gaz lazerleri. Helyum neon lazer

Helyum-neon lazer - diyot veya yarı iletken ile birlikte - spektrumun görünür bölgesi için en yaygın kullanılan ve en uygun fiyatlı lazerlerden biridir. Esas olarak ticari amaçlara yönelik bu tür lazer sistemlerinin gücü, 1 mW ila birkaç on mW aralığındadır. Özellikle popüler olan, esas olarak alıntı cihazları olarak ve ayrıca ölçüm teknolojisi alanındaki diğer sorunları çözmek için kullanılan 1 mW mertebesinde daha az güçlü He-Ne lazerleridir. Kızılötesi ve kırmızı aralıklarda, helyum-neon lazerin yerini giderek daha fazla diyot lazer alıyor. He-Ne lazerler, uygun seçici aynalar sayesinde elde edilen kırmızı çizgilere ek olarak turuncu, sarı ve yeşil çizgiler yayabilir.

Enerji Seviyesi Şeması

He-Ne lazerlerin işlevi için en önemli olan helyum ve neonun enerji seviyeleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. Lazer geçişleri neon atomunda meydana gelir ve en yoğun çizgiler 633, 1153 ve 3391 dalga boylarına sahip geçişlerden kaynaklanır (bkz. Tablo 1).

Neonun zemin durumundaki elektronik konfigürasyonu şöyle görünür: 1s22s22p6 burada birinci kabuk (n = 1) ve ikinci kabuk (n = 2) sırasıyla iki ve sekiz elektronla doldurulur. Şek. 4'e göre daha yüksek durumlar. 1, burada bir 1s22s22p5 kabuğunun olması ve şemaya göre parlak (optik) bir elektronun uyarılmasının bir sonucu olarak ortaya çıkar: 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p, ... vb. Bu nedenle, kabukla bağlantıyı gerçekleştiren tek elektronlu durumdan bahsediyoruz. LS (Russell-Saunders) şemasında enerji seviyeleri neon, tek elektronlu bir durumla (örneğin 5s) ve sonuçta ortaya çıkan toplam yörünge momentumu L (= S, P, D...) ile gösterilir. S, P, D,... gösteriminde, alt dizin toplam J yörünge momentini gösterir ve üstteki 2S + 1 çokluğunu gösterir, örneğin 5s1P1. Çoğu zaman, Paschen'e göre tamamen fenomenolojik bir adlandırma kullanılır (Şekil 1). Bu durumda, uyarılmış elektronik durumların alt seviyeleri 2'den 5'e (s-durumları için) ve 1'den 10'a (p-durumları için) sayılır.

Pirinç. 1. He-Ne lazerin enerji seviyelerinin şeması. Neon seviyeleri Pashen'e göre işaretlenir, yani: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5, vb.

Tablo 1. Bir He-Ne lazerin yoğun çizgilerinin geçişleri için notasyonlar

heyecan

Bir helyum-neon lazerin aktif ortamı, gaz karışımı, gerekli enerjinin bir elektrik deşarjında sağlandığı. Üst lazer seviyeleri (Paschen'e göre 2s ve 2p), yarı kararlı helyum atomları (23S1, 21S0) ile çarpışmalar temelinde seçici olarak doldurulur. Bu çarpışmalar sırasında sadece kinetik enerji değişimi değil, aynı zamanda uyarılmış helyum atomlarından neon atomlarına enerji aktarımı da gerçekleşir. Bu sürece ikinci türden bir çarpışma denir:

O* + Ne -> O + Ne* + AE, (1)

burada yıldız işareti (*) uyarılmış durumu simgelemektedir. 2s seviyesinin uyarılması durumunda enerji farkı: &DeltaE=0.05 eV. Bir çarpışmada, mevcut fark kinetik enerjiye dönüştürülür ve bu daha sonra ısı şeklinde dağıtılır. 3s seviyesi için özdeş ilişkiler gerçekleşir. Helyumdan neona böyle bir rezonanslı enerji transferi, popülasyon tersinmesi yaratmada ana pompalama sürecidir. Bu durumda, yarı kararlı durumun uzun ömrü, üst lazer seviyesinin popülasyonunun seçiciliği üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir.

He-atomlarının uyarılması, ya doğrudan ya da daha yüksek seviyelerden ilave kademeli geçişler yoluyla elektronların çarpışması temelinde gerçekleşir. Uzun ömürlü yarı kararlı durumlar nedeniyle, bu durumlardaki helyum atomlarının yoğunluğu çok yüksektir. Üst lazer seviyeleri 2s ve 3s - elektriksel Doppler geçişleri için seçim kurallarına tabi olarak - sadece alt p seviyelerine geçebilir. Lazer radyasyonunun başarılı bir şekilde üretilmesi için, s-durumlarının (üst lazer seviyesi) = yaklaşık 100 ns ömrünün p-durumlarının (alt lazer seviyesi) = 10 ns ömrünü aşması son derece önemlidir.

dalga boyları

Daha sonra, Şekil 2'yi kullanarak en önemli lazer geçişlerini daha ayrıntılı olarak ele alacağız. 1 ve Tablo 1'deki veriler. Spektrumun kırmızı bölgesindeki (0.63 μm) en ünlü çizgi, 3s2 → 2p4 geçişi nedeniyle görünür. Alt seviye, 10 ns boyunca kendiliğinden emisyonun bir sonucu olarak 1s seviyesine bölünür (Şekil 1). İkincisi, elektrik dipol radyasyonu nedeniyle ayrılmaya karşı dayanıklıdır, böylece uzun bir doğal ömre sahiptir. Bu nedenle, atomlar bu durumda yoğunlaşır ve bu da oldukça kalabalık olduğu ortaya çıkar. Bir gaz deşarjında, bu durumdaki atomlar elektronlarla çarpışır ve ardından 2p ve 3s seviyeleri tekrar uyarılır. Bu durumda, popülasyon inversiyonu azalır ve bu da lazer gücünü sınırlar. Helyum-neon lazerlerde ls durumunun tükenmesi, esas olarak gaz deşarj tüpünün çeperi ile çarpışmalar nedeniyle meydana gelir ve bu nedenle, tüp çapının artmasıyla kazançta bir azalma ve verimde bir azalma gözlenir. Bu nedenle pratikte çap yaklaşık 1 mm ile sınırlıdır ve bu da He-Ne lazerlerin çıkış gücünü birkaç on mW ile sınırlar.

Lazer geçişine katılan 2s, 3s, 2p ve 3p elektronik konfigürasyonları çok sayıda alt seviyeye ayrılmıştır. Bu, örneğin, Tablo 2'den görülebileceği gibi, spektrumun görünür bölgesinde daha fazla geçişe yol açar. He-Ne lazerin tüm görünür çizgileri için, kuantum verimliliği %10 mertebesindedir; çok yüksek. Seviye diyagramı (Şekil 1), üst lazer seviyelerinin zemin durumunun yaklaşık 20 eV üzerinde olduğunu göstermektedir. Kırmızı lazer radyasyonunun enerjisi sadece 2 eV'dir.

Tablo 2. Bir He-Ne lazerin dalga boyları λ, çıkış güçleri ve çizgi genişlikleri Δ ƒ (Paschen geçiş notasyonu)

Renk	λ nm	Geçiş (Paşen'e göre)	Güç mW	Δ ƒ MHz	Kazanmak %/m
Kızılötesi	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Kızılötesi	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Kızılötesi	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Kırmızı	640	3s2 → 2p2
Kırmızı	635	3s2 → 2p3
Kırmızı	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Kırmızı	629	3s2 → 2p5
Turuncu	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Turuncu	604	3s2 → 2p7
Sarı	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Sarı	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

1,157 µm civarındaki kızılötesi aralığında radyasyon, 2s → 2p geçişleri yoluyla ortaya çıkar. Aynısı, yaklaşık 1.512 µm'de biraz daha zayıf bir çizgi için de geçerlidir. Bu kızılötesi hatların her ikisi de ticari lazerlerde kullanım alanı bulmaktadır.

3.391 μm'de IR aralığında hattın karakteristik bir özelliği yüksek kazançtır. Zayıf sinyaller bölgesinde, yani tek bir zayıf ışık sinyali geçişi ile yaklaşık 20 dB / m'dir. Bu, 1 metre uzunluğunda bir lazer için 100 faktörüne karşılık gelir. Üst lazer seviyesi, bilinen kırmızı geçiş (0.63 µm) ile aynıdır. Bir yandan yüksek kazanç, alt 3p seviyesindeki son derece kısa kullanım ömründen kaynaklanır. Öte yandan, bu nispeten uzun dalga boyundan ve buna bağlı olarak düşük radyasyon frekansından kaynaklanmaktadır. Düşük frekanslar ƒ için genellikle uyarılmış ve kendiliğinden emisyonların oranı artar. Zayıf sinyallerin g amplifikasyonu, kural olarak, g ~ƒ2 ile orantılıdır.

Seçici elemanlar olmadan, He-Ne lazeri 0,63 µm'de kırmızı bölgede değil, 3,39 µm çizgisinde yayacaktır. Kızılötesi hattın uyarılması, ya seçici boşluk aynası ya da gaz boşaltma tüpünün Brewster pencerelerindeki absorpsiyon ile önlenir. Bu nedenle, lazer üretim eşiği, burada yalnızca daha zayıf bir kırmızı çizgi görünecek şekilde 3,39 μm radyasyon için yeterli bir seviyeye yükseltilebilir.

Tasarım

Uyarım için gerekli elektronlar, 5 ila 10 mA arası akımlarda yaklaşık 12 kV'luk bir voltajla kullanılabilen bir gaz deşarjında (Şekil 2) oluşturulur. Boşalmanın tipik uzunluğu 10 cm veya daha fazladır, boşaltma kılcal damarlarının çapı yaklaşık 1 mm'dir ve yayılan lazer ışınının çapına karşılık gelir. Gaz deşarj tüpünün çapının artmasıyla katsayı faydalı eylem azalır, çünkü ls seviyesini boşaltmak için tüp duvarı ile çarpışmalar gereklidir. Optimum güç çıkışı için toplam doldurma basıncı (p) kullanılır: p·D = 500 Pa·mm, burada D borunun çapıdır. He/Ne karışımındaki oran, istenen lazer çizgisine bağlıdır. Bilinen kırmızı çizgi için He: Ne = 5:l ve kızılötesi çizgi için yaklaşık 1,15 µm - He:Ne=10:l elde ederiz. Önemli bir husus da akım yoğunluğunun optimizasyonudur. 633 nm hattının verimliliği, bu durumda uyarma işlemi çok verimli olmadığı için yaklaşık %0,1'dir. Bir helyum-neon lazerin hizmet ömrü yaklaşık 20.000 çalışma saatidir.

Pirinç. 2. mW aralığında polarize radyasyon için bir He-Ne lazer tasarımı

Bu koşullar altında kazanç g=0.1 m-1'dir, bu nedenle yüksek yansıtıcı aynaların kullanılması gerekir. Lazer ışınından çıkmak için, sadece bir tarafa kısmen geçirgen (yarı saydam) bir ayna (örneğin, R = %98 ile) ve diğer tarafa mümkün olan en yüksek yansıtıcılığa (~ %100) sahip bir ayna takılır. Diğer görünür geçişler için kazanç çok daha azdır (bkz. Tablo 2). Ticari amaçlar için, bu hatlar sadece son yıllar son derece düşük kayıplı aynalar kullanmak.

Daha önce, bir helyum-neon lazerde, deşarj tüpünün çıkış pencereleri epoksi reçine ile sabitlenir ve aynalar dışarıya monte edilirdi. Bu, helyumun yapıştırıcıdan yayılmasına ve lazere su buharının girmesine neden oldu. Bugün, bu pencereler, helyum sızıntısını yılda yaklaşık 1 Pa'ya indiren metalin cama doğrudan kaynaklanmasıyla sabitlenmektedir. Küçük, seri üretilen lazerler söz konusu olduğunda, ayna kaplaması doğrudan çıkış pencerelerine uygulanır ve bu da tüm tasarımı büyük ölçüde basitleştirir.

Kiriş Özellikleri

Polarizasyon yönünü seçmek için gaz deşarj lambası, Şekil 2'de gösterildiği gibi eğik olarak düzenlenmiş iki pencere ile donatılmıştır. Şekil 2'de, rezonatöre bir Brewster plakası yerleştirilmiştir. Işık, Brewster açısı olarak adlandırılan bir açıda gelirse ve geliş düzlemine paralel polarize olursa, optik bir yüzey üzerindeki yansıma kaybolur. Böylece, bu polarizasyon yönüne sahip radyasyon, Brewster penceresinden kayıpsız geçer. Aynı zamanda, geliş düzlemine dik polarize olan bileşenin yansıtıcılığı oldukça yüksektir ve lazerde bastırılır.

Polarizasyon oranı (derecesi) (polarizasyon yönündeki gücün bu yöne dik olan güce oranı) geleneksel ticari sistemler için 1000:1'dir. Bir lazer, iç aynalı Brewster plakaları olmadan çalıştığında, polarize olmayan radyasyon üretilir.

Lazer genellikle enine TEM00 modunda (en düşük dereceli mod) üretir ve aynı anda birkaç uzunlamasına (eksenel) mod oluşturulur. Aynalar arasındaki mesafe (lazer rezonatörünün uzunluğu) L = 30 cm olduğunda, modlar arası frekans aralığı Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz'dir. Merkezi frekans 4.7 1014 Hz düzeyindedir. Işığın amplifikasyonu Δ ƒ = 1500 MHz (Doppler genişliği) aralığında gerçekleşebildiğinden, L = 30CM'de üç farklı frekans yayılır: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. Aynalar arasında daha küçük bir mesafe kullanıldığında (<= 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.

10 mW civarındaki helyum-neon lazerler genellikle interferometri veya holografide kullanım bulur. Bu tür seri üretilen lazerlerin tutarlılık uzunluğu, küçük nesnelerin holografisi için oldukça yeterli olan 20 ila 30 cm arasındadır. Seri frekans seçici elemanlar kullanılarak daha büyük tutarlılık uzunlukları elde edilir.

Termal veya diğer etkilerin bir sonucu olarak aynalar arasındaki optik mesafe değiştiğinde, lazer rezonatörünün eksenel doğal frekansları kaydırılır. Tek frekans üretimi ile burada kararlı bir radyasyon frekansı elde edilmez - 1500 MHz'lik hat genişliği aralığında kontrolsüz bir şekilde hareket eder. Ek elektronik kontrol ile, frekans stabilizasyonu hattın tam ortasında gerçekleştirilebilir (ticari sistemler birkaç MHz'lik bir frekans stabilitesine sahip olabilir). Araştırma laboratuvarlarında bazen bir helyum-neon lazeri 1 Hz'den daha düşük bir aralıkta stabilize etmek mümkündür.

Uygun aynalar kullanılarak, Tablo 4.2'deki farklı çizgiler lazer ışığı oluşturmak için uyarılabilir. En yaygın olarak kullanılan görünür çizgi, birkaç miliwattlık tipik güçlerle yaklaşık 633 nm'dir. Yaklaşık 633 nm'lik yoğun bir lazer çizgisinin bastırılmasından sonra, seçici aynaların veya prizmaların kullanılması nedeniyle rezonatörde görünür aralıktaki diğer çizgiler görünebilir (bkz. Tablo 2). Ancak bu hatların çıkış güçleri, ağır bir hattın çıkış gücünün sadece %10'u veya daha da azdır.

Ticari helyum neon lazerleri çeşitli dalga boylarında mevcuttur. Bunlara ek olarak, birçok hat üzerinde üretim yapan ve çeşitli kombinasyonlarda birçok dalga boyunda dalga yayan lazerler de vardır. Ayarlanabilir He-Ne lazerler söz konusu olduğunda, prizmayı çevirerek gerekli dalga boyunun seçilmesi önerilir.

Helyum neon lazer

Shavlov'a ek olarak, 1958'de diğer iki Bell Labs araştırmacısı lazer problemi üzerinde çalışıyordu: Ali Javan ve John Sanders. Javan, aslen bir İranlıydı. Doktorasını 1954'te Towns altında radyospektroskopi konusunda aldı. Towns'ın grubunda dört yıl kaldı, radyo spektroskopisi ve ustalar üzerinde çalıştı. Doktora tezini savunduktan sonra, Tau Paris ve Tokyo'da izinli olmadığında, Javan ustalarla daha fazla ilgilenmeye başladı ve Bell Labs grubu konuyla ilgili deneysel bir çalışma yayınlamadan önce üç seviyeli bir usta fikrini buldu. Üç seviyeli bir sistemde özellikle Raman etkisini kullanarak tersinmez nüfus kazancı elde etmek için bir yöntem buldu, ancak sonuçlarını Bell grubundan daha sonra yayınladı.

Nisan 1958'de Bell Laboratuarlarında iş ararken, kendisine lazerlerden bahseden Shavlov ile konuştu. Ağustos 1958'de Bell Laboratuarlarına kabul edildi ve Ekim ayında lazerler üzerinde sistematik araştırmalara başladı. Başlangıçta, orada etik zorluklar yaşadı. RCA daha önce üç seviyeli ustayla ilgili kayıtlarını incelemiş ve tarihlerinin Bell grubununkinden daha eski olduğunu belirlemişti. RCA, patent hakları için ona 1000 dolar ödedi ve Javan'ın halihazırda çalışmakta olduğu Bell ile bir anlaşmazlık başlattı. Javan, yaklaşık altı ay boyunca RCA ve Bell Laboratuvarlarından avukatlarla ilgilendi. Neyse ki, RCA bazı pazar araştırması yaptı ve bu maser amplifikatörün kârlı olmadığına ikna oldu, işi bıraktı ve patenti Bell Labs'a bıraktı.

Böylece Javan kendini tamamen lazere adayabilirdi. Gaz kullanarak inşa etmeyi düşündü ve önerdiği tasarımı 1959'da Physical Review Letters'da yayınladı. Aktif ortam olarak bir gaz kullanmaya karar verdi, çünkü bu basit maddenin araştırmayı kolaylaştıracağına inanıyordu. Bununla birlikte, atomları doğrudan uyarılmış bir duruma pompalamak için güçlü lambaların kullanılmasının imkansız olduğunu düşündü ve uyarılmayı ya saf neon ortamında elektronlarla doğrudan çarpışmalarla ya da ikinci tür çarpışmalarla düşündü. İkinci durumda, deşarj tüpü, bir elektrik deşarjında elektronlarla çarpışmalarla uyarılan birinci gazın atomlarının, enerjilerini ikinci gazın atomlarına aktarabilmesi ve onları heyecanlandırabilmesi için seçilen iki gazla doldurulur. . Bazı gaz karışımları, bu koşulları karşılayan bir enerji seviyesi yapısına sahipti. Aslında, ikinci gazın enerji seviyesinin, birinci gazın uyarılma enerjisine pratik olarak eşit bir enerjiye sahip olması gereklidir. Javan, olası gaz kombinasyonlarından, seviyeleri Şekil 2'de gösterilen helyum ve neon kombinasyonunu seçti. 54. Herhangi bir fiziksel sürecin, Boltzmann enerji dağılımını seviyeler arasında kurmaya meyilli olduğuna inanıyordu (yani, alt seviyenin nüfusu, üst seviyenin nüfusundan daha fazladır). Bu nedenle, durağan bir süreçte ancak farklı hızlarda ilerleyen çeşitli fiziksel süreçlerin rekabeti sonucunda ters popülasyonlu bir ortam elde edilebilir.

Bu, maymunların oturduğu dalları olan bir ağaca (Şekil 55'te iki tane) bakarak daha iyi anlaşılabilir. Önce Boltzmann istatistiklerine göre popülasyonu ele alalım, yani dört maymun üst dalda (1), beşi altta (2) ve altısı yerde (3, ana seviye) oturuyor. Bu üç seviyeden ana olanı en kalabalık olanıdır ve seviye ne kadar yüksekse, o kadar az nüfusludur. Ancak maymunlar hareketsiz oturmazlar, dallara atlarlar (örneğin, bunun her dakika olduğunu varsayabiliriz). Bu durumda, seviyelerdeki popülasyonlar zaman içinde aynı kalır (denge durumu). Şimdi, dalları aynı oranda (dakikada bir maymun) doldurmaya devam ettiğimizi, ancak aynı zamanda 2. dalı ıslatıp kayganlaştırdığımızı varsayalım. Şimdi maymunlar, örneğin 10 saniyeden fazla üzerinde kalamazlar. Bu nedenle, bu dal hızla yayılır ve yakında dal 1'de dal 2'den daha fazla maymun olur. Böylece, bir maymunun farklı dallarda kalma süresinin farklı olması nedeniyle ters bir popülasyon elde edilir. Bunlar çok ilkel düşünceler olsa da, Javan'ın düşüncelerini anlamaya yardımcı olurlar.

Helyum-neon karışımının seçimi, optimal bir ortam vaat eden bir sistem elde etmek için dikkatli bir seçimden geçti ve yalnızca sonraki başarı Javan'a tam bir güven getirdi. Helyum-neonun en iyi karışım olduğuna ikna olduktan sonra bile, ona gaz boşalmasının çok kaotik olduğunu söyleyen birçok şüpheci vardı. Çok fazla belirsizlik olduğunu söylediler ve girişimleri yaban kazını avlamak gibiydi.

Pirinç. 54. Helyum (He) ve (Ne) enerji seviyeleri. Gösterilen başlıca lazer geçişleri

Şekil 55. Çimdeki maymunlar Boltzmann istatistiklerine göre dağıtılıyor. Yerde onlardan daha fazla var ve sayıları dalların yüksekliği ile azalır.

Javan çok para harcadı, ama neyse ki sistem çalıştı, aksi takdirde yönetim projeyi kapatmaya ve deneyleri durdurmaya hazırdı. Projenin sonunda, bu çalışma için iki milyon dolar harcanmıştı. Bu miktar görünüşte abartılı olsa da, proje kuşkusuz önemli maliyetler gerektiriyordu.

Bu arada, Oxford Üniversitesi'nde deneysel bir fizikçi olan John Sanders, bir kızılötesi lazer uygulamak için Bell Laboratuvarlarına davet edildi. Bu çalışma için ayrılan bir yıldan az bir süre boyunca, Sanders teorik çalışma için zaman kaybetmedi, ancak hemen içinde bir Fabry-Perot rezonatörü bulunan bir deşarj tüpünde saf helyumu harekete geçirmeye karar verdi. Deşarjın parametrelerini değiştirerek lazer etkisini deneme yanılma yoluyla elde etmeye çalıştı. Aynaların birbirine paralel kalırken monte edilebileceği maksimum mesafe 15 cm idi Sanders artık tahliye borusu kullanmadı. Javan bunu temel bir sınırlama olarak gördü. Gazdaki kazancın çok küçük olduğunu ve Sanders rezonatörünün çalışmayacağını varsayıyordu. Javan'ın kullandığı tüp çok daha uzundu ve Fabry-Perot aynalarını bu kadar mesafeden ayarlamak son derece zor olduğundan, önce çalışan cihaz için gerekli parametreleri belirlemeye ve ardından aynaları deneme ve ayarlama ile ayarlamaya karar verdi. hata. İşte böyle çalıştı. Bilinen kazancı elde etmek için He-Ne modunu seçmedeki tüm ön çalışmalar olmadan başarılı olmak imkansızdı.

Sanders, Fiziksel Gözden Geçirme Mektupları'na bir flaş lambası ile yeterince uyarılmış atom elde etmenin zor olduğunu belirten bir mektup gönderdi ve elektron çarpmaları tarafından üretilen uyarım kullanılmasını önerdi. Bu tür bir uyarım, bir gaz veya buhar içinde bir elektrik boşalması ile kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Aktif materyal, uzun ömürlü uyarılmış durumları ve ayrıca daha düşük enerjili ve kısa ömürlü durumları (maymun örneğinde düşündüğümüz gibi) içeriyorsa, bir popülasyon inversiyonu elde edilebilir.

Bu makaleden hemen sonra, Physical Review Letters'ın aynı sayısında A. Javan, bu sorunları da ele aldığı makalesini yayınladı ve diğer planların yanı sıra çok orijinal bir tane önerdi. Bir gazda uzun ömürlü bir durum düşünün. Deşarj koşulları altında, bu durum, uzun ömrü nedeniyle uygun şekilde doldurulabilir. İkinci gazın şimdi uyarılmış hali, bu uzun ömürlü duruma çok yakın bir enerjiye sahipse, çarpışmada enerjinin birinci atomdan uyarılmış hale gelecek olan ikinci atoma aktarılması çok muhtemeldir. Bu atomun başka düşük enerji durumları varsa, o zaman uyarılmamış kalacaklardır ve bu nedenle yüksek enerji durumu ile düşük enerji durumu arasında ters bir popülasyon olabilir. Javan, çalışmasında kripton ve cıva karışımlarının yanı sıra helyum ve neon karışımından bahsetti. Bu çalışma, 3 Haziran 1959'da Fiziksel İnceleme Mektuplarında yayınlandı.

Javan, Columbia'da Javan'ın arkadaşı olan Yale Üniversitesi spektroskopisti William R. Bennett, Jr. ile yakın çalıştı. Bir yıl boyunca gece geç saatlere kadar çalıştılar. 1959 sonbaharında Javan, Bell Laboratuarlarında optik teknisyeni olan Donald R. Herriot'tan projeye yardım etmesini istedi. Temel sorunlardan biri, çıkış ışınını bozmamak için çok yüksek optik kaliteye sahip iki şeffaf pencere ile deşarj tüpü sağlamaktı. Ayrıca rezonatör aynaların takılması gerekiyordu. Köşelerde aynaların ince ayarını mümkün kılan mikrometrik vidalı özel cihazlarla donatılmış, tahliye borusunun içinde aynalar bulunan bir şema (Şekil 56) geliştirildi. Eylül 1959'da Bennett, Yale'den Bell Laboratuarlarına taşındı ve Javan ile birlikte, çeşitli koşullar altında helyum-neon karışımlarının spektroskopik özelliklerini hesaplayan ve ölçen yoğun ve kapsamlı bir araştırma programı başlattı. inversiyon üretimi. En iyi koşullar altında, sadece %1,5 gibi çok küçük bir kazancın elde edilebileceğini bulmuşlardır. Bu düşük kazanç, kayıpları en aza indirmeyi ve mümkün olan en yüksek yansıtıcılığa sahip aynaları kullanmayı kesinlikle gerekli kıldı. Bu tür aynalar, farklı kırılma indislerine sahip uygun (şeffaf) dielektrik malzemelerin birçok katmanının şeffaf bir yüzey (cam) üzerine bırakılmasıyla elde edilir. Katmanlar arasındaki sınırlardaki yansımalarla çok yollu girişim nedeniyle yüksek bir yansıma katsayısı elde edilir. Üç araştırmacı, 1.15 µm dalga boyunda %98.9 yansıtma oranına sahip aynaları kullanabildi.

Pirinç. 56. Javan, Bennett ve Heriott tarafından yapılmış bir helyum-neon lazerin diyagramı

1960 yılında Javan, Bennett ve Heriott sonunda lazerlerini test ettiler. İlk önce, güçlü bir magnetron kullanarak gaz karışımı içeren bir kuvars tüpte elektrik boşalması yapmaya çalıştılar, ancak tüp eridi. Ekipmanı yeniden yapmak ve değişiklikler yapmak zorunda kaldım. 12 Aralık 1960'ta yeni bir tüp ve deşarj organizasyonu üzerinde çalışmaya başladılar. Aynaları kalıcı hale getirmek için ayarlamaya çalıştılar, ancak başarılı olamadılar. Sonra, öğlen, Heriott sinyali gördü: “Aynalardan birinin üzerindeki mikrometre vidalarını her zamanki gibi çeviriyordum ki, aniden osiloskopta bir sinyal belirdi. Monokromatörü kurduk ve sinyal tepe noktasını 1.153 µm dalga boyunda, yani. beklenen dalga boyunda Gazı aktif ortam olarak kullanan ve sürekli modda çalışan ilk lazer doğdu! Radyasyonu yakın kızılötesi aralığındaydı ve bu nedenle gözle görülemezdi. Kayıt, bir osiloskopa bağlı uygun bir alıcı gerektiriyordu.

Ve altı ay önce, yardım eden bir teknisyen olan Ed Ballick, daha sonra Oxford Üniversitesi'nden mezun oldu ve Kanada'da ders verdi, yüz yıllık bir şişe şarap satın aldı. Lazerin çalışması vesilesiyle ciddi bir an için tasarlandı. Lazer deneyleri nihayet meyve vermeye başladığında, birkaç gün sonra Javan Bell Laboratuvarlarının başkanını aradı ve onu olayı yüzüncü yıl şarabıyla yıkamaya davet etti. Çok sevindi, ama sonra haykırdı: “Kahretsin Ali. Bir problemimiz var!". Bu sabah oldu Javan ve sorunun ne olduğunu anlamadı. Ancak öğle saatlerinde, birkaç ay önce yayınlanan bir öncekini açıklayan ve bilim merkezinin topraklarında alkol içilmesini yasaklayan bir genelge laboratuvarın etrafında dolaştırıldı. Açıklama, 100 yaşın altındaki herhangi bir alkolün içilmesini yasakladı. Sonrasında ise kuralları çiğnemeden başarı için kadehlerini kaldırdılar!

Yakın IR aralığında 1.15 µm geçişte çalıştırılan ilk lazer. Javan, bu dalga boyunda maksimum yansımaya sahip aynalar kullandı, bu da neonun olası geçişlerinden birine karşılık geliyor. Başka olası dalga boyları olduğunu biliyordu. Bu dalga boyunu seçti çünkü araştırması, en büyük kazancın bu dalga boyunda beklenebileceğini gösterdi. Görünür bölgedeki geçişleri kullanmak için o kadar küçük çaplı bir tüp gerekiyordu ki, o zamanlar Fabry-Perot rezonatörü için kullanılan düz aynaları ayarlamak imkansızdı.

Javan lazerinde, deşarj tüpü sırasıyla 0.1 ve 1 Torr basınçlarında neon ve helyum içeriyordu (1 Torr, bir atmosferin basıncının neredeyse binde biridir). Kaynaşmış kuvars tüp 80 cm uzunluğunda ve 1.5 cm çapındaydı Her iki ucunda yüksek yansıtıcı düz aynalar içeren metal bir boşluk vardı. Fabry-Perot aynalarının mikrometre vidaları ile ayarlanmasını (hassas yatırma ile) mümkün kılan esnek manşonlar (körükler) kullanıldı. Bu, 6 ark saniyelik bir doğrulukla paralellik sağlamayı mümkün kıldı. Uçlarda, 100 A'dan daha iyi bir hassasiyetle cilalanmış yüzeyleri olan düz cam pencereler vardı. Bozulmadan bir radyasyon ışını yaymayı mümkün kıldılar. Elektrik deşarjı, 50 watt gücünde 28 MHz'lik bir osilatör kullanılarak harici elektrotlarla uyarıldı. Yüksek yansımalı aynalar, 13 katman dielektrik malzeme (MgF 2 , ZnS) biriktirilerek elde edildi. 1,1 ve 1,2 µm arasında yansıtma %98,9 olmuştur. Lazer sürekli çalışıyordu ve bu tipteki ilk lazerdi.

Hughes örneğini takiben, Bell Labs ayrıca 14 Aralık 1960'ta bir helyum-neon lazerin halka açık bir tanıtımını yaptı. İletişimin olası önemini göstermek için, bir telefon tarafından modüle edilen bir lazer radyasyonu ışını kullanılarak bir telefon görüşmesi iletildi. sinyal.

Bu lazer, adı için bileşenlerinin kimyasal sembollerini kullanarak He-Ne lazeri olarak tanındı. 31 Ocak 1961'de basına sunuldu. Bunu anlatan bir makale 30 Aralık 1960'ta Physical Review Letters'da yayınlandı.

Javan 1960 baharında deneyler yaparken, iki Bell Labs araştırmacısı A. Fox ve T. Lee, Fabry-Perot rezonatöründe hangi modların var olduğu sorusunu incelemeye başladı. Gerçek şu ki, Fabry-Perot rezonatörü, mikrodalga rezonatörlerinden kapalı boşluklar şeklinde çok farklıdır. Bu modların şeklini belirlediler ve sonuçları, diğer Bell Labs araştırmacıları Gary D. Bond, James Gordon ve Herwig Kogelnik'i küresel aynalar durumunda analitik çözümler bulmaya teşvik etti. Gaz lazerlerinin geliştirilmesi için optik boşlukların incelenmesinin önemi göz ardı edilemez. Bu sonuçlar elde edilmeden önce, gaz lazeri, en iyi ihtimalle, üretimi son derece uç aynaların hizalanmasına bağlı olan marjinal bir cihazdı. Küresel aynalı rezonatörlerin teorik çalışmaları, aynaların hizalanmasına nispeten zayıf bir şekilde bağlı konfigürasyonların olabileceğini ve rezonatördeki iç kayıpların düz aynalı bir rezonatörden daha küçük olabileceğini göstermiştir. Bu, önceden düşünülenden önemli ölçüde daha düşük kazançlarla aktif medyanın kullanılmasına izin verir. Düz aynalı rezonatör pratik olarak terk edildi ve küresel aynalı rezonatörler kullanılarak yeni gaz lazerlerinin tüm keşifleri yapıldı.

1961'de Bell Laboratuarlarında büyük bir lazer araştırma programı başladı. Başka sorunlarla meşgul olan araştırmacılar yeni konulara yönlendirildi, yeni çalışanlar işe alındı. Odaklarında bulunan rezonatörde iki özdeş küresel ayna kullanma kararı (bu konfigürasyona konfokal rezonatör denir), Javan'ın böyle bir rezonatör kullanması durumunda hangi zorluklardan kaçınabileceğini gösterdi. Sonuç olarak, William W. Rygrod, Herwig Kogelnik, Donald R. Heriott ve D. J. Brangacio, 1962 baharında, ışığı deşarj tüpünün eksenine yoğunlaştıran küresel aynalara sahip ilk konfokal rezonatörü inşa ettiler; tüp. Bu, 6328 A kırmızı çizgisinde üretim elde etmeyi mümkün kıldı.Işığın bir kısmı, pencere yüzeylerinden yansımalarda kaçınılmaz olarak kaybolur (Fresnel yansıması). Ancak bu kayıplar, pencereleri Brewster açısı adı verilen belirli bir açıyla eğerek önlenebilir. Bu durumda, belirli bir polarizasyonun ışığı için kayıplar pratikte sıfırdır. Bu yeni lazer konfigürasyonu Şekil 2'de gösterilmektedir. 57.

Pirinç. 57. Konfokal optik rezonatör. Gazın bir elektrik boşalmasıyla uyarıldığı tüp, Brewster açısında eğimli pencerelerle kapatılır. Eşit eğrilik yarıçaplı içbükey aynalar, aralarındaki mesafe eğrilik yarıçapına eşit olacak şekilde tüpün arkasına yerleştirilir.

Kırmızı He-Ne lazer yaygın olarak kullanılmaya başlandı ve özellikle tıpta hala kullanılmaktadır. Buna ek olarak, lazer (son derece tutarlı) ve sıradan (tutarsız) ışık arasındaki temel farkların anlaşılmasına büyük ölçüde katkıda bulunur. Bu lazer ile, rezonatör aynanın hafif bir eğimi ile kolayca ve net bir şekilde değiştirilebilen lazer ışınının mod yapısının yanı sıra girişim fenomenleri de kolayca gözlemlenir. Diğer, çok sayıda lazer türünün geliştirilmesi de teşvik edildi.

Modern bir He-Ne lazer, Şekil 2'de gösterilen birkaç geçişten birinde üretebilir. 54. Bunun için istenilen dalga boyunda maksimum yansıma ile çok katmanlı aynalar yapılır. Üretim 3.39 µm, 1.153 µm, 6328 A° dalga boylarında ve hatta özel aynalar kullanıldığında 5433 A (yeşil çizgi), 5941 A° (sarı çizgi), 6120 A° (turuncu çizgi) dalga boylarında elde edilir.

Yazarın kitabından

İkinci katı hal lazeri Eylül 1959'da Townes, lazer henüz yaratılmamış olmasına rağmen, gayri resmi tartışmaların çoğunun lazerlere odaklandığı "Kuantum Elektroniği - Rezonans Olayları" üzerine bir konferans düzenledi.Bu konferansa Peter katıldı.

Yazarın kitabından

Sezyum lazer 1961, lazer konseptinin başlangıcından beri uzmanların üzerinde çalıştığı iki lazerin daha uygulanma yılıydı. Bunlardan biri sezyum lazeriydi. Townes ve Shavlov makalelerini yazdıktan sonra, Townes'ın bir lazer yapmaya çalışmasına karar verildi.

Yazarın kitabından

Neodimyum lazer 1961'de piyasaya sürülen ve halen en önemli lazerlerden biri olan bir diğer lazer, neodimyum cam lazerdir. 1959-1960 yılında. Amerikan Optik Şirketi, bilim adamlarından biri olan Elias Snitzer tarafından yürütülen lazer araştırmalarıyla da ilgilenmeye başladı. Bu

Yazarın kitabından

Doğada lazer var mı? Cevap evet gibi görünüyor! Yaklaşık 10 μm dalga boyuna sahip lazer radyasyonu (özellikle malzemelerin işlenmesinde yaygın olarak kullanılan yüksek güçlü CO2 lazerlerini çalıştıran tipik bir karbondioksit emisyon hattı)

Yazarın kitabından

Lazer ve Ay Çan Laboratuvarları, Ay yüzeyinin topografyasını incelemek için ilk lazerlerden birini kullandı. 21 Temmuz 1969'da Ay'a gönderilen Apollo 11 seferi sırasında astronotlar, yüzeyine lazer ışığını yansıtabilen iki köşe reflektörü yerleştirdiler.

Bu çalışmanın amacı, aktif madde olarak helyum ve neon gazlarının bir karışımının kullanıldığı bir gaz lazerinin temel özelliklerini ve parametrelerini incelemektir.

3.1. Helyum-neon lazerin çalışma prensibi

Helyum neon lazer, tipik ve en yaygın gaz lazeridir. Atomik gaz lazerlerine aittir ve aktif ortamı, nötr (iyonize olmayan) inert gaz atomlarının bir karışımıdır - helyum ve neon. Neon çalışan bir gazdır ve uyumlu elektromanyetik radyasyon emisyonu ile enerji seviyeleri arasında geçişler meydana gelir. Helyum, yardımcı bir gazın rolünü oynar ve neonun uyarılmasına ve içinde bir popülasyon inversiyonunun yaratılmasına katkıda bulunur.

Herhangi bir lazerde üretimi başlatmak için iki önemli koşulun karşılanması gerekir:

1. Çalışan lazer seviyeleri arasında bir popülasyon inversiyonu olmalıdır.

2. Aktif ortamdaki kazanç, radyasyon çıkışı için "yararlı" kayıplar da dahil olmak üzere lazerdeki tüm kayıpları aşmalıdır.

Sistemin iki seviyesi varsa E 1 ve E 2, sırasıyla her birinin üzerindeki parçacık sayısı ile N 1 ve N 2 ve yozlaşma derecesi g 1 ve g 2, o zaman popülasyon inversiyonu, popülasyon N 2 /g 2 üst seviye E 2 daha fazla nüfus olacak N 1 /g 1 alt seviye E 1 , yani inversiyon derecesi Δ N olumlu olacak:

eğer seviyeler E 1 ve E 2 dejenere değildir, o zaman inversiyonun gerçekleşmesi için partikül sayısının N 2 üst seviyede E 2 tanecik sayısından fazlaydı N 1 alt seviyede E bir . Bir popülasyon inversiyonunun oluşumunun ve uyumlu elektromanyetik radyasyon emisyonu ile zorunlu geçişlerin meydana gelmesinin mümkün olduğu seviyelere denir. çalışan lazer seviyeleri.

Popülasyon ters çevirme durumu kullanılarak oluşturulur pompalama- çeşitli yöntemlerle gaz atomlarının uyarılması. Adı verilen harici bir kaynağın enerjisi nedeniyle pompa kaynağı, yer enerji seviyesinden Ne atomu E Termodinamik denge durumuna karşılık gelen 0, uyarılmış Ne* durumuna geçer. Pompa yoğunluğuna bağlı olarak farklı enerji seviyelerine geçişler olabilir. Daha sonra daha düşük enerji seviyelerine kendiliğinden veya zorunlu geçişler vardır.

Çoğu durumda, sistemdeki tüm durumlar arasındaki tüm olası geçişleri dikkate almak gerekli değildir. Bu, iki, üç ve dört seviyeli lazer operasyon şemalarından bahsetmeyi mümkün kılar. Lazer operasyon şemasının tipi, aktif ortamın özelliklerine ve ayrıca kullanılan pompalama yöntemine göre belirlenir.

Helyum-neon lazer, Şekil 2'de gösterildiği gibi üç seviyeli bir şemada çalışır. 3.1. Bu durumda, radyasyon pompalama ve üretme kanalları kısmen ayrılmıştır. Aktif maddenin pompalanması zemin seviyesinden geçişlere neden olur. E 0 ila heyecanlı seviye E 2 , çalışma seviyeleri arasında bir popülasyon inversiyonunun ortaya çıkmasına neden olur E 2 ve E bir . Çalışma seviyelerinin popülasyon ters çevrilmesi durumunda olan aktif ortam, elektromanyetik radyasyonu bir frekansla yükseltebilir.
uyarılmış emisyon süreçleri nedeniyle.

Pirinç. 3.1. Helyum-neon lazerin çalışmasını açıklayan, çalışma ve yardımcı gazın enerji seviyelerinin diyagramı

Gazlardaki enerji seviyelerinin genişlemesi küçük olduğundan ve geniş absorpsiyon bantları olmadığından, optik radyasyon kullanarak ters bir popülasyon elde etmek zordur. Bununla birlikte, gazlarda başka pompalama yöntemleri de mümkündür: doğrudan elektronik uyarım ve atomların çarpışması üzerine rezonanslı enerji transferi. Elektronlarla çarpışma üzerine atomların uyarılması, elektronların elektrik alanı tarafından hızlandırıldığı bir elektrik boşalmasında en kolay şekilde gerçekleştirilebilir. önemli kinetik enerji elde edebilir. Elektronların atomlarla esnek olmayan çarpışmalarında, atomlar uyarılmış duruma geçer. E 2:

Prosesin (3.4) rezonans karakterine sahip olması önemlidir: farklı atomların uyarılmış enerji durumları çakışırsa, yani rezonans içindeyse enerji transfer olasılığı maksimum olacaktır.

He ve Ne'nin enerji seviyeleri ve ana çalışma geçişleri Şekil 1'de ayrıntılı olarak gösterilmektedir. 3.2. Gaz atomlarının hızlı elektronlarla (3.2) ve (3.3) esnek olmayan etkileşimlerine karşılık gelen geçişler, yukarı doğru noktalı oklarla gösterilmiştir. Elektron etkisinin bir sonucu olarak, helyum atomları yarı kararlı olan 2 1 S 0 ve 2 3 S 1 seviyelerine uyarılır. Helyumdaki temel durum 1 S 0'a ışınımsal geçişler, seçim kuralları tarafından yasaklanmıştır. Uyarıldığında He atomları 1S 0 temel durumunda Ne atomları ile çarpışır, uyarma transferi (3.4) mümkündür ve neon 2S veya 3S seviyelerinden birine geçer. Bu durumda, yardımcı ve çalışma gazındaki zemin ve uyarılmış durumlar arasındaki enerji boşlukları birbirine yakın olduğu için rezonans koşulu sağlanır.

2S ve 3S neon seviyelerinden 2P ve 3P seviyelerine ışınımsal geçişler meydana gelebilir. He atomlarından bu seviyelere doğrudan enerji transferi olmadığından, P seviyeleri üst S seviyelerinden daha az nüfusludur. Ek olarak, P seviyelerinin ömrü kısadır ve ışımasız geçiş P → 1S, P seviyelerini boşaltır. Böylece, (3.1) durumu, S üst seviyelerinin popülasyonu, alt seviyelerin P popülasyonundan daha yüksek olduğu zaman ortaya çıkar, yani, S ve P seviyeleri arasında popülasyon inversiyonu vardır, bu da aralarındaki geçişlerin lazer üretimi için kullanılabileceği anlamına gelir.

S ve P seviyelerinin sayısı büyük olduğundan, aralarında büyük bir dizi farklı kuantum geçişi mümkündür. Özellikle, dört 2S seviyesinden on 2P seviyesine kadar, çoğu üretim olan seçim kuralları tarafından 30 farklı geçişe izin verilir. 2S → 2P geçişleri sırasındaki en güçlü emisyon çizgisi 1.1523 μm çizgisidir (spektrumun kızılötesi bölgesi). 3S→2Р geçişleri için en önemli çizgi 0,6328 µm (kırmızı bölge) ve 3S→3Р – 3,3913 µm (IR bölgesi) için geçerlidir. Listelenen tüm dalga boylarında spontan emisyon meydana gelir.

Pirinç. 3.2. Helyum ve neon atomlarının enerji seviyeleri ve bir He-Ne lazerin çalışma şeması

Daha önce bahsedildiği gibi, P seviyelerine ışınımsal geçişlerden sonra, P → 1S geçişleri sırasında ışınımsal olmayan ışınımsal bozunma meydana gelir. Ne yazık ki, neon 1S seviyeleri yarı kararlıdır ve gaz karışımı başka safsızlıklar içermiyorsa, neon atomlarının 1S seviyesinden temel duruma geçişinin tek yolu kabın duvarlarıyla çarpışmadır. Bu nedenle tahliye borusunun çapı küçüldükçe sistemin kazancı artar. Neonun 1S durumları yavaş yavaş tükendiğinden, Ne atomları bu durumlarda tutulur, bu da oldukça istenmeyen bir durumdur ve bu lazerin bir takım özelliklerini belirler. Özellikle pompa akımı eşik değerinin üzerine çıktıkça j daha sonra lazer radyasyonunun gücünde hızlı bir artış ve ardından doygunluk ve hatta bir azalma vardır, bu tam olarak 1S seviyelerinde çalışan parçacıkların birikmesinden ve daha sonra elektronlarla çarpışma üzerine 2P veya 3P durumlarına aktarılmasından kaynaklanır. Bu, yüksek çıkış radyasyon güçlerinin elde edilmesini imkansız hale getirir.

Ters bir popülasyonun oluşması, karışımdaki He ve Ne'nin basıncına ve elektron sıcaklığına bağlıdır. Gaz basınçlarının optimal değerleri He için 133 Pa ve Ne için 13 Pa'dır. Elektron sıcaklığı, gaz karışımına uygulanan voltaj tarafından verilir. Genellikle bu voltaj 2…3 kV seviyesinde tutulur.

Lazer üretimi elde etmek için lazerde pozitif geri besleme olması gerekir, aksi takdirde cihaz sadece bir amplifikatör olarak çalışacaktır. Bunu yapmak için aktif gazlı ortam bir optik rezonatöre yerleştirilir. Geri besleme oluşturmaya ek olarak, rezonatör, salınım türlerini seçmek ve özel seçici aynaların kullanıldığı nesil dalga boyunu seçmek için kullanılır.

Eşiğe yakın pompa seviyelerinde, bir tür salınım üzerinde kalıcılık nispeten kolaydır. Uyarma seviyesindeki bir artışla, herhangi bir özel önlem alınmazsa, bir dizi başka mod ortaya çıkar. Bu durumda, üretim, atom hattının genişliği içinde yer alan rezonatörün rezonans frekanslarına yakın frekanslarda meydana gelir. Eksenel titreşim türleri (TEM 00 -modu) durumunda, bitişik maksimumlar arasındaki frekans mesafesi
, nerede L rezonatör uzunluğudur. Birkaç modun aynı anda varlığının bir sonucu olarak, emisyon spektrumunda vuruşlar ve homojen olmayanlıklar ortaya çıkar. Yalnızca eksenel modlar mevcut olsaydı, o zaman spektrum, aralarındaki mesafenin eşit olacağı ayrı çizgiler olurdu. c / 2L. Ancak, rezonatörde eksenel olmayan salınım türlerini, örneğin varlığı aynaların ayarlanmasına büyük ölçüde bağlı olan TEM 10 modlarını uyarmak da mümkündür. Bu nedenle, emisyon spektrumunda, eksenel titreşim türlerinin her iki tarafında simetrik olarak frekansta bulunan ek uydu hatları görünür. Pompa seviyesindeki artışla birlikte yeni salınım türlerinin görünümü, radyasyon alanının yapısının görsel olarak gözlemlenmesiyle kolayca belirlenir. Rezonatör hizalamasının tutarlı radyasyon modlarının yapısı üzerindeki etkisini görsel olarak gözlemlemek de mümkündür.

Gazlar, yoğunlaştırılmış ortama göre daha homojendir. Bu nedenle, gazdaki ışık demeti daha az bozulur ve dağılır ve helyum-neon lazerin radyasyonu, kırınım fenomenleri nedeniyle sınırına ulaşan iyi frekans kararlılığı ve yüksek yönlülük ile karakterize edilir. Bir Konfokal Rezonatör için Iraksama Kırınım Sınırı

burada λ dalga boyudur; d 0, ışık huzmesinin en dar kısmındaki çapıdır.

Bir helyum-neon lazerin radyasyonu, yüksek derecede tek renklilik ve tutarlılık ile karakterize edilir. Böyle bir lazerin emisyon çizgilerinin genişliği, spektral çizginin "doğal" genişliğinden çok daha dardır ve birçok büyüklük derecesi, modern spektrometrelerin sınırlayıcı çözünürlük derecesinden daha azdır. Bu nedenle, onu belirlemek için radyasyondaki çeşitli modların atım spektrumu ölçülür. Ek olarak, bu lazerin radyasyonu, Brewster açısında rezonatörün optik eksenine yerleştirilmiş pencerelerin kullanılması nedeniyle düzlem polarize edilir.

Radyasyonun tutarlılığının kanıtı, kaynağın farklı noktalarından alınan radyasyonun üst üste bindirilmesinde bir kırınım modelinin gözlemlenmesi olabilir. Örneğin, tutarlılık, çoklu yuvalardan oluşan bir sistemden gelen girişimi gözlemleyerek tahmin edilebilir. Young'ın deneyiminden, sıradan bir "klasik" kaynaktan gelen ışığın girişimini gözlemlemek için radyasyonun önce bir yarıktan sonra iki yarıktan geçirildiği ve ardından ekranda girişim saçaklarının oluştuğu bilinmektedir. Lazer radyasyonu kullanılması durumunda, ilk yarık gereksiz hale gelir. Bu durum temeldir. Ek olarak, iki yarık arasındaki mesafe ve genişlikleri, klasik deneylerde olduğundan çok daha büyük olabilir. Gaz lazerinin çıkış penceresinde, aralarında mesafe 2 olan iki yarık vardır. a. Gelen radyasyonun tutarlı olması durumunda, uzakta bulunan bir ekranda d yarıklardan itibaren bir girişim deseni gözlemlenecektir. Bu durumda, bantların maksimumları (minimumları) arasındaki mesafe

En yaygın gaz lazeri helyum-neondur ( He-Ne) 10:1 oranında helyum ve neon karışımı üzerinde çalışan lazer (nötr atom lazeri). Bu lazer aynı zamanda ilk sürekli lazerdir.

Helyum ve neon seviyelerinin enerji şemasını düşünün (Şekil 3.4). Neon seviyeleri arasında üretim gerçekleşir ve pompalama işlemini gerçekleştirmek için helyum eklenir. Şekilden de anlaşılacağı gibi, seviyeler 2 3 S 1 ve 2 1 S 0 helyum sırasıyla seviyelere yakın bir yerde bulunur 2s ve 3s o değil. Çünkü helyum seviyeleri 2 3 S 1 ve 2 1 S 0 yarı kararlıdır, o zaman yarı kararlı uyarılmış helyum atomları neon atomlarıyla çarpıştığında, neon atomlarına rezonanslı bir enerji aktarımı olacaktır (ikinci tür çarpışmalar).

Yani seviyeler 2s ve 3s neon doldurulabilir ve bu nedenle nesil bu seviyelerden devam edebilir. Ömür s-durumlar ( t s» 100 ns) çok daha uzun kullanım ömrü R-durumlar ( t p»10 ns), bu nedenle lazerin dört seviyeli şemaya göre çalışması için aşağıdaki koşul sağlanır:

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

Geçişlerden birinde lazer üretimi mümkündür a, b, c dalga boylarına göre ben bir=3.39 um, 1 pound = 0.45 kg=0.633 um, ben=1.15 μm, rezonatör aynaların yansıma katsayısı seçilerek veya rezonatöre dağıtıcı elemanlar eklenerek elde edilebilir.

Pirinç. 3.4. Helyum ve neon enerji seviyelerinin şeması.

Böyle bir lazerin üretim karakteristiğini ele alalım.

Şekil 3.5. Bir helyum-neon lazerin üretim karakteristiği.

Artan pompa akımı ile çıkış gücündeki ilk artış, popülasyonun ters çevrilmesi ile açıklanmaktadır. Maksimum güce ulaşıldıktan sonra, pompa akımının daha da artmasıyla eğri azalmaya başlar. Bu, 2p ve 1s seviyelerinin rahatlamak için zamanlarının olmaması gerçeğiyle açıklanmaktadır; elektronların düşük enerji düzeyine gidecek zamanı yoktur ve komşu 2p ve 1s düzeylerindeki elektron sayıları aynı olur. Bu durumda, inversiyon yoktur.

Helyum-neon lazerlerin verimliliği, uyarılmış parçacıkların düşük hacim yoğunluğu ile açıklanan %0,1 mertebesindedir. Çıkış gücü tipik He-Ne-lazer P~5-50 mW, sapma q~1 mrad.

argon lazer

Bunlar, iyon gaz lazerleriyle ilgili görünür ve yakın ultraviyole spektral bölgedeki en güçlü sürekli dalga lazerleridir. Çalışma gazındaki üst lazer seviyesi, bir elektrik boşalması sırasında art arda iki elektron çarpışması nedeniyle doldurulur. İlk çarpışmada nötr atomlardan iyonlar oluşur ve ikincisinde bu iyonlar uyarılır. Bu nedenle pompalama, her birinin verimliliği akım yoğunluğuyla orantılı olan iki aşamalı bir işlemdir. Verimli pompalama için yeterince yüksek akım yoğunlukları gereklidir.

Lazer enerji seviyesi diyagramı açık Ar+Şek. 3.3. 454.5 nm ile 528.7 nm arasındaki çizgilerde lazer emisyonu, bir grup seviye doldurulduğunda meydana gelir 4p zemin veya yarı kararlı durumların elektron etkisi ile uyarma ile Ar + .

3.5 CO2 lazer

Moleküler CO2-Lazerler, elektrik enerjisini radyasyon enerjisine dönüştürmedeki en yüksek verimi (%15-20) nedeniyle gaz lazerleri arasında en güçlü cw lazerlerdir. Lazer üretimi, titreşimsel-dönme geçişlerinde meydana gelir ve bu lazerlerin emisyon çizgileri, 9.4 µm ve 10.4 µm dalga boylarında bulunan uzak kızılötesi bölgesindedir.

AT CO2 Lazer bir gaz karışımı kullanır CO2, N2 ve O. Pompalama, moleküllerin çarpışması sırasında doğrudan gerçekleştirilir. CO2 elektronlar ve titreşimle uyarılmış moleküller ile N2. Karışımdaki He'nin yüksek termal iletkenliği soğutmayı destekler CO2, bu da termal uyarmanın bir sonucu olarak doldurulan alt lazer seviyesinin tükenmesine yol açar. yani varlığı N2 karışımda, üst lazer seviyesinin yüksek popülasyonuna ve varlığına katkıda bulunur O- alt seviyenin tükenmesi ve sonuç olarak birlikte nüfus ters çevrilmesinde bir artışa yol açarlar. Enerji seviyesi diyagramı CO2-lazer Şek. 3.4. Lazer üretimi, molekülün titreşim durumları arasındaki geçiş sırasında gerçekleştirilir. CO 2 n 3 1 Haz veya n 3 Haziran 2 dönme durumunda bir değişiklik ile.

Pirinç. 3.4. Enerji seviyesi diyagramı N2 ve CO2 içinde CO2-lazer.

CO2 Lazer hem sürekli hem de darbeli modlarda çalışabilir. Sürekli modda, çıkış gücü birkaç kilowatt'a ulaşabilir.