Газові лазери. Гелій-неоновий лазер

Гелій-неоновий лазер - поряд з діодним або напівпровідниковим - відноситься до найбільш часто використовуваних і найбільш прийнятних за ціною лазерів для видимої області спектра. Потужність таких лазерних систем, призначених, в основному, для комерційних цілей, знаходиться в діапазоні від 1 мВт до декількох десятків мВт. Особливо популярні не настільки потужні He-Ne-лазери близько 1 мВт, які використовують, головним чином, як котирувальні пристрої, а також для вирішення інших завдань у сфері вимірювальної техніки. В інфрачервоному та червоному діапазонах гелій-неоновий лазер все частіше витісняється діодним лазером. He-Ne-лазери здатні, поряд із червоними лініями, випромінювати також помаранчеві, жовті та зелені, що досягається завдяки відповідним селективним дзеркалам.

Схема енергетичних рівнів

Найважливіші для функції He-Ne-лазерів енергетичні рівні гелію та неону представлені на рис. 1. Лазерні переходи здійснюються в атомі неону, причому найінтенсивніші лінії виходять в результаті переходів з довжиною хвиль 633, 1153 і 3391 (див. таблицю 1).

Електронна конфігурація неону в основному стані виглядає так: 1s22s22p6 причому перша оболонка (n = 1) і друга оболонка (n = 2) заповнені відповідно двома та вісьмома електронами. Вищі стани за рис. 1 виникають в результаті того, що тут є 1s22s22p5-оболонка, і електрон, що світиться (оптичний) збуджується згідно зі схемою: 3s, 4s, 5s,..., Зр, 4р,... і т.д. Йдеться, отже, про одноелектронному стані, що здійснює зв'язок з оболонкою. У схемі LS (Рассела - Саундерса) для енергетичних рівнівнеону вказано одноелектронний стан (наприклад, 5s), а також результуючий повний орбітальний момент L (= S, Р, Д ...). В позначеннях S, Р, D, нижній індекс показує повний орбітальний момент J, а верхній - мультиплетність 2S + 1, наприклад, 5s1P1. Нерідко використовується суто феноменологічне позначення за Пашеном (рис. 1). При цьому рахунок підрівнів збуджених електронних станів ведеться від 2 до 5 (для s-станів) та від 1 до 10 (для p-станів).

Рис. 1. Схема енергетичних рівнів He-Ne-лазера. У неону рівні позначені за Пашеном, тобто: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 і т.д.

Таблиця 1. Позначення переходів інтенсивних ліній He-Ne-лазера

Порушення

Активне середовище гелій-неонового лазера є газову суміш, до якої електричному розряді подається необхідна енергія. Верхні лазерні рівні (2s і 2р за Пашеном) вибірково заселяються на основі зіткнень із метастабільними атомами гелію (23S1, 21S0). За цих зіткнень відбувається як обмін кінетичної енергією, а й передача енергії збуджених атомів гелію атомам неона. Цей процес називають зіткненням другого роду:

Не * + Ne -> Не + Ne * + ΔЕ, (1)

де зірочка (*) символізує збуджений стан. Різниця енергій становить у разі порушення 2s-рівня: & DeltaE = 0,05 еВ. При зіткненні наявна різниця перетворюється на кінетичну енергію, яка потім розподіляється як тепла. Для 3s-рівня мають місце ідентичні стосунки. Така резонансна передача енергії від гелію до неону і є основним процесом накачування під час створення інверсії населеностей. У цьому тривалий час життя метастабільного стану Не сприятливо позначається селективності заселення верхнього лазерного рівня.

Порушення He-атомів відбувається на основі зіткнення електронів - або безпосередньо, або через додаткові каскадні переходи з рівнів, що лежать вище. Завдяки довгоживучим метастабільним станам щільність атомів гелію у цих станах дуже велика. Верхні лазерні рівні 2s і 3s можуть - з урахуванням правил відбору для електричних переходів доплерівських - переходити тільки в нижчележачі р-рівні. Для успішного генерування лазерного випромінювання дуже важливо, що час життя s-станів (верхній лазерний рівень) = приблизно 100 нc, перевищує час життя р-станів (нижній лазерний рівень) = 10 нc.

Довжини хвиль

Далі ми детальніше розглянемо найважливіші лазерні переходи, використовуючи рис. 1 та дані з таблиці 1. Найвідоміша лінія в червоній області спектру (0,63 мкм) виникає внаслідок переходу 3s2 → 2р4. Нижній рівень розщеплюється внаслідок спонтанного випромінювання протягом 10 нс в 1s-рівень (рис. 1). Останній стійкий до розщеплення завдяки електричному дипольному випромінюванню, тож йому характерна довге природне життя. Тому атоми концентруються у цьому стані, яке виявляється високонаселеним. У газовому розряді атоми у такому стані стикаються з електронами, і тоді знову відбувається збудження 2р- та 3s-рівнів. При цьому зменшується інверсія населення, що обмежує потужність лазера. Спустошення ls-стану здійснюється в гелій-неонових лазерах переважно через зіткнення зі стінкою газорозрядної трубки, у зв'язку з чим при збільшенні діаметра трубки відзначається зниження посилення та зниження ккд. Тому практично діаметр обмежується приблизно 1 мм, що, своєю чергою, призводить до обмеження вихідний потужності He-Ne-лазерів кількома десятками мВт.

Електронні конфігурації 2s, 3s, 2р і Зр, що беруть участь у лазерному переході, розщеплюються в численні підрівні. Це призводить, наприклад, до подальших переходів у видимій області спектру, як видно з таблиці 2. При всіх видимих лініях He-Ne-лазера квантова ефективність становить близько 10%, що не так вже й багато. Схема рівнів (рис. 1) показує, що верхні лазерні рівні розташовуються приблизно на 20 еВ вище за основний стан. Енергія ж червоного лазерного випромінювання становить лише 2 еВ.

Таблиця 2. Довжини хвиль λ, вихідні потужності та ширина ліній Δ ƒ He-Ne-лазера (позначення переходів по Пашену)

Колір	λ нм	Перехід (за Пашеном)	Потужність мВт	Δ ƒ МГц	Посилення %/м
Інфрачервоний	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Інфрачервоний	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Інфрачервоний	1 153	2s2 → 2p4	1	825
червоний	640	3s2 → 2p2
червоний	635	3s2 → 2p3
червоний	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
червоний	629	3s2 → 2p5
Помаранчевий	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Помаранчевий	604	3s2 → 2p7
Жовтий	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Жовтий	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

Випромінювання в інфрачервоному діапазоні близько 1,157 мкм виникає за допомогою переходів 2s → 2р. Те саме відноситься до дещо слабшої лінії приблизно 1,512 мкм. Обидві ці інфрачервоні лінії знаходять застосування в лазерах комерційного призначення.

Характерною особливістю лінії в ІЧ-діапазоні при 3391 мкм є високе посилення. У зоні слабких сигналів, тобто при одноразовому проходженні слабких світлових сигналів, воно становить близько 20 дБ/м. Це відповідає коефіцієнту 100 для лазера завдовжки 1 метр. Верхній лазерний рівень такий самий, як і при відомому червоному переході (0,63 мкм). Високе посилення, з одного боку, викликане украй коротким часом життя на нижньому 3p-рівні. З іншого боку, це пояснюється відносно великою довжиною хвилі та, відповідно, низькою частотою випромінювання. Зазвичай співвідношення вимушеного та спонтанного випромінювань збільшується для низьких частот. Посилення слабких сигналів g, як правило, пропорційне g ~2.

Без селективних елементів випромінювання гелій-неонового лазера відбувалося на лінії 3,39 мкм, а чи не в червоної області при 0,63 мкм. Порушення інфрачервоної лінії перешкоджає або селективне дзеркало резонатора, або поглинання в брюстерівських вікнах газорозрядної трубки. Завдяки цьому поріг генерації лазера може підвищитися до рівня, достатнього для випромінювання 3,39 мкм, так що тут з'являється лише слабкіша червона лінія.

Конструктивне виконання

Необхідні збудження електрони утворюються в газовому розряді (рис.2), який може використовуватися з напругою близько 12 кВ при струмах від 5 до 10 мА. Типова довжина розряду дорівнює 10см або більше, діаметр розрядних капілярів становить близько 1 мм і відповідає діаметру випромінюваного лазерного пучка. При збільшенні діаметра газорозрядної трубки коефіцієнт корисної діїзнижується, оскільки спустошення ls-рівня потрібні зіткнення зі стінкою трубки. Для оптимальної вихідної потужності використовується повний тиск (р) заповнення: р D = 500 Па мм, де D є діаметр трубки. Співвідношення суміші He/Ne залежить від бажаної лінії лазерного випромінювання. Для відомої червоної лінії маємо Не: Ne = 5:l, а інфрачервоної лінії близько 1,15 мкм - He:Ne=10:l. Важливим аспектом є також оптимізація щільності струму. Коефіцієнт корисної дії для лінії 633 нм становить близько 0,1%, оскільки процес збудження в даному випадку не надто ефективний. Термін служби гелій-неонового лазера складає близько 20 000 робочих годин.

Рис. 2. Конструктивне виконання He-Ne-лазера для поляризованого випромінювання у мВт-діапазоні

Посилення за таких умов знаходиться на рівні g=0,1 м-1, так що необхідно використовувати дзеркала з високою відбивною здатністю. Для виходу лазерного пучка тільки з одного боку там встановлюють часткове дзеркало, що пропускає (напівпрозоре) (наприклад, з R = 98 %), а на іншій стороні - дзеркало з максимально високою відбивною здатністю (~ 100 %). Посилення інших видимих переходів значно менше (див. таблицю 2). Для комерційних цілей ці лінії вдалося отримати тільки в Останніми рокамиза допомогою дзеркал, що відрізняються надзвичайно малими втратами.

Раніше у гелій-неонового лазера вихідні вікна газорозрядної трубки фіксувалися епоксидною смолою, а дзеркала монтувалися зовні. Це призводило до того, що гелій дифундував через клей, і в лазер потрапляла водяна пара. Сьогодні ці вікна кріпляться методом прямого спаю металу зі склом, що дає зниження витоку гелію приблизно до 1 Па на рік. У разі невеликих лазерів масового виробництва, дзеркальне покриття наноситься безпосередньо на вихідні вікна, що значно спрощує всю конструкцію.

Властивості пучка

Для вибору напрямку поляризації газорозрядна лампа забезпечується двома похило розташованими вікнами або, як показано на рис. 2, резонатор вставляється брюстерівська пластина. Відбивна здатність на оптичній поверхні перетворюється на нуль, якщо світло падає під так званим кутом Брюстера і поляризований паралельно площині падіння. Таким чином, випромінювання з таким напрямом поляризації без втрат проходить через вікно брюстерів. У той же час відбивна здатність компоненти, поляризованої перпендикулярно до площини падіння, досить висока і пригнічується в лазері.

Коефіцієнт (ступінь) поляризації (ставлення потужності у напрямку поляризації до потужності перпендикулярно цьому напрямку) становить у звичайних комерційних систем 1000:1. При роботі лазера без брюстерівських пластин із внутрішніми дзеркалами генерується неполяризоване випромінювання.

Лазер зазвичай генерує на поперечній ТЕМ00-моді (моді нижчого порядку), причому утворюється відразу кілька поздовжніх (аксіальних) мод. На відстані між дзеркалами (довжині резонатора лазера) L = 30 см міжмодовий частотний інтервал становить Δ ƒ` = c/2L = 500 МГц. Центральна частота становить 4,7·1014 Гц. Оскільки посилення світла може відбутися в межах діапазону Δ ƒ = 1500 МГц (доплерівська ширина), при L = 30CM випромінюється три різні частоти: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. При використанні меншої відстані між дзеркалами (<= 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.

Гелій-неонові лазери близько 10 мВт часто знаходять застосування в інтерферометрії чи голографії. Довжина когерентності таких лазерів серійного виробництва становить від 20 до 30см, що цілком достатньо для голографії невеликих об'єктів. Більш значні довжини когерентності виходять під час використання серійних частотно-селективних елементів.

При зміні оптичної відстані між дзеркалами внаслідок теплового чи іншого впливу відбувається зсув власних аксіальних частот резонатора лазера. При одночастотній генерації тут виходить стабільної частоти випромінювання - вона безконтрольно переміщається у діапазоні ширини лінії 1500 МГц. Шляхом додаткового електронного регулювання може бути досягнута стабілізація частоти якраз по центру лінії (у комерційних систем можлива стабільність частоти кілька МГц). У дослідницьких лабораторіях іноді вдається стабілізувати гелій-неоновий лазер на діапазон менше 1 Гц.

Шляхом використання відповідних дзеркал різні лінії таблиці 4.2 можуть збуджуватися для генерації лазерного випромінювання. Найчастіше знаходить застосування видима лінія близько 633 нм з типовими потужностями кілька милливатт. Після придушення інтенсивної лазерної лінії близько 633 нм завдяки використанню селективних дзеркал або призм у резонаторі можуть з'явитися інші лінії видимого діапазону (див. таблицю 2). Однак вихідні потужності цих ліній становлять лише 10 % від вихідної потужності інтенсивної лінії або навіть менше.

Гелій-неонові лазери комерційного призначення пропонуються з різними довжинами хвиль. Крім них є ще лазери, що генерують на багатьох лініях і здатні випромінювати хвилі безлічі довжин у різних комбінаціях. У випадку He-Ne-лазерів, що перебудовуються, пропонується, повертаючи призму, вибрати необхідну довжину хвилі.

Гелій-неоновий лазер

Окрім Шавлова, ще два дослідники Bell Labs працювали у 1958 р. над проблемою лазера: Алі Джаван та Джон Сандерс. Джаван був іранцем за походженням. Він отримав докторський ступінь у 1954 р. під керівництвом Таунсу на тему радіоспектроскопії. Він чотири роки залишався в групі Таунса, працюючи в галузі радіоспектроскопії та мазерів. Після захисту дисертації, коли Тау не був у творчій відпустці в Парижі та Токіо, Джаван став більш активно займатися мазерами і прийшов до ідеї трирівневого мазера, перш ніж група з Bell Labs опублікувала експериментальну роботу з цієї теми. Він знайшов метод отримання посилення безінверсної населеності, використовуючи, зокрема, ефект Рамана у трирівневій системі, проте він опублікував свої результати пізніше, ніж група з Bell.

У квітні 1958 року, коли він шукав місце в Bell Labs, спілкувався з Шавловим, який розповів йому про лазери. У серпні 1958 р. він був прийнятий у Bell Labs, і в жовтні розпочав систематичні дослідження з лазерів. Спочатку він мав там етичні труднощі. Компанія RCA попередньо вивчила його записи про трирівневий мазер і встановила, що його дати передують дат групи з Bell. RCA заплатила йому $1000 за право на патент, і почала суперечку з Bell, де Джаван уже працював. Протягом приблизно шести місяців Джаван мав справу з юристами з RCA та Bell Labs. На щастя, RCA провела маркетингове дослідження і, переконавшись, що цей мазерний підсилювач не обіцяє прибутку, припинила справу, залишивши патент Bell Labs.

Отже, Джаван міг повністю присвятити себе лазеру. Він думав побудувати його, використовуючи гази, і опублікував передбачувану конструкцію в Physical Review Letters в 1959 р. Він вирішив використовувати газ як активне середовище, оскільки вважав, що ця проста речовина полегшить дослідження. Однак він думав, що неможливо використовувати потужні лампи для накачування атомів прямо в збуджений стан, і розглядав збудження або прямими зіткненнями з електронами серед чистого неону, або шляхом зіткнень другого роду. В останньому випадку розрядна трубка наповнюється двома газами, які вибираються так, що атоми першого газу, що збуджуються зіткненнями з електронами в електричному розряді, можуть передавати свою енергію атомам другого газу, збуджуючи їх. Деякі суміші газів мали структуру енергетичних рівнів, яка задовольняла ці умови. Фактично необхідно, щоб енергетичний рівень другого газу мав енергію, практично рівну енергії збудження першого газу. З можливих комбінацій газів Джаван обрав комбінацію гелію та неону, рівні яких показані на рис. 54. Він вважав, що будь-який фізичний процес прагне встановлення больцманівського розподілу енергії за рівнями (тобто населеність нижнього рівня більше, ніж населеність верхнього). Тому середовище з інверсною населеністю може вийти в стаціонарному процесі тільки в результаті конкуренції різних фізичних процесів, що протікають із різною швидкістю.

Це краще зрозуміти на прикладі з розглядом дерева з гілками (дві на рис. 55), на яких сидять мавпи. Розглянемо спершу населеність згідно з больцманівською статистикою, тобто, скажімо, чотири мавпи сидять на верхній гілці (1), п'ять на нижній (2) та шість на землі (3, основний рівень). З цих трьох рівнів основний найбільш населений, і що вищий рівень, тим менше він заселений. Однак мавпи не сидять на місці, але стрибають по гілках (наприклад ми можемо вважати, що це відбувається щохвилини). Населеності на рівнях при цьому залишаються одними й тими самими в часі (рівноважна ситуація). Припустимо тепер, що ми продовжуємо заселяти гілки з тією ж швидкістю (одна мавпа за хвилину), але в той же час ми змочуємо гілку 2 і робимо її слизькою. Тепер мавпи не можуть залишатися на ній більше, наприклад, 10 секунд. Тому ця гілка швидко розселяється, і незабаром на гілці 1 виявляється більше мавп, ніж на гілці 2. Таким чином, виходить інверсна населеність через те, що час перебування мавпи на різних гілках по-різному. Хоча це дуже примітивні міркування, але допомагають зрозуміти міркування Джавана.

Вибір гелій-неонової суміші проходив через ретельний відбір, щоб отримати систему, що обіцяє оптимальне середовище, і лише наступний успіх приніс a posteriory повну довіру Джавану. Навіть після того, як він переконався, що гелій-неон є найкращою сумішшю, було чимало скептиків, які казали йому, що газовий розряд надто хаотичний. Вони казали, що надто багато невизначеностей, і його спроби нагадують полювання на диких гусей.

Рис. 54. Енергетичні рівні гелію (Не) та (Ne). Показано головні лазерні переходи

Рис.55. Мавпи на дереві розподіляються згідно зі статистикою Больцмана. Їх більше на землі, і їхнє число зменшується в міру висоти гілок

Джаван витратив багато грошей, але, на щастя, система запрацювала, інакше адміністрація вже була готова закрити проект і припинити експерименти. До кінця проекту на це дослідження було витрачено два мільйони доларів. Хоча ця сума, мабуть, перебільшена, проект, безперечно, вимагав значних витрат.

Тим часом Джон Сандерс, фізик експериментатор з Оксфордського університету, був запрошений до Bell Labs, щоб він спробував реалізувати інфрачервоний лазер. Протягом менше одного року, виділеного на це дослідження, Сандерс не витрачав часу на теоретичне вивчення, а одразу вирішив збуджувати чистий гелій у розрядній трубці з резонатором Фабрі-Перо усередині неї. Він намагався отримати лазерний ефект шляхом спроб і помилок, варіюючи параметри розряду. Максимальна відстань, на якій можна було встановити дзеркала, що все ще залишаються паралельними один одному, була 15 см. Сандерс не використовував розрядні трубки більшої довжини. Джаван вважав це важливим обмеженням. Він припускав, що посилення в газі дуже мало, і резонатор Сандерса не запрацює. Трубка, яку використовував Джаван, була набагато довшою, і оскільки вкрай важко було налаштувати дзеркала Фабрі-Перо на такій відстані, він вирішив спершу визначити необхідні параметри для працюючого пристрою, а потім постаратися налаштувати дзеркала методом проб і помилок. Так він працював. Без усієї попередньої роботи з вибору режиму He-Ne для отримання відомого посилення, було неможливо досягти успіху.

Сандерс надіслав листа до Physical Review Letters, в якому повідомляв, що було важко отримати достатню кількість збуджених атомів за допомогою імпульсної лампи, і пропонував використовувати збудження, що чиниться ударами електронів. Таке збудження легко здійснити при електричному розряді в газі або парах. Інверсія населення могла бути отримана, якщо в активному матеріалі існують збуджені стани з великими часами життя, а також стани з нижчими енергіями та з короткими часами життя (як ми розглядали у прикладі з мавпами).

Одразу після цієї статті, у тому ж випуску Physical Review Letters, А. Джаван опублікував свою статтю, в якій також розглядав ці проблеми, і серед інших схем запропонував одну дуже оригінальну. Розглянемо довго живе стан у газі. У разі розряду цей стан можна заселити відповідним чином його великого часу життя. Якщо тепер збуджений стан другого газу має дуже близьку енергію до цього довго живого стану, то дуже ймовірно, що при зіткненні енергія буде передана від першого атома до другого, який стане збудженим. Якщо цей атом має інші стани з нижчими енергіями, то вони залишаться незбудженими і, тим самим може вийти інверсна населеність між станом з високою енергією по відношенню до стану з нижчою енергією. У своїй роботі Джаван згадав про суміші криптону та ртуті, а також про суміш гелію з неоном. Ця робота була опублікована у Physical Review Letters 3 червня 1959 р.

Джаван працював у тісному контакті з Вільямом Р. Беннеттом мл., спектроскопістом з Єльського університету і який був другом Джавана в Колумбії. Вони працювали до ночі цілий рік. Восени 1959 р. Джаван попросив Дональда Р. Херріота, спеціаліста з оптичної апаратури Bell Labs, брати участь у роботі над проектом. Однією з принципових проблем було забезпечити розрядну трубку двома прозорими вікнами дуже високої оптичної якості, щоб не спотворювати вихідний пучок. Також потрібно встановити дзеркала резонатора. Було розроблено схему (рис. 56) з дзеркалами всередині розрядної трубки, забезпечена спеціальними пристроями з мікрометричними гвинтами, які забезпечували можливість тонкої настойки дзеркал по кутах. У вересні 1959 р. Беннетт перейшов із Йеля в Bell Labs і разом з Джаваном розпочав програму інтенсивних і ретельних досліджень з розрахунками та вимірами спектроскопічних властивостей гелій-неон сумішей за різних умов, з метою визначити фактори, що визначають отримання інверсії. Вони встановили, що за найкращих умов можна отримати дуже мале посилення, близько 1,5%. Таке мале посилення робило необхідним мінімізувати втрати і використовувати дзеркала з найбільшим можливим коефіцієнтом відбиття. Такі дзеркала одержують шляхом нанесення на прозору поверхню (скло) багатьох шарів відповідних (прозорих) діелектричних матеріалів з різними коефіцієнтами заломлення. Високий коефіцієнт відбиття виходить за рахунок багатопроменевої інтерференції при відбиття на межах між шарами. Три дослідники змогли використовувати такі дзеркала, які на довжині хвилі 1.15 мкм мали коефіцієнт відображення 98,9%.

Рис. 56. Схема гелій-неонового лазера, побудованого Джаваном, Беннеттом та Херіоттом

У 1960 р. Джаван, Беннетт та Херіотт нарешті випробували свій лазер. Спочатку вони намагалися здійснити електричний розряд у кварцовій трубці, що містить газову суміш за допомогою потужного магнетрону, але трубка плавилася. Довелося переробити апаратуру та внести зміни. 12 грудня 1960 р. вони почали працювати з новою трубкою та організацією розряду. Вони намагалися налаштувати дзеркала, щоб отримати лазерну генерацію, але безуспішно. Потім, опівдні, Херіотт побачив сигнал: «Я, як завжди, повертав мікрометричні гвинти одного з дзеркал, коли раптово з'явився сигнал на осцилографі. Ми налаштували монохроматор і зареєстрували пік сигналу довжині хвилі 1,153 мкм, тобто. на очікуваній довжині хвилі». Народився перший лазер, що використовує газ як активне середовище, і працює в безперервному режимі! Його випромінювання було у ближньому ІЧ-діапазоні і тому невидиме оком. Для реєстрації був потрібен відповідний приймач, пов'язаний з осцилографом.

А шість місяців тому, технік Ед Баллік, який допомагав у роботі, пізніше отримав ступінь в Оксфордському Університеті і викладав у Канаді, купив пляшку вина столітньої давності. Вона призначалася для урочистого моменту з нагоди роботи лазера. Коли, нарешті, експерименти зі створення лазера призвели до успіху, через кілька днів Джаван зателефонував главі Bell Labs і запросив його обмити подію столітнім вином. Той страшенно зрадів, але потім вигукнув: «Чорт, Алі. У нас проблема!". Це сталося вранці, Джаван, так і не зрозумів у чому проблема. Але опівдні по лабораторії був поширений циркуляр, який уточнює попередній, випущений кількома місяцями раніше, і забороняє розпивання алкоголю біля наукового центру. Уточнення забороняло розпивати будь-який алкоголь, вік якого не досяг 100 років. Після цього вони підняли келихи за успіх, не порушивши правила!

Перший лазер працював на переході з довжиною хвилі 1,15 мкм, ближньому ІЧ-діапазоні. Джаван використовував дзеркала, які мали максимальне відображення на цій довжині хвилі, що відповідає одному з можливих переходів неону. Він знав, що були й інші довжини хвиль. Він вибрав цю довжину хвилі, оскільки його дослідження показали, що на ній очікується найбільше посилення. Щоб використовувати переходи у видимій області, була потрібна трубка з таким малим діаметром, що неможливо було налаштувати плоскі дзеркала, які тоді використовувалися для резонатора Фабрі-Перо.

У лазері Джавана розрядна трубка містила неон і гелій при тиску 0,1 та 1 торр відповідно (1 торр – майже тисячна частина тиску в одну атмосферу). Трубка з плавленого кварцу мала довжину 80 см і діаметр 1,5 см. На кожному кінці була металева порожнина, в яких були плоскі дзеркала з високим відображенням. Використовувалися гнучкі рукави (сільфони), що дозволяють мікрометричними гвинтами налаштовувати (шляхом прецизійних нахилів) дзеркала Фабрі-Перо. Це дозволяло забезпечити паралельність із точністю до 6 кутових секунд. На кінцях розташовувалися плоскі скляні вікна з поверхнями, відполірованими з точністю, кращою за 100 А. Вони дозволяли випускати пучок випромінювання без спотворень. Електричний розряд збуджувався за допомогою зовнішніх електродів, використовуючи генератор на 28 МГц потужністю 50 Вт. Дзеркала з високим відображенням виходили напиленням 13 шарів діелектричних матеріалів (MgF 2 ZnS). В області між 1,1 та 1,2 мкм коефіцієнт відображення був 98,9%. Лазер працював у безперервному режимі і був першим лазером цього типу.

Наслідуючи приклад Hughes, дослідницький центр Bell Labs також влаштував публічну демонстрацію гелій-неонового лазера 14 грудня 1960 р. Щоб продемонструвати можливу важливість для комунікацій, було організовано передачу телефонної розмови, використовуючи пучок лазерного випромінювання, який модулювався телефонним сигналом.

Цей лазер стали називати He-Ne-лазером, використовуючи хімічні символи його компонента для назви. Він був представлений пресі 31 січня 1961 р. Робота, що описує його, була опублікована 30 грудня 1960 в Physical Review Letters.

У той час, коли Джаван проводив експерименти навесні 1960 р., два дослідники Bell Labs, А. Фокс і Т. Лі стали вивчати питання, які моди існують в резонаторі Фабрі-Перо. Справа в тому, що резонатор Фабрі-Перо дуже відрізняється від мікрохвильових резонаторів у вигляді замкнутих порожнин. Вони визначили вигляд цих мод, і їх результат спонукав інших дослідників Bell Labs, Гері Д. Бонда, Джеймса Гордона та Хервіга Когельника, знайти аналітичні рішення у разі дзеркал сферичної форми. Важливість вивчення оптичних резонаторів у розвиток газових лазерів не можна недооцінювати. До того як були отримані ці результати, газовий лазер був, у кращому випадку, маргінальним пристроєм, генерація якого сильно залежала від юстування кінцевих дзеркал. Теоретичні дослідження резонаторів зі сферичними дзеркалами показали, що можуть бути зміни, що слабко залежать від юстування дзеркал, а внутрішні втрати в резонаторі можуть бути меншими, ніж у резонаторі з плоскими дзеркалами. Це дозволяє використовувати активні середовища із значно меншими, ніж думали раніше, посиленнями. Від резонатора із плоскими дзеркалами практично відмовилися, і всі відкриття нових газових лазерів робилися за допомогою резонаторів зі сферичними дзеркалами.

У 1961 р. у Bell Labs розпочалася велика програма лазерних досліджень. Дослідників, зайнятих іншими проблемами, переорієнтували на нову тематику, було прийнято нових співробітників. Рішення використовувати в резонаторі два однакові сферичні дзеркала, розташовані в положенні їх фокусів (така конфігурація називається конфокальним резонатором), показало, яких труднощів міг би уникнути Джаван, якби використовував такий резонатор. В результаті, Вільям В. Рігрод, Хервіг Когельник, Дональд Р. Херіотт і Д. Дж. Брангачіо побудували навесні 1962 перший конфокальний резонатор зі сферичними дзеркалами, які концентрують світло до осі розрядної трубки, причому ці дзеркала поміщалися поза трубкою. Це дозволило отримати генерацію на червоній лінії 6328 А. Частина світла неминуче втрачається при відбиття від поверхонь вікон (френелівське відбиття). Цих втрат, однак, можна уникнути, якщо нахилити вікна під певним кутом, що називається кутом Брюстера. В цьому випадку для світла певної поляризації втрати практично дорівнюють нулю. Така нова конфігурація лазера показано на рис. 57.

Рис. 57. Конфокальний оптичний резонатор. Трубка, у якій газ збуджується електричним розрядом, закрита віконцями, нахиленими під кутом Брюстера. Увігнуті дзеркала з рівними радіусами кривизни розташовуються за трубкою так, щоб відстань між ними дорівнювала радіусу кривизни

Червоний He-Ne-лазер став широко застосовуватися і досі знаходить використання, зокрема, в медицині. Крім того, він сильно сприяє розумінню принципових відмінностей між лазерним (високогерентним) і звичайним (некогерентним) світлом. За допомогою цього лазера легко спостерігаються явища інтерференції, а також модова структура лазерного пучка, яка легко та наочно змінюється невеликим нахилом дзеркала резонатора. Також стимулювалася розробка інших, численних типів лазерів.

Сучасний He-Ne-лазер може генерувати одному з кількох переходах, показаних на рис. 54. Для цього могошарові дзеркала виготовляються з максимальним відображенням потрібної довжини хвилі. Генерація виходить на довжинах хвиль 3,39 мкм, 1,153 мкм, 6328 А і навіть при використанні особливих дзеркал, на довжинах хвиль 5433 А (зелена лінія), 5941 А (жовта лінія), 6120 А (помаранчева).

З книги автора

Другий твердотільний лазер У вересні 1959 р. Таунс організував конференцію «Квантова електроніка – резонансні явища», на якій, хоча лазер ще не був створений, більшість неформальних дискусій концентрувалися на лазерах. У цій конференції взяли участь Петер

З книги автора

Цезієвий лазер 1961 був роком реалізації ще двох лазерів, над якими фахівці працювали з самого початку появи концепції лазера. Одним із них був цезієвий лазер. Після того, як Таунс і Шавлов написали свою роботу, було вирішено, що Таунс спробує побудувати лазер.

З книги автора

Неодимовий лазер Інший лазер, запущений в 1961 р. і одним з головних, що все ще залишається, - лазер на неодимовому склі. У 1959-1960 pp. Американська Оптична Компанія також зацікавилася лазерними дослідженнями, які проводив один із її вчених, Еліас Снітцер. Ця

З книги автора

Чи існує лазер у природі? Відповідь, мабуть, так! Лазерне випромінювання з довжиною хвилі близько 10 мкм (типова лінія випромінювання двоокису вуглецю, на якому працюють потужні СO2 лазери, що знаходять широке застосування, зокрема для механічної обробки матеріалів)

З книги автора

Лазер і Місяць Bell Labs використовувала один із перших лазерів для досліджень рельєфу поверхні Місяця. Під час експедиції Аполлон 11, відправленої на Місяць 21 липня 1969, астронавти встановили на її поверхні два кутових відбивачі, здатних відбивати лазерне світло,

Метою роботи є дослідження основних характеристик та параметрів газового лазера, як активна речовина в якій використовується суміш газів гелію та неону.

3.1. Принцип дії гелій-неонового лазера

Гелій-неоновий лазер є типовим та найпоширенішим газовим лазером. Він відноситься до атомарних газових лазерів та його активним середовищем служить суміш нейтральних (неіонізованих) атомів інертних газів – гелію та неону. Неон є робочим газом і між його енергетичними рівнями відбуваються переходи з випромінюванням когерентного електромагнітного випромінювання. Гелій виконує роль допоміжного газу та сприяє збудженню неону та створенню в ньому інверсії населеності.

Для початку генерації в будь-якому лазері повинні бути виконані дві найважливіші умови:

1. Між робочими лазерними рівнями має існувати інверсія населеності.

2. Посилення в активному середовищі повинне перевищувати всі втрати в лазері, у тому числі «корисні» втрати на виведення випромінювання.

Якщо в системі існують два рівні Е 1 і Е 2 з числом частинок кожному з них відповідно N 1 і N 2 та ступенем виродження g 1 і g 2 , то інверсія населення відбуватиметься, коли населеність N 2 /g 2 верхнього рівня Е 2 буде більше населеності N 1 /g 1 нижнього рівня Е 1 , тобто ступінь інверсії Δ Nбуде позитивна:

Якщо рівні Е 1 і Е 2 невироджені, то для виникнення інверсії необхідно, щоб кількість частинок N 2 на верхньому рівні Е 2 було більше кількості частинок N 1 на нижньому рівні Е 1 . Рівні, між якими можливе утворення інверсії населеностей та виникнення вимушених переходів з випромінюванням когерентного електромагнітного випромінювання, називають робочими лазерними рівнями.

Стан з інверсією населення створюється за допомогою накачування- Порушення атомів газу різними методами. За рахунок енергії зовнішнього джерела, що називається джерелом накачування, атом Ne з основного рівня енергії E 0 , відповідного стану термодинамічної рівноваги, перетворюється на збуджений стан Ne*. Переходи можуть відбуватися різні енергетичні рівні залежно від інтенсивності накачування. Далі відбуваються спонтанні або вимушені переходи на рівні енергії нижче.

Найчастіше немає необхідності розглядати всі можливі переходи між усіма станами у системі. Це дає можливість говорити про дво-, три- та чотирирівневі схеми роботи лазерів. Вигляд схеми роботи лазера визначається властивостями активного середовища, а також методом накачування, що використовується.

Гелій-неоновий лазер працює за трирівневою схемою, як показано на рис. 3.1. У цьому випадку канали накачування та генерації випромінювання частково розділені. Накачування активної речовини викликає переходи з основного рівня E 0 на збуджений рівень E 2 , що призводить до виникнення інверсії населення між робочими рівнями E 2 та E 1 . Активне середовище, що перебуває у стані з інверсією населеностей робочих рівнів, здатне посилювати електромагнітне випромінювання з частотою
за рахунок процесів вимушеного випромінювання.

Рис. 3.1. Схема енергетичних рівнів робочого та допоміжного газу, що пояснює роботу гелій-неонового лазера

Так як розширення рівнів енергії в газах мало і широкі смуги поглинання відсутні, отримання інверсної населеності за допомогою оптичного випромінювання утруднено. Однак у газах можливі інші методи накачування: пряме електронне збудження та резонансна передача енергії під час зіткнення атомів. Порушення атомів при зіткненні з електронами може бути найпростіше здійснено в електричному розряді, де прискорені електричним полем електрони можуть набути значної кінетичної енергії. При непружних зіткненнях електронів з атомами останні переходять у збуджений стан E 2:

Важливо, що процес (3.4) має резонансний характер: ймовірність передачі енергії буде максимальна, якщо збуджені енергетичні стани різних атомів збігаються, тобто перебувають у резонансі.

Докладно рівні енергії Не та Ne та основні робочі переходи схематично зображені на рис. 3.2. Переходи, що відповідають непружним взаємодіям атомів газів зі швидкими електронами (3.2) та (3.3), показані пунктирними стрілками вгору. Атоми гелію в результаті електронного удару порушуються на рівні 2 1 S 0 і 2 3 S 1 які є метастабільними. Випромінювальні переходи в гелії в основний стан 1 S 0 заборонені правилами відбору. При зіткненні збуджених атомів Не з атомами Ne, що знаходяться в основному стані 1 S 0 можлива передача збудження (3.4), і неон переходить на один з рівнів 2S або 3S. При цьому виконується умова резонансу, оскільки енергетичні зазори між основними та збудженими станами у допоміжному та робочому газі близькі між собою.

З рівнів 2S та 3S неону можуть відбуватися випромінювальні переходи на рівні 2Р та 3Р. Рівні Р менш заселені, ніж верхні рівні S, оскільки пряма передача енергії від атомів He ці рівні немає. Крім того, рівні Р мають малий час життя, і безвипромінювальний перехід Р→1S спустошує рівні Р. Таким чином, виникає ситуація (3.1), коли населеність верхніх рівнів S вище за населеність нижчележачих рівнів Р, тобто між рівнями S і P виникає інверсія населеності, отже переходи з-поміж них можуть використовуватися для лазерної генерації.

Оскільки число рівнів S і Р велике, то можливий великий набір різних квантових переходів між ними. Зокрема, із чотирьох рівнів 2S на десять рівнів 2Р правилами відбору дозволено 30 різних переходів, на більшості з яких отримано генерацію. Найбільш сильною лінією випромінювання при переходах 2S→2Р є лінія 11523 мкм (інфрачервона область спектру). Для переходів 3S→2Р найбільша лінія 0,6328 мкм (червона область), а для 3S→3Р – 3,3913 мкм (ІЧ-область). Спонтанне випромінювання відбувається усім перелічених довжинах хвиль.

Рис. 3.2. Енергетичні рівні атомів гелію та неону та схема роботи He-Ne-лазера

Як зазначалося раніше, після випромінювальних переходів рівні Р відбувається безвипромінювальний радіаційний розпад при переходах Р→1S. На жаль, рівні неону 1S є метастабільними, і якщо в газовій суміші немає інших домішок, то єдиним способом переходу атомів неону в основний стан з рівня 1S є зіткнення зі стінками судини. Тому посилення системи збільшується при зменшенні діаметра розрядної трубки. Оскільки стани 1S неону спустошуються повільно, то атоми Nе затримуються у цих станах, що дуже небажаним і визначає ряд особливостей цього лазера. Зокрема, при збільшенні струму накачування вище за порогове значення jпір відбувається швидке збільшення, а потім насичення і навіть спад потужності лазерного випромінювання, що якраз і пояснюється накопиченням робочих частинок на рівнях 1S і потім їх перекиданням стану 2Р або 3Р при зіткненні з електронами. Це не дає змоги отримувати високі вихідні потужності випромінювання.

Виникнення інверсної населеності залежить від тиску He і Ne у суміші та температури електронів. Оптимальні значення тисків газів становлять Не 133 Па, для Ne – 13 Па. Температура електронів задається напругою, що прикладається до газової суміші. Зазвичай ця напруга підтримується лише на рівні 2…3 кВ.

Для отримання лазерної генерації необхідно, щоб у лазері існував позитивний зворотний зв'язок, інакше прилад працюватиме тільки як підсилювач. Для цього активне газове середовище поміщають оптичний резонатор. Крім створення зворотного зв'язку, резонатор використовується для селекції типів коливань і відбору довжини хвилі генерації, для чого застосовуються спеціальні селективні дзеркала.

При рівнях накачування, близьких до порогового, легко здійснюється генерація на одному типі коливань. Зі збільшенням рівня збудження, якщо не вживається спеціальних заходів, виникає низка інших мод. У цьому випадку генерація відбувається на частотах, близьких до резонансним частот резонатора, які укладені в межах ширини атомної лінії. У разі аксіальних типів коливань (ТЕМ 00-мод) відстань по частоті між сусідніми максимумами
, де L- Довжина резонатора. В результаті одночасної присутності кількох мод у спектрі випромінювання виникають биття та неоднорідності. Якби існували тільки аксіальні моди, то спектр був би окремими лініями, відстань між якими була б рівною c / 2L. Але в резонаторі можливе також збудження неаксіальних типів коливань, наприклад ТЕМ 10 мод, наявність яких сильно залежить від налаштування дзеркал. Тому спектрі випромінювання з'являються додаткові лінії-супутники, розташовані симетрично по частоті з обох боків від аксіальних типів коливань. Виникнення нових типів коливань зі збільшенням рівня накачування легко визначається візуальному спостереженні структури поля випромінювання. Також візуально можна спостерігати вплив юстування резонатора на структуру когерентного мод випромінювання.

Гази в порівнянні з конденсованими середовищами мають більшу однорідність. Тому світловий промінь у газі меншою мірою спотворюється і розсіюється, а випромінювання гелій-неонового лазера характеризується хорошою стабільністю частоти та високою спрямованістю, яка досягає своєї межі, обумовленої дифракційними явищами. Дифракційна межа розбіжності для конфокального резонатора

де - довжина хвилі; d 0 – діаметр світлового пучка у найбільш вузькій його частині.

Випромінювання гелій-неонового лазера характеризується високим ступенем монохроматичності та когерентності. Ширина ліній випромінювання такого лазера значно більша за «природну» ширину спектральної лінії і на багато порядків менше граничного ступеня дозволу сучасних спектрометрів. Тому для її визначення проводять вимір спектру биття різних мод у випромінюванні. Крім того, випромінювання лазера плоскополяризовано через застосування вікон, розташованих під кутом Брюстера до оптичної осі резонатора.

Доказом когерентності випромінювання може бути спостереження дифракційної картини при накладенні випромінювань, отриманих із різних точок джерела. Наприклад, когерентність можна оцінити, спостерігаючи інтерференцію від кількох щілин. З досвіду Юнга відомо, що спостереження інтерференції світла від звичайного «класичного» джерела випромінювання спочатку пропускають через одну щілину, та був через дві щілини, і тоді екрані утворюються інтерференційні лінії. У разі використання лазерного випромінювання перша щілина виявляється непотрібною. Ця обставина є важливим. Крім того, відстань між двома щілинами та їх ширина можуть бути незрівнянно більшими, ніж у класичних дослідах. У вихідного вікна газового лазера мають дві щілини, відстань між якими 2 a. У випадку, коли падаюче випромінювання когерентно, на екрані, розташованому на відстані dвід щілин, спостерігатиметься інтерференційна картина. При цьому відстань між максимумами (мінімумами) смуг

Найпоширенішим газовим лазером є гелій-неоновий ( He-Ne) лазер (лазер на нейтральних атомах), який працює на суміші гелію та неону у співвідношенні 10:1. Цей лазер також є першим лазером безперервної дії.

Розглянемо енергетичну схему рівнів гелію та неону (рис.3.4). Генерація відбувається між рівнями неону, а гелій додається реалізації процесу накачування. Як видно з малюнка, рівні 2 3 S 1і 2 1 S 0гелію розташовані, відповідно, близько до рівнів 2sі 3sнеону. Оскільки рівні гелію 2 3 S 1і 2 1 S 0є метастабільними, то при зіткненні метастабільних збуджених атомів гелію з атомами неону відбудеться резонансна передача енергії до атомів неону (співдарення другого роду).

Таким чином, рівні 2sі 3sнеона можуть заселятися і, отже, із цих рівнів може йти генерація. Час життя s-станів ( t s»100 нс) набагато більше часу життя р-станів ( t р»10 нс), тому виконується умова для роботи лазера за чотирирівневою схемою:

1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .

Лазерна генерація можлива на одному з переходів a, b, cвідповідно до довжин хвиль l а=3,39 мкм, l b=0,633 мкм, l з=1,15 мкм, які можна одержати підбором коефіцієнта відбиття дзеркал резонатора або введенням в резонатор дисперсійних елементів.

Рис. 3.4. Схема енергетичних рівнів гелію та неону.

Розглянемо генераційну характеристику такого лазера.

Рис.3.5. Генераційна характеристика гелій-неонового лазера

Початковий зростання вихідний потужності зі збільшенням струму накачування пояснюється інверсією населеності. Після досягнення максимальної потужності при подальшому збільшенні струму накачування крива починає спадати. Це тим, що 2р і 1s рівні не встигають релаксувати, тобто. електрони не встигають перейти на низький енергетичний рівень та кількість електронів на сусідніх 2р та 1s рівнях стає однаковою. І тут відсутня інверсія.

ККД гелій-неонових лазерів має порядок 0,1%, що пояснюється низькою об'ємною щільністю збуджених частинок. Вихідна потужність типового He-Ne-лазера P~5-50 мВт, розбіжність q~1 мрад.

Аргоновий лазер

Це найпотужніші лазери безперервної дії у видимій та ближній ультрафіолетовій області спектру, що відносяться до іонних газових лазерів. Верхній лазерний рівень у робочому газі заселяється завдяки двом послідовним зіткненням електронів при електричному розряді. При першому зіткненні утворюються іони з нейтральних атомів, а другому відбувається збудження цих іонів. Отже, накачування є двоступінчастим процесом, ефективність кожного з яких пропорційна щільності струму. Для здійснення ефективного накачування необхідні досить великі щільності струму.

Діаграма енергетичних рівнів лазера Ar +показано на рис. 3.3. Випромінювання лазера в лініях між 454,5 нм та 528,7 нм відбувається при заселенні групи рівнів 4pшляхом порушення електронним ударом основного чи метастабільних станів Ar +.

3.5 СО 2-лазер

Молекулярні СО 2-Лазери є серед газових лазерів найпотужнішими безперервними лазерами, внаслідок найбільшого ККД перетворення електричної енергії в енергію випромінювання (15-20%). Лазерна генерація відбувається на коливально-обертальних переходах і лінії випромінювання цих лазерів знаходяться у дальній ІЧ-області, які розташовані на довжинах хвиль 9,4 мкм та 10,4 мкм.

У СО 2-лазере використовується суміш газів СО 2, N 2і He. Накачування здійснюється безпосередньо при зіткненнях молекул СО 2з електронами та коливально збудженими молекулами N 2. Висока теплопровідність He у суміші сприяє охолодженню СО 2що призводить до збіднення нижнього лазерного рівня, що заселяється в результаті теплового збудження. Таким чином, присутність N 2у суміші сприяє високій заселеності верхнього лазерного рівня, а присутність He– збіднінню нижнього рівня, а результаті разом вони призводять до підвищення інверсії населеностей. Діаграма енергетичних рівнів СО 2-лазера показано на рис. 3.4. Лазерна генерація здійснюється при переході між коливальними станами молекули СО 2 n 3 Þn 1або n 3 Þn 2із зміною обертального стану.

Рис. 3.4. Діаграма енергетичних рівнів N 2і СО 2в СО 2-Лазері.

СО 2Лазер може працювати як у безперервному, так і в імпульсних режимах. У безперервному режимі його вихідна потужність може досягати кількох кіловат.