในอัตราเท่าเดิม (หนึ่งลิงต่อนาที) แต่ในขณะเดียวกันเราก็เปียกกิ่งที่ 2 และทำให้มันลื่น ตอนนี้ลิงไม่สามารถอยู่บนมันได้นานกว่า 10 วินาที ดังนั้นสาขานี้จึงแพร่กระจายอย่างรวดเร็วและในไม่ช้าก็มีลิงมากกว่าสาขา 1 มากกว่าสาขา 2 ดังนั้นได้ประชากรผกผันเนื่องจากเวลาที่อยู่อาศัยของลิงบนกิ่งที่แตกต่างกันจึงแตกต่างกัน แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะเป็นข้อพิจารณาเบื้องต้น แต่ก็ช่วยให้เข้าใจข้อควรพิจารณาของ Javan

การเลือกส่วนผสมของฮีเลียม-นีออนต้องผ่านการคัดเลือกอย่างรอบคอบเพื่อให้ได้ระบบที่รับประกันสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม และมีเพียงความสำเร็จที่ตามมาเท่านั้นที่นำความมั่นใจมาสู่ชาวชวาอย่างเต็มที่ แม้หลังจากที่เขามั่นใจว่าฮีเลียม-นีออนเป็นส่วนผสมที่ดีที่สุด ก็ยังมีคนคลางแคลงใจมากมายที่บอกเขาว่าการปล่อยก๊าซนั้นวุ่นวายเกินไป พวกเขากล่าวว่ามีความไม่แน่นอนมากเกินไปและความพยายามของเขาก็เหมือนกับการล่าห่านป่า

ข้าว. 54. ระดับพลังงานของฮีเลียม (He) และ (Ne) แสดงการเปลี่ยนภาพเลเซอร์ที่สำคัญ

รูปที่ 55 ลิงบนสนามหญ้ามีการกระจายตามสถิติของ Boltzmann มีพวกมันอยู่บนพื้นมากกว่าและจำนวนของมันลดลงตามความสูงของกิ่ง

Javan ใช้เงินเป็นจำนวนมาก แต่โชคดีที่ระบบทำงานได้ ไม่เช่นนั้นฝ่ายบริหารก็พร้อมที่จะปิดโครงการและหยุดการทดลอง ในตอนท้ายของโครงการ สองล้านดอลลาร์ถูกใช้ไปกับการศึกษาครั้งนี้ แม้ว่าจำนวนเงินนี้จะเกินจริงอย่างเห็นได้ชัด แต่โครงการนี้ต้องใช้ต้นทุนจำนวนมากอย่างไม่ต้องสงสัย

ในขณะเดียวกัน John Sanders นักฟิสิกส์ทดลองที่ University of Oxford ได้รับเชิญให้ไปที่ Bell Labs เพื่อลองใช้เลเซอร์อินฟราเรด ในช่วงเวลาน้อยกว่าหนึ่งปีที่จัดสรรไว้สำหรับการศึกษานี้ แซนเดอร์สไม่ต้องเสียเวลากับการศึกษาเชิงทฤษฎี แต่ตัดสินใจกระตุ้นฮีเลียมบริสุทธิ์ในท่อระบายทันทีที่มีเครื่องสะท้อนเสียง Fabry-Perot อยู่ข้างใน เขาพยายามใช้เอฟเฟกต์เลเซอร์ผ่านการลองผิดลองถูก โดยเปลี่ยนพารามิเตอร์ของการคายประจุ ระยะห่างสูงสุดที่สามารถติดตั้งกระจกในขณะที่ยังคงขนานกันคือ 15 ซม. แซนเดอร์สไม่ได้ใช้ท่อระบายอีกต่อไป Javan ถือว่านี่เป็นข้อจำกัดพื้นฐาน เขาสันนิษฐานว่าอัตราขยายของก๊าซมีน้อยมากและเครื่องสะท้อนเสียงของแซนเดอร์สจะไม่ทำงาน ท่อที่ Javan ใช้นั้นยาวกว่ามากและเนื่องจากการปรับกระจก Fabry-Perot ในระยะห่างดังกล่าวเป็นเรื่องยากมาก เขาจึงตัดสินใจกำหนดพารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ทำงานก่อน จากนั้นจึงพยายามปรับกระจกโดยการทดลองและ ข้อผิดพลาด. นั่นเป็นวิธีที่เขาทำงาน หากปราศจากการทำงานเบื้องต้นทั้งหมดในการเลือกโหมด He-Ne เพื่อให้ได้กำไรที่ทราบ ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะประสบความสำเร็จ

แซนเดอร์สส่งจดหมายถึง Physical Review Letters โดยระบุว่าเป็นการยากที่จะทำให้อะตอมตื่นเต้นเพียงพอด้วยหลอดไฟแฟลช และแนะนำให้ใช้การกระตุ้นที่เกิดจากผลกระทบของอิเล็กตรอน การกระตุ้นดังกล่าวสามารถทำได้ง่ายด้วยการปล่อยกระแสไฟฟ้าในก๊าซหรือไอระเหย สามารถหาค่าผกผันของประชากรได้หากสารออกฤทธิ์ประกอบด้วยสภาวะตื่นเต้นที่มีอายุการใช้งานยาวนาน เช่นเดียวกับสภาวะที่มีพลังงานต่ำกว่าและอายุสั้น (ดังที่เราพิจารณาในตัวอย่างลิง)

ทันทีหลังจากบทความนี้ ในฉบับเดียวกันของ Physical Review Letters A. Javan ได้ตีพิมพ์บทความของเขาซึ่งเขาได้พิจารณาถึงปัญหาเหล่านี้ด้วย และในแผนการอื่นๆ เขาได้เสนอบทความที่เป็นต้นฉบับมาก พิจารณาสถานะอายุยืนในก๊าซ ภายใต้สภาวะการปล่อย สถานะนี้สามารถเติมได้อย่างเหมาะสมเนื่องจากอายุการใช้งานยาวนาน หากสถานะที่ตื่นเต้นในขณะนี้ของก๊าซที่สองมีพลังงานใกล้เคียงกับสถานะอายุยืนนี้มาก มีโอกาสมากที่พลังงานในการชนกันจะถูกถ่ายโอนจากอะตอมแรกไปยังอะตอมที่สอง ซึ่งจะเกิดความตื่นเต้น หากอะตอมนี้มีสถานะพลังงานต่ำอื่น ๆ พวกมันจะไม่ถูกกระตุ้น ดังนั้นจึงอาจมีประชากรผกผันระหว่างสถานะพลังงานสูงเทียบกับสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า ในงานของเขา Javan กล่าวถึงส่วนผสมของคริปทอนและปรอท รวมถึงส่วนผสมของฮีเลียมและนีออน งานนี้ตีพิมพ์ใน Physical Review Letters 3 มิถุนายน 1959

Javan ทำงานอย่างใกล้ชิดกับ William R. Bennett, Jr. นักสเปกโทรสโกปีจากมหาวิทยาลัยเยลซึ่งเป็นเพื่อนของ Javan ที่ Columbia พวกเขาทำงานจนดึกดื่นตลอดทั้งปี ในฤดูใบไม้ร่วงปี 2502 Javan ได้ขอให้ Donald R. Herriot ช่างเทคนิคด้านสายตาที่ Bell Labs ช่วยโครงการนี้ ปัญหาพื้นฐานประการหนึ่งคือการจัดหาท่อระบายที่มีหน้าต่างโปร่งใสสองช่องซึ่งมีคุณภาพเชิงแสงที่สูงมาก เพื่อไม่ให้ลำแสงที่ส่งออกไปบิดเบี้ยว จำเป็นต้องติดตั้งกระจกสะท้อนเสียงด้วย มีการพัฒนาโครงร่าง (รูปที่ 56) พร้อมกระจกภายในท่อระบาย พร้อมกับอุปกรณ์พิเศษที่มีสกรูไมโครเมตริก ซึ่งทำให้สามารถปรับกระจกที่มุมได้อย่างละเอียด ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2502 เบนเน็ตต์ย้ายจากเยลไปยังเบลล์แล็บส์ และร่วมกับชวาได้เริ่มโครงการวิจัยอย่างเข้มข้นและละเอียดถี่ถ้วน คำนวณและวัดคุณสมบัติทางสเปกโทรสโกปีของส่วนผสมฮีเลียม-นีออนภายใต้สภาวะต่างๆ เพื่อกำหนดปัจจัยที่กำหนด การผลิตผกผัน พวกเขาพบว่าภายใต้เงื่อนไขที่ดีที่สุด จะได้รับผลกำไรเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ตามลำดับ 1.5% เท่านั้น อัตราขยายที่ต่ำนี้ทำให้จำเป็นต้องลดการสูญเสียให้น้อยที่สุดและใช้กระจกที่มีการสะท้อนแสงสูงสุด กระจกดังกล่าวได้มาจากการเคลือบพื้นผิวโปร่งใส (แก้ว) วัสดุอิเล็กทริกที่เหมาะสม (โปร่งใส) หลายชั้นพร้อมดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน ได้ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสูงเนื่องจากการรบกวนแบบหลายเส้นทางกับการสะท้อนที่ขอบเขตระหว่างชั้นต่างๆ นักวิจัยสามคนสามารถใช้กระจกสะท้อนแสง 98.9% ที่ความยาวคลื่น 1.15 µm

ข้าว. 56. ไดอะแกรมของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนที่สร้างโดย Javan, Bennett และ Heriott

ในปี 1960 Javan, Bennett และ Heriott ได้ทำการทดสอบเลเซอร์ของพวกเขาในที่สุด อย่างแรก พวกเขาพยายามปล่อยประจุไฟฟ้าในหลอดควอทซ์ที่มีส่วนผสมของก๊าซโดยใช้แมกนีตรอนอันทรงพลัง แต่หลอดนั้นละลาย ฉันต้องทำซ้ำอุปกรณ์และทำการเปลี่ยนแปลง เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม พ.ศ. 2503 พวกเขาเริ่มทำงานกับองค์กรท่อและท่อระบายใหม่ พวกเขาพยายามปรับกระจกให้งอ แต่ก็ไม่สำเร็จ จากนั้นในตอนเที่ยง Heriott ก็เห็นสัญญาณ: “ฉันกำลังหมุนสกรูไมโครมิเตอร์บนกระจกเงาตัวใดตัวหนึ่งตามปกติเมื่อทันใดนั้นสัญญาณก็ปรากฏขึ้นบนออสซิลโลสโคป เราตั้งค่าโมโนโครเมเตอร์และบันทึกจุดสูงสุดของสัญญาณที่ความยาวคลื่น 1.153 µm นั่นคือ ที่ความยาวคลื่นที่คาดหวัง เลเซอร์ตัวแรกถือกำเนิดขึ้นโดยใช้แก๊สเป็นตัวกลางที่แอ็คทีฟ และทำงานในโหมดต่อเนื่อง! การแผ่รังสีของมันอยู่ในช่วงอินฟราเรดใกล้จึงมองไม่เห็นด้วยตา การลงทะเบียนจำเป็นต้องมีเครื่องรับที่เหมาะสมซึ่งเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป

และเมื่อหกเดือนก่อน Ed Ballick ช่างเทคนิคที่ช่วยงาน ได้รับปริญญาจากมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดและสอนในแคนาดาในเวลาต่อมา เขาซื้อไวน์อายุร้อยปีมาหนึ่งขวด มันมีไว้สำหรับช่วงเวลาที่เคร่งขรึม - เนื่องในโอกาสของการทำงานของเลเซอร์ เมื่อการทดลองด้วยเลเซอร์บรรลุผลในท้ายที่สุด สองสามวันต่อมา Javan ได้โทรหาหัวหน้าของ Bell Labs และเชิญเขามาอาบน้ำในงานด้วยไวน์อายุ 100 ปี เขามีความยินดีอย่างยิ่ง แต่แล้วอุทาน: “ประณาม อาลี เรามีปัญหา!". เรื่องนี้เกิดขึ้นในตอนเช้าชวาและไม่เข้าใจว่าปัญหาคืออะไร แต่ในตอนเที่ยง มีการหมุนเวียนหนังสือเวียนไปทั่วห้องปฏิบัติการ ชี้แจงเรื่องก่อนหน้า ออกเมื่อไม่กี่เดือนก่อนหน้า และห้ามดื่มเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ในอาณาเขตของศูนย์วิทยาศาสตร์ ชี้แจงห้ามดื่มสุราที่มีอายุต่ำกว่า 100 ปี หลังจากนั้นพวกเขาก็ยกแก้วขึ้นเพื่อความสำเร็จโดยไม่ทำผิดกฎ!

เลเซอร์ตัวแรกทำงานที่ช่วงการเปลี่ยนภาพ 1.15 µm ในช่วงใกล้ IR Javan ใช้กระจกเงาที่มีการสะท้อนสูงสุดที่ความยาวคลื่นนี้ ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ของนีออน เขารู้ว่ามีความยาวคลื่นอื่นที่เป็นไปได้ เขาเลือกความยาวคลื่นนี้เนื่องจากการวิจัยของเขาแสดงให้เห็นว่าสามารถคาดหวังผลกำไรสูงสุดได้ ในการใช้ทรานซิชันในบริเวณที่มองเห็นได้ จำเป็นต้องใช้ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กจนไม่สามารถปรับกระจกแบนที่ใช้สำหรับเครื่องสะท้อนเสียง Fabry-Perot ในขณะนั้นได้

ในเลเซอร์ชวา หลอดคายประจุประกอบด้วยนีออนและฮีเลียมที่ความดัน 0.1 และ 1 ทอร์ ตามลำดับ (1 ทอร์คือเกือบหนึ่งในพันของความดันบรรยากาศเดียว) หลอดควอทซ์หลอมละลายยาว 80 ซม. และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 ซม. ที่ปลายแต่ละด้านเป็นโพรงโลหะที่มีกระจกแบนสะท้อนแสงสูง ใช้ปลอกหุ้มแบบยืดหยุ่น (เครื่องสูบลม) ซึ่งช่วยให้ปรับกระจก Fabry-Perot ได้ (ด้วยการเอียงที่แม่นยำ) ด้วยสกรูไมโครมิเตอร์ ทำให้สามารถรับรองความขนานด้วยความแม่นยำ 6 ส่วนโค้งวินาที ในตอนท้ายมีหน้าต่างกระจกแบนที่มีพื้นผิวขัดเงาด้วยความแม่นยำดีกว่า 100 A ทำให้สามารถปล่อยลำแสงรังสีออกมาได้โดยไม่ผิดเพี้ยน การคายประจุไฟฟ้าตื่นเต้นด้วยอิเล็กโทรดภายนอกโดยใช้ออสซิลเลเตอร์ 28 MHz ที่มีกำลัง 50 วัตต์ กระจกที่มีการสะท้อนแสงสูงได้มาจากการสะสมของวัสดุอิเล็กทริก 13 ชั้น (MgF 2 , ZnS) ระหว่าง 1.1 ถึง 1.2 µm การสะท้อนแสงคือ 98.9% เลเซอร์ทำงานอย่างต่อเนื่องและเป็นเลเซอร์ตัวแรกของประเภทนี้

ตามตัวอย่างของฮิวจ์ เบลล์ แล็บส์ยังได้สาธิตการใช้เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนแก่สาธารณชนเมื่อวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2503 เพื่อแสดงความสำคัญที่เป็นไปได้สำหรับการสื่อสาร การสนทนาทางโทรศัพท์จึงถูกส่งโดยใช้ลำแสงรังสีเลเซอร์ที่ปรับด้วยโทรศัพท์ สัญญาณ.

เลเซอร์นี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อเลเซอร์ He-Ne โดยใช้สัญลักษณ์ทางเคมีของส่วนประกอบเป็นชื่อ นำเสนอต่อสื่อมวลชนเมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2504 กระดาษอธิบายเรื่องนี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันที่ 30 ธันวาคม พ.ศ. 2503 ใน Physical Review Letters

ในขณะที่ Javan กำลังทำการทดลองในฤดูใบไม้ผลิปี 1960 A. Fox และ T. Lee นักวิจัยจาก Bell Labs สองคน เริ่มศึกษาคำถามว่าโหมดใดบ้างที่มีอยู่ในเครื่องสะท้อนเสียง Fabry-Perot ความจริงก็คือเครื่องสะท้อนเสียง Fabry-Perot นั้นแตกต่างจากเครื่องสะท้อนคลื่นไมโครเวฟในรูปแบบของช่องปิดอย่างมาก พวกเขากำหนดรูปร่างของโหมดเหล่านี้ และผลลัพธ์ของพวกเขาได้กระตุ้นให้นักวิจัยของ Bell Labs คนอื่นๆ เช่น Gary D. Bond, James Gordon และ Herwig Kogelnik ค้นพบวิธีแก้ปัญหาในกรณีของกระจกทรงกลม ความสำคัญของการศึกษาช่องแสงสำหรับการพัฒนาเลเซอร์ก๊าซไม่สามารถประเมินค่าต่ำไป ก่อนได้ผลลัพธ์เหล่านี้ อย่างดีที่สุด เลเซอร์แก๊สเป็นอุปกรณ์ระยะขอบ ซึ่งการสร้างจะขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งของกระจกด้านท้ายเป็นอย่างมาก การศึกษาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับเครื่องสะท้อนเสียงที่มีกระจกทรงกลมได้แสดงให้เห็นว่าอาจมีการกำหนดค่าที่ค่อนข้างน้อยขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งของกระจก และการสูญเสียภายในในเครื่องสะท้อนอาจน้อยกว่าในเครื่องสะท้อนเสียงที่มีกระจกแบน ซึ่งช่วยให้สามารถใช้สื่อแบบแอ็คทีฟที่มีกำไรต่ำกว่าที่เคยคิดไว้อย่างมาก เครื่องสะท้อนเสียงที่มีกระจกแบนถูกละทิ้งในทางปฏิบัติ และการค้นพบเลเซอร์ก๊าซชนิดใหม่ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยใช้เครื่องสะท้อนเสียงที่มีกระจกทรงกลม

ในปีพ.ศ. 2504 โครงการวิจัยเลเซอร์ที่สำคัญได้เริ่มต้นขึ้นที่ Bell Labs นักวิจัยที่มีปัญหาอื่น ๆ ถูกปรับหัวข้อใหม่ พนักงานใหม่ได้รับการว่าจ้าง การตัดสินใจใช้กระจกทรงกลมที่เหมือนกันสองตัวในเครื่องสะท้อนเสียงซึ่งอยู่ที่จุดโฟกัส (การกำหนดค่านี้เรียกว่าเครื่องสะท้อนภาพแบบคอนโฟคอล) แสดงให้เห็นว่าปัญหาใดที่ Javan สามารถหลีกเลี่ยงได้หากเขาใช้เครื่องสะท้อนเสียงดังกล่าว เป็นผลให้ William W. Rygrod, Herwig Kogelnik, Donald R. Heriott และ D. J. Brangacio สร้างขึ้นในฤดูใบไม้ผลิของปี 1962 ซึ่งเป็นเครื่องสะท้อนเสียงคอนโฟคอลตัวแรกที่มีกระจกทรงกลมที่รวมแสงไปที่แกนของท่อระบาย โดยวางกระจกเหล่านี้ไว้ด้านนอก หลอด. ทำให้สามารถสร้างเจนเนอเรชั่นบนเส้นสีแดง 6328 A ได้ แสงบางส่วนหายไปจากการสะท้อนจากพื้นผิวหน้าต่างอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ความสูญเสียเหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการเอียงหน้าต่างในมุมหนึ่ง ซึ่งเรียกว่ามุมของบรูว์สเตอร์ ในกรณีนี้ สำหรับแสงของโพลาไรซ์บางอย่าง ความสูญเสียนั้นแทบจะเป็นศูนย์ การกำหนดค่าเลเซอร์ใหม่นี้จะแสดงในรูปที่ 57.

ข้าว. 57. คอนโฟคอลเรโซเนเตอร์ออปติคัล ท่อที่แก๊สตื่นเต้นจากการปล่อยไฟฟ้าจะปิดโดยที่หน้าต่างเอียงในมุมของบรูว์สเตอร์ กระจกเว้าที่มีรัศมีความโค้งเท่ากันจะถูกวางไว้ด้านหลังท่อเพื่อให้ระยะห่างระหว่างกระจกทั้งสองมีค่าเท่ากับรัศมีความโค้ง

เลเซอร์ He-Ne สีแดงได้กลายเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายและยังคงใช้อยู่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการแพทย์ นอกจากนี้ยังมีส่วนช่วยอย่างมากในการทำความเข้าใจความแตกต่างพื้นฐานระหว่างแสงเลเซอร์ (มีความสอดคล้องกันสูง) และแสงธรรมดา (ไม่ต่อเนื่องกัน) ด้วยเลเซอร์นี้ สังเกตปรากฏการณ์การรบกวนได้ง่าย เช่นเดียวกับโครงสร้างโหมดของลำแสงเลเซอร์ ซึ่งเปลี่ยนแปลงได้ง่ายและชัดเจนโดยการเอียงกระจกสะท้อนเล็กน้อย นอกจากนี้ยังมีการกระตุ้นการพัฒนาเลเซอร์ชนิดอื่นๆ อีกหลายชนิด

เลเซอร์ He-Ne ที่ทันสมัยสามารถสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนภาพแบบใดแบบหนึ่งที่แสดงในรูปที่ 54. ในการทำเช่นนี้ กระจกหลายชั้นถูกสร้างขึ้นด้วยการสะท้อนสูงสุดที่ความยาวคลื่นที่ต้องการ การสร้างจะเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น 3.39 μm, 1.153 μm, 6328 A° และแม้กระทั่งเมื่อใช้กระจกพิเศษ ที่ความยาวคลื่น 5433 A (เส้นสีเขียว), 5941 A° (เส้นสีเหลือง), 6120 A° (เส้นสีส้ม)

จากหนังสือของผู้เขียน

เลเซอร์โซลิดสเตตตัวที่สอง ในเดือนกันยายน 2502 Townes ได้จัดการประชุมเรื่อง "Quantum Electronics - Resonant Phenomena" ซึ่งแม้ว่าเลเซอร์จะยังไม่ถูกสร้างขึ้น แต่การอภิปรายอย่างไม่เป็นทางการส่วนใหญ่เน้นไปที่เลเซอร์ Peter เข้าร่วมการประชุมครั้งนี้

จากหนังสือของผู้เขียน

ซีเซียมเลเซอร์ปี 1961 เป็นปีแห่งการนำเลเซอร์อีก 2 ตัวมาใช้ ซึ่งผู้เชี่ยวชาญได้ทำงานตั้งแต่เริ่มต้นแนวคิดเลเซอร์ หนึ่งในนั้นคือซีเซียมเลเซอร์ หลังจากที่ Townes และ Shavlov เขียนบทความ พวกเขาตัดสินใจว่า Townes จะพยายามสร้างเลเซอร์

จากหนังสือของผู้เขียน

เลเซอร์นีโอไดเมียม เลเซอร์อีกตัวหนึ่งซึ่งเปิดตัวในปี 2504 และยังคงเป็นหนึ่งในเลเซอร์หลักคือเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียม ในปี พ.ศ. 2502-2503 บริษัท American Optical Company เริ่มให้ความสนใจในการวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์ ซึ่งดำเนินการโดย Elias Snitzer หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ของบริษัท นี้

จากหนังสือของผู้เขียน

เลเซอร์มีอยู่ในธรรมชาติหรือไม่? คำตอบดูเหมือนจะใช่! การแผ่รังสีเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 10 ไมโครเมตร (สายการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วไปซึ่งทำงานด้วยเลเซอร์ CO2 กำลังแรงสูง ซึ่งนิยมใช้กันมากโดยเฉพาะสำหรับการตัดเฉือนวัสดุ) เป็น

จากหนังสือของผู้เขียน

จากหนังสือของผู้เขียน

Laser and the Moon Bell Labs ใช้เลเซอร์ตัวแรกในการศึกษาภูมิประเทศของพื้นผิวดวงจันทร์ ระหว่างการสำรวจอะพอลโล 11 ซึ่งส่งไปยังดวงจันทร์เมื่อวันที่ 21 กรกฎาคม พ.ศ. 2512 นักบินอวกาศได้ติดตั้งแผ่นสะท้อนแสงสองมุมบนพื้นผิวที่สามารถสะท้อนแสงเลเซอร์ได้

จุดมุ่งหมายของงานนี้คือเพื่อศึกษาลักษณะเฉพาะและพารามิเตอร์หลักของเลเซอร์แก๊ส ซึ่งใช้ส่วนผสมของก๊าซฮีเลียมและนีออนเป็นสารออกฤทธิ์

3.1. หลักการทำงานของเลเซอร์ฮีเลียมนีออน

เลเซอร์ฮีเลียมนีออนเป็นเลเซอร์ก๊าซทั่วไปและส่วนใหญ่ มันเป็นของเลเซอร์ก๊าซอะตอมและตัวกลางของมันคือส่วนผสมของอะตอมที่เป็นกลาง (ไม่แตกตัวเป็นไอออน) ของก๊าซเฉื่อย - ฮีเลียมและนีออน นีออนเป็นก๊าซที่ใช้งานได้ และการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นระหว่างระดับพลังงานของมันกับการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน ฮีเลียมทำหน้าที่เป็นก๊าซเสริมและก่อให้เกิดการกระตุ้นของนีออนและการสร้างการผกผันของประชากรในนั้น

ในการเริ่มสร้างเลเซอร์ใดๆ ต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขสำคัญสองประการ:

1. จะต้องมีการผกผันของประชากรระหว่างระดับเลเซอร์ทำงาน

2. เกนในตัวกลางที่ใช้งานต้องมากกว่าการสูญเสียทั้งหมดในเลเซอร์ รวมถึงการสูญเสียที่ "มีประโยชน์" สำหรับการปล่อยรังสี

หากระบบมี 2 ระดับ อี 1 และ อี 2 กับจำนวนอนุภาคในแต่ละอันตามลำดับ นู๋ 1 และ นู๋ 2 และระดับความเสื่อม g 1 และ g 2 จากนั้นการผกผันของประชากรจะเกิดขึ้นเมื่อประชากร นู๋ 2 /g 2 ระดับบนสุด อี 2 จะมีประชากรเพิ่มขึ้น นู๋ 1 /g 1 ระดับล่าง อี 1 นั่นคือระดับของการผกผัน Δ นู๋จะเป็นบวก:

ถ้าระดับ อี 1 และ อี 2 เป็นแบบไม่เสื่อม ดังนั้นการผกผันจึงจำเป็นที่จำนวนอนุภาค นู๋ 2 ที่ระดับบนสุด อี 2 มากกว่าจำนวนอนุภาค นู๋ 1 ที่ชั้นล่าง อีหนึ่ง . ระดับระหว่างการก่อตัวของการผกผันของประชากรและการเกิดขึ้นของการเปลี่ยนแปลงแบบบังคับด้วยการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกันนั้นเรียกว่า ระดับเลเซอร์ทำงาน.

สถานะผกผันของประชากรถูกสร้างขึ้นโดยใช้ สูบน้ำ– การกระตุ้นอะตอมของแก๊สด้วยวิธีต่างๆ เนื่องจากพลังงานจากแหล่งภายนอก เรียกว่า แหล่งปั๊ม, อะตอม Ne จากระดับพลังงานพื้นดิน อี 0 ซึ่งสอดคล้องกับสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ผ่านเข้าสู่สถานะตื่นเต้น Ne* การเปลี่ยนแปลงอาจเกิดขึ้นในระดับพลังงานที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความเข้มของปั๊ม จากนั้นจะมีการเปลี่ยนผ่านที่เกิดขึ้นเองหรือบังคับไปยังระดับพลังงานที่ต่ำลง

ในกรณีส่วนใหญ่ ไม่จำเป็นต้องพิจารณาการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ทั้งหมดระหว่างสถานะทั้งหมดในระบบ ทำให้สามารถพูดถึงแผนงานเลเซอร์สอง สาม และสี่ระดับได้ ประเภทของโครงร่างการทำงานของเลเซอร์จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของตัวกลางที่ใช้งานอยู่ตลอดจนวิธีการสูบน้ำที่ใช้

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนทำงานในรูปแบบสามระดับ ดังแสดงในรูปที่ 3.1. ในกรณีนี้ ช่องสำหรับสูบน้ำและสร้างรังสีจะถูกแยกออกจากกันบางส่วน ปั๊มสารออกฤทธิ์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากระดับพื้นดิน อี 0 ถึงระดับตื่นเต้น อี 2 ซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของการผกผันของประชากรระหว่างระดับการทำงาน อี 2 และ อีหนึ่ง . ตัวกลางที่ใช้งานซึ่งอยู่ในสถานะที่มีการผกผันของระดับการทำงานสามารถขยายการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่
เนื่องจากกระบวนการกระตุ้นการปล่อยมลพิษ

ข้าว. 3.1. แผนภาพแสดงระดับพลังงานของก๊าซทำงานและก๊าซเสริม อธิบายการทำงานของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน

เนื่องจากการขยายระดับพลังงานในก๊าซมีน้อยและไม่มีแถบการดูดกลืนแบบกว้าง จึงเป็นเรื่องยากที่จะได้รับประชากรผกผันโดยใช้การแผ่รังสีด้วยแสง อย่างไรก็ตาม วิธีการอื่นในการสูบน้ำสามารถทำได้ในก๊าซ: การกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์โดยตรงและการถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์เมื่อเกิดการชนกันของอะตอม การกระตุ้นของอะตอมเมื่อชนกับอิเล็กตรอนสามารถทำได้ง่ายที่สุดในการปล่อยไฟฟ้า โดยที่อิเล็กตรอนเร่งความเร็วด้วยสนามไฟฟ้า สามารถรับพลังงานจลน์ที่สำคัญได้ ในการชนกันของอิเล็กตรอนกับอะตอมที่ไม่ยืดหยุ่น อิเล็กตรอนจะผ่านเข้าสู่สภาวะตื่นเต้น อี 2:

เป็นสิ่งสำคัญที่กระบวนการ (3.4) มีลักษณะเป็นจังหวะ: ความน่าจะเป็นของการถ่ายโอนพลังงานจะสูงสุดหากสถานะพลังงานที่ถูกกระตุ้นของอะตอมต่างๆ ตรงกัน กล่าวคือ อยู่ในการสั่นพ้อง

ระดับพลังงานของ He และ Ne และช่วงการเปลี่ยนภาพการทำงานหลักแสดงไว้อย่างละเอียดในรูปที่ 1 3.2. การเปลี่ยนภาพที่สอดคล้องกับปฏิกิริยาที่ไม่ยืดหยุ่นของอะตอมของแก๊สกับอิเล็กตรอนเร็ว (3.2) และ (3.3) จะแสดงด้วยลูกศรประขึ้น จากการกระทบของอิเล็กตรอน อะตอมของฮีเลียมจะตื่นเต้นกับระดับ 2 1 S 0 และ 2 3 S 1 ซึ่งสามารถแพร่กระจายได้ การเปลี่ยนสถานะการแผ่รังสีในฮีเลียมเป็นสถานะพื้นดิน 1 S 0 ถูกห้ามโดยกฎการเลือก เมื่ออะตอมของ He ตื่นเต้นชนกับอะตอมของ Ne ในสถานะพื้นดิน 1 S 0 การถ่ายโอนการกระตุ้น (3.4) เป็นไปได้ และนีออนจะส่งผ่านไปยังระดับ 2S หรือ 3S ระดับใดระดับหนึ่ง ในกรณีนี้ สภาวะเรโซแนนซ์เป็นที่พอใจ เนื่องจากช่องว่างพลังงานระหว่างพื้นดินและสถานะตื่นเต้นในแก๊สเสริมและแก๊สทำงานอยู่ใกล้กัน

การแผ่รังสีอาจเกิดขึ้นจากระดับ 2S และ 3S ของนีออนเป็นระดับ 2P และ 3P ระดับ P มีประชากรน้อยกว่าระดับ S ด้านบน เนื่องจากไม่มีการถ่ายโอนพลังงานโดยตรงจากอะตอมของเขาไปยังระดับเหล่านี้ นอกจากนี้ ระดับ P มีอายุสั้น และการเปลี่ยนแปลงที่ไม่แผ่รังสี P → 1S จะทำให้ระดับ P ว่างเปล่า ดังนั้นสถานการณ์ (3.1) เกิดขึ้นเมื่อประชากรของระดับบน S สูงกว่าประชากรในระดับล่าง P กล่าวคือ ระหว่างระดับ S และ P มีการผกผันของประชากร ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับเหล่านี้สามารถใช้สำหรับการสร้างเลเซอร์ได้

เนื่องจากจำนวนระดับ S และ P มีขนาดใหญ่ จึงเป็นไปได้ที่ชุดการเปลี่ยนผ่านของควอนตัมที่แตกต่างกันจำนวนมากจึงเป็นไปได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จากระดับ 2S สี่ระดับถึงระดับ 2P สิบระดับ กฎการเลือกอนุญาตให้มีการเปลี่ยนผ่านที่แตกต่างกัน 30 ครั้ง ซึ่งส่วนใหญ่สร้างรุ่น เส้นการแผ่รังสีที่แรงที่สุดระหว่างการเปลี่ยนภาพ 2S → 2P คือเส้น 1.1523 μm (บริเวณอินฟราเรดของสเปกตรัม) สำหรับการเปลี่ยนภาพ 3S→2R เส้นที่สำคัญที่สุดคือ 0.6328 µm (พื้นที่สีแดง) และสำหรับ 3S→3Р – 3.3913 µm (ขอบเขต IR) การปล่อยก๊าซธรรมชาติเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นที่ระบุไว้ทั้งหมด

ข้าว. 3.2. ระดับพลังงานของอะตอมฮีเลียมและนีออนและรูปแบบการทำงานของเลเซอร์ He-Ne

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ หลังจากการแผ่รังสีไปที่ระดับ P การสลายการแผ่รังสีที่ไม่ผ่านการแผ่รังสีจะเกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนภาพ P → 1S น่าเสียดายที่ระดับของนีออน 1S สามารถแพร่กระจายได้ และหากส่วนผสมของก๊าซไม่มีสิ่งเจือปนอื่น ๆ วิธีเดียวสำหรับการเปลี่ยนอะตอมของนีออนเป็นสถานะพื้นจากระดับ 1S คือการชนกับผนังของเรือ ด้วยเหตุนี้ อัตราขยายของระบบจะเพิ่มขึ้นเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อระบายลดลง เนื่องจากสถานะ 1S ของนีออนค่อยๆ หมดลง อะตอมของ Ne จึงยังคงอยู่ในสถานะเหล่านี้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนาอย่างมาก และเป็นตัวกำหนดคุณลักษณะหลายประการของเลเซอร์นี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อกระแสปั๊มเพิ่มขึ้นเหนือค่าเกณฑ์ เจจากนั้นมีการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จากนั้น ความอิ่มตัวและแม้กระทั่งการลดลงของพลังของการแผ่รังสีเลเซอร์ ซึ่งเป็นผลมาจากการสะสมของอนุภาคทำงานที่ระดับ 1S จากนั้นจึงถ่ายโอนไปยังสถานะ 2P หรือ 3P เมื่อชนกับอิเล็กตรอน ทำให้ไม่สามารถได้รับกำลังการแผ่รังสีสูง

การเกิดขึ้นของประชากรผกผันขึ้นอยู่กับความดันของ He และ Ne ในส่วนผสมและอุณหภูมิของอิเล็กตรอน ค่าที่เหมาะสมของแรงดันแก๊สคือ 133 Pa สำหรับ He และ 13 Pa สำหรับ Ne อุณหภูมิของอิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับส่วนผสมของแก๊ส โดยปกติแรงดันไฟฟ้านี้จะอยู่ที่ระดับ 2…3 kV

เพื่อให้ได้มาซึ่งการสร้างเลเซอร์ จำเป็นต้องมีผลตอบรับเชิงบวกในเลเซอร์ ไม่เช่นนั้นอุปกรณ์จะทำงานเป็นแอมพลิฟายเออร์เท่านั้น เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ตัวกลางของก๊าซที่แอคทีฟจะถูกวางในเรโซเนเตอร์แบบออปติคัล นอกเหนือจากการสร้างผลย้อนกลับแล้ว เครื่องสะท้อนเสียงยังใช้เพื่อเลือกประเภทของการสั่นและเลือกความยาวคลื่นของการสร้าง ซึ่งใช้กระจกพิเศษแบบพิเศษ

ที่ระดับปั๊มใกล้กับธรณีประตู การแกว่งบนการแกว่งแบบหนึ่งทำได้ค่อนข้างง่าย ด้วยระดับการกระตุ้นที่เพิ่มขึ้นหากไม่มีมาตรการพิเศษ โหมดอื่น ๆ จำนวนหนึ่งก็เกิดขึ้น ในกรณีนี้ การสร้างจะเกิดขึ้นที่ความถี่ใกล้กับความถี่เรโซแนนซ์ของเรโซเนเตอร์ ซึ่งอยู่ภายในความกว้างของเส้นอะตอม ในกรณีของการสั่นสะเทือนในแนวแกน (โหมด TEM 00) ระยะห่างของความถี่ระหว่าง maxima . ที่อยู่ติดกัน
, ที่ไหน หลี่คือความยาวของเรโซเนเตอร์ อันเป็นผลมาจากการมีอยู่ของโหมดต่างๆ หลายโหมด บีตและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันจึงเกิดขึ้นในสเปกตรัมการแผ่รังสี หากมีเพียงโหมดแกนเท่านั้น สเปกตรัมก็จะแยกเป็นเส้นตรง ระยะห่างระหว่างกันจะเท่ากับ ค / 2หลี่. แต่ก็ยังเป็นไปได้ที่จะกระตุ้นการสั่นที่ไม่ใช่แกนในเรโซเนเตอร์เช่นโหมด TEM 10 ซึ่งการมีอยู่ซึ่งขึ้นอยู่กับการปรับจูนของกระจกอย่างมาก ดังนั้นเส้นดาวเทียมเพิ่มเติมจะปรากฏในสเปกตรัมการปล่อยซึ่งอยู่ในความถี่สมมาตรทั้งสองด้านของการสั่นสะเทือนตามแนวแกน การปรากฏตัวของการแกว่งประเภทใหม่ที่มีการเพิ่มขึ้นของระดับปั๊มนั้นสามารถกำหนดได้ง่ายโดยการสังเกตโครงสร้างของสนามรังสีด้วยสายตา นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตอิทธิพลของการจัดตำแหน่งเรโซเนเตอร์ด้วยสายตาต่อโครงสร้างของโหมดการแผ่รังสีที่สอดคล้องกัน

ก๊าซมีความเป็นเนื้อเดียวกันมากกว่าตัวกลางควบแน่น ดังนั้นลำแสงในก๊าซจึงบิดเบี้ยวและกระจัดกระจายน้อยกว่า และการแผ่รังสีของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนมีลักษณะเฉพาะด้วยความเสถียรของความถี่ที่ดีและทิศทางสูง ซึ่งถึงขีดจำกัดเนื่องจากปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน ขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของความแตกต่างสำหรับคอนโฟคอลเรโซเนเตอร์

,

โดยที่ λ คือความยาวคลื่น d 0 คือเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงในส่วนที่แคบที่สุด

การแผ่รังสีของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนมีลักษณะเป็นเอกรงค์และการเชื่อมโยงกันในระดับสูง ความกว้างของเส้นการปล่อยรังสีของเลเซอร์ดังกล่าวจะแคบกว่าความกว้าง "ธรรมชาติ" ของเส้นสเปกตรัมมาก และมีลำดับความสำคัญน้อยกว่าระดับความละเอียดที่จำกัดของสเปกโตรมิเตอร์สมัยใหม่ ดังนั้นเพื่อตรวจสอบสเปกตรัมของการเต้นของโหมดต่างๆในการแผ่รังสี นอกจากนี้ การแผ่รังสีของเลเซอร์นี้จะถูกโพลาไรซ์แบบระนาบเนื่องจากการใช้หน้าต่างที่มุม Brewster กับแกนแสงของเครื่องสะท้อน

หลักฐานของการเชื่อมโยงกันของรังสีสามารถสังเกตได้จากรูปแบบการเลี้ยวเบนในการวางซ้อนของรังสีที่ได้รับจากจุดต่างๆ ของแหล่งกำเนิด ตัวอย่างเช่น สามารถประมาณความเชื่อมโยงกันได้โดยการสังเกตการรบกวนจากระบบหลายช่อง เป็นที่ทราบจากประสบการณ์ของ Young ว่าในการสังเกตการรบกวนของแสงจากแหล่งกำเนิด "คลาสสิก" ธรรมดา รังสีจะถูกส่งผ่านช่องหนึ่งก่อน จากนั้นจึงผ่านช่องสองช่อง จากนั้นจึงสร้างขอบรบกวนบนหน้าจอ ในกรณีที่ใช้รังสีเลเซอร์ กรีดแรกจะไม่จำเป็น สถานการณ์นี้เป็นพื้นฐาน นอกจากนี้ ระยะห่างระหว่างรอยผ่าสองช่องและความกว้างของรอยผ่านั้นอาจมากกว่าในการทดลองทั่วไปอย่างไม่ลดละ ที่หน้าต่างทางออกของเลเซอร์แก๊ส มีร่องสองช่อง ระยะห่างระหว่าง 2 เอ. ในกรณีที่รังสีตกกระทบมีความสอดคล้องกัน บนหน้าจอที่อยู่ในระยะ dจากกรีดจะสังเกตเห็นรูปแบบการรบกวน ในกรณีนี้ ระยะห่างระหว่างค่าสูงสุด (ค่าต่ำสุด) ของแถบ

.

เลเซอร์ก๊าซที่พบมากที่สุดคือฮีเลียมนีออน ( เฮ-เน่) เลเซอร์ (เลเซอร์อะตอมเป็นกลาง) ซึ่งทำงานบนส่วนผสมของฮีเลียมและนีออนในอัตราส่วน 10:1 เลเซอร์นี้ยังเป็นเลเซอร์ต่อเนื่องตัวแรกอีกด้วย

พิจารณาโครงร่างพลังงานของระดับฮีเลียมและนีออน (รูปที่ 3.4) การสร้างเกิดขึ้นระหว่างระดับนีออน และเติมฮีเลียมเพื่อดำเนินกระบวนการสูบน้ำ ดังจะเห็นได้จากรูป ระดับ 2 3 ส 1และ 2 1 ส 0ฮีเลียมตั้งอยู่ตามลำดับใกล้กับระดับ 2sและ 3sไม่ใช่เธอ เพราะระดับฮีเลียม 2 3 ส 1และ 2 1 ส 0สามารถแพร่กระจายได้ จากนั้นเมื่ออะตอมฮีเลียมตื่นเต้นที่ metastable ชนกับอะตอมนีออน จะมีการถ่ายโอนพลังงานเรโซแนนซ์ไปยังอะตอมนีออน (การชนกันของชนิดที่สอง)

ดังนั้นระดับ 2sและ 3sนีออนสามารถเติมได้ ดังนั้น การสร้างสามารถดำเนินการจากระดับเหล่านี้ อายุการใช้งาน ส-รัฐ ( t s» 100 ns) อายุการใช้งานยาวนานขึ้นมาก R-รัฐ ( t p»10 ns) ดังนั้น เงื่อนไขต่อไปนี้เป็นที่พอใจสำหรับเลเซอร์ในการทำงานตามแบบแผนสี่ระดับ:

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

การสร้างเลเซอร์สามารถทำได้ในช่วงการเปลี่ยนภาพอย่างใดอย่างหนึ่ง เอ, ข, คตามความยาวคลื่น l a=3.39 ไมโครเมตร, ปอนด์=0.633 ไมโครเมตร, l s=1.15 ไมโครเมตร ซึ่งหาได้โดยการเลือกค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของกระจกสะท้อนหรือโดยการนำองค์ประกอบกระจายตัวเข้าไปในตัวสะท้อน

ข้าว. 3.4. โครงการระดับพลังงานของฮีเลียมและนีออน

ให้เราพิจารณาลักษณะการสร้างของเลเซอร์ดังกล่าว

รูปที่ 3.5 ลักษณะการสร้างของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน

การเพิ่มขึ้นของกำลังขับในขั้นต้นพร้อมกับกระแสปั๊มที่เพิ่มขึ้นนั้นอธิบายได้จากการผกผันของประชากร หลังจากถึงกำลังสูงสุด เส้นโค้งจะเริ่มลดลงเมื่อกระแสปั๊มเพิ่มขึ้นอีก สิ่งนี้อธิบายได้ด้วยความจริงที่ว่าระดับ 2p และ 1s ไม่มีเวลาพักผ่อน อิเล็กตรอนไม่มีเวลาไปถึงระดับพลังงานต่ำและจำนวนอิเล็กตรอนในระดับ 2p และ 1s ใกล้เคียงจะเท่ากัน ในกรณีนี้จะไม่มีการผกผัน

ประสิทธิภาพของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออนอยู่ที่ 0.1% ซึ่งอธิบายได้จากความหนาแน่นของอนุภาคที่ถูกกระตุ้นในระดับต่ำ กำลังขับโดยทั่วไป เฮ-เน่–เลเซอร์ พี~5-50 mW ไดเวอร์เจนซ์ q~1 ตร.ว.

เลเซอร์อาร์กอน

เหล่านี้เป็นเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องที่ทรงพลังที่สุดในบริเวณสเปกตรัมที่มองเห็นและใกล้กับรังสีอัลตราไวโอเลตที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์ก๊าซไอออน ระดับเลเซอร์บนในก๊าซทำงานนั้นถูกเติมขึ้นเนื่องจากการชนกันของอิเล็กตรอนสองครั้งติดต่อกันในระหว่างการคายประจุไฟฟ้า ในการชนกันครั้งแรก ไอออนจะเกิดขึ้นจากอะตอมที่เป็นกลาง และในครั้งที่สอง ไอออนเหล่านี้จะถูกกระตุ้น ดังนั้นการสูบน้ำจึงเป็นกระบวนการสองขั้นตอน ซึ่งประสิทธิภาพของแต่ละขั้นตอนจะเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นกระแส ต้องใช้ความหนาแน่นกระแสสูงเพียงพอสำหรับการสูบน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ

แผนภาพระดับพลังงานเลเซอร์บน อา +แสดงในรูป 3.3. การปล่อยเลเซอร์ในเส้นระหว่าง 454.5 nm ถึง 528.7 nm เกิดขึ้นเมื่อกลุ่มของระดับถูกเติม 4pโดยการกระตุ้นโดยผลกระทบของอิเล็กตรอนของพื้นดินหรือสถานะการแพร่กระจาย อาร์ + .

3.5 CO 2 เลเซอร์

โมเลกุล CO2-เลเซอร์เป็นเลเซอร์ cw ที่ทรงพลังที่สุดในบรรดาเลเซอร์แก๊ส เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงสุดในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรังสี (15-20%) การสร้างเลเซอร์เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนผ่านแบบสั่น-หมุน และเส้นการปล่อยของเลเซอร์เหล่านี้อยู่ในบริเวณอินฟราเรดไกล ซึ่งอยู่ที่ความยาวคลื่น 9.4 ไมโครเมตร และ 10.4 ไมโครเมตร

ที่ CO2เลเซอร์ใช้ส่วนผสมของก๊าซ CO2, N 2และ เขา. การสูบจะดำเนินการโดยตรงระหว่างการชนกันของโมเลกุล CO2ด้วยอิเลคตรอนและโมเลกุลที่กระตุ้นด้วยแรงสั่นสะเทือน N 2. การนำความร้อนสูงของ He ในส่วนผสมช่วยให้เย็นลง CO2ซึ่งนำไปสู่การลดลงของระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่าซึ่งเป็นผลมาจากการกระตุ้นด้วยความร้อน ดังนั้นการมีอยู่ N 2ในส่วนผสมมีส่วนทำให้จำนวนประชากรสูงของระดับเลเซอร์บนและการมีอยู่ เขา– การพร่องของระดับที่ต่ำกว่า และด้วยเหตุนี้ พวกมันจึงนำไปสู่การเพิ่มผกผันของประชากร แผนภาพระดับพลังงาน CO2- เลเซอร์แสดงในรูปที่ 3.4. การสร้างเลเซอร์จะดำเนินการในระหว่างการเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะการสั่นสะเทือนของโมเลกุล CO 2 n 3 มิ.ย. 1หรือ น 3 มิ.ย. 2ด้วยการเปลี่ยนสถานะการหมุน

ข้าว. 3.4. แผนภาพระดับพลังงาน N 2และ CO2ใน CO2– เลเซอร์

CO2เลเซอร์สามารถทำงานได้ทั้งในโหมดต่อเนื่องและโหมดพัลส์ ในโหมดต่อเนื่อง กำลังขับสามารถเข้าถึงหลายกิโลวัตต์