gaz lazerlari. Geliy neon lazer

Geliy-neon lazer - diod yoki yarimo'tkazgich bilan birga - spektrning ko'rinadigan hududi uchun eng ko'p ishlatiladigan va eng arzon lazerlardan biridir. Asosan tijorat maqsadlarida mo'ljallangan ushbu turdagi lazer tizimlarining quvvati 1 mVt dan bir necha o'n mVt gacha. Ayniqsa, 1 mVt hajmdagi kamroq kuchli He-Ne lazerlari mashhur bo'lib, ular asosan kotirovka qiluvchi qurilmalar sifatida, shuningdek o'lchash texnologiyasi sohasidagi boshqa muammolarni hal qilish uchun ishlatiladi. Infraqizil va qizil diapazonlarda geliy-neon lazeri tobora ko'proq diodli lazer bilan almashtirilmoqda. He-Ne lazerlari qizil chiziqlarga qo'shimcha ravishda to'q sariq, sariq va yashil chiziqlarni chiqarishga qodir, bunga tegishli selektiv nometalllar tufayli erishiladi.

Energiya darajasi diagrammasi

He-Ne lazerlarining funktsiyasi uchun eng muhim bo'lgan geliy va neonning energiya darajalari 2-rasmda ko'rsatilgan. 1. Lazer o'tishlari neon atomida sodir bo'ladi, eng qizg'in chiziqlar to'lqin uzunligi 633, 1153 va 3391 bo'lgan o'tishlar natijasida yuzaga keladi (1-jadvalga qarang).

Neonning asosiy holatidagi elektron konfiguratsiyasi quyidagicha ko'rinadi: 1s22s22p6 bu erda birinchi qobiq (n = 1) va ikkinchi qobiq (n = 2) mos ravishda ikki va sakkiz elektron bilan to'ldirilgan. Shaklga muvofiq yuqori shtatlar. 1 bu erda 1s22s22p5 qobiq mavjudligi va yorug'lik (optik) elektronning sxema bo'yicha qo'zg'alishi natijasida paydo bo'ladi: 3s, 4s, 5s, ..., 3p, 4p, ... va hokazo. Shuning uchun biz qobiq bilan aloqani amalga oshiradigan bir elektronli holat haqida gapiramiz. uchun LS (Russell-Saunders) sxemasida energiya darajalari neon bir elektronli holat (masalan, 5s), shuningdek, hosil bo'lgan umumiy orbital momentum L (= S, P, D...) bilan ko'rsatiladi. S, P, D,... yozuvida pastki indeks jami orbital momentni J, yuqorisi esa 2S + 1 ko'pligini ko'rsatadi, masalan, 5s1P1. Ko'pincha Paschenga ko'ra sof fenomenologik belgi qo'llaniladi (1-rasm). Bunday holda, qo'zg'atilgan elektron holatlarning pastki darajalari 2 dan 5 gacha (s-holatlar uchun) va 1 dan 10 gacha (p-holatlar uchun) hisoblanadi.

Guruch. 1. He-Ne lazerining energiya darajalari sxemasi. Neon darajalari Pashen bo'yicha belgilanadi, ya'ni: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 va boshqalar.

Jadval 1. He-Ne lazerining intensiv chiziqlari o'tishlari uchun belgilar

Qo'zg'alish

Geliy-neon lazerining faol muhiti hisoblanadi gaz aralashmasi, unga zarur energiya elektr razryadda beriladi. Yuqori lazer darajalari (Paschen bo'yicha 2s va 2p) metastabil geliy atomlari (23S1, 21S0) bilan to'qnashuvlar asosida tanlab to'planadi. Ushbu to'qnashuvlar paytida nafaqat kinetik energiya almashinuvi, balki energiyaning qo'zg'atilgan geliy atomlaridan neon atomlariga o'tishi ham sodir bo'ladi. Bu jarayon ikkinchi turdagi to'qnashuv deb ataladi:

U* + Ne -> U + Ne* + DE, (1)

bu erda yulduzcha (*) hayajonlangan holatni anglatadi. 2s darajadagi qo'zg'alish holatidagi energiya farqi: &DeltaE=0,05 eV. To'qnashuvda mavjud farq kinetik energiyaga aylanadi, keyin esa issiqlik shaklida taqsimlanadi. 3-darajali uchun bir xil munosabatlar sodir bo'ladi. Bunday rezonans energiyaning geliydan neonga o'tishi populyatsiya inversiyasini yaratishda asosiy nasos jarayonidir. Bunday holda, metastabil holatning uzoq umr ko'rishi U yuqori lazer darajasidagi populyatsiyaning selektivligiga ijobiy ta'sir ko'rsatadi.

He-atomlarning qo'zg'alishi elektronlarning to'qnashuvi asosida to'g'ridan-to'g'ri yoki yuqori sathlardan qo'shimcha kaskadli o'tishlar orqali sodir bo'ladi. Uzoq muddatli metastabil holatlar tufayli, bu holatlardagi geliy atomlarining zichligi juda yuqori. Yuqori lazer darajalari 2s va 3s - elektr Doppler o'tishlarini tanlash qoidalariga rioya qilgan holda - faqat pastki p-darajalarga o'tishi mumkin. Lazer nurlanishini muvaffaqiyatli ishlab chiqarish uchun s-holatlarining ishlash muddati (lazerning yuqori darajasi) = taxminan 100 ns p-holatlarining (pastki lazer darajasi) = 10 ns dan oshishi juda muhimdir.

To'lqin uzunliklari

Keyinchalik, biz rasmdan foydalanib, eng muhim lazer o'tishlarini batafsil ko'rib chiqamiz. 1 va 1-jadval ma'lumotlari. Spektrning qizil mintaqasidagi eng mashhur chiziq (0,63 mkm) 3s2 → 2p4 o'tish tufayli paydo bo'ladi. Pastki daraja 10 ns davomida spontan emissiya natijasida 1s darajasiga bo'linadi (1-rasm). Ikkinchisi elektr dipol nurlanishi tufayli bo'linishga chidamli, shuning uchun u uzoq tabiiy hayotga ega. Shuning uchun atomlar bu holatda to'plangan bo'lib, bu aholi juda ko'p bo'lib chiqadi. Gaz razryadda bu holatdagi atomlar elektronlar bilan to'qnashadi, so'ngra 2p va 3s darajalari yana qo'zg'aladi. Bunday holda, populyatsiyaning inversiyasi kamayadi, bu lazer kuchini cheklaydi. ls-holatning kamayishi geliy-neon lazerlarda asosan gaz chiqarish trubkasi devori bilan to'qnashuv natijasida yuzaga keladi va shuning uchun trubka diametrining oshishi bilan daromadning pasayishi va samaradorlikning pasayishi kuzatiladi. Shuning uchun amalda diametri taxminan 1 mm bilan chegaralanadi, bu esa, o'z navbatida, He-Ne lazerlarining chiqish quvvatini bir necha o'n mVtgacha cheklaydi.

Lazerli o'tishda ishtirok etuvchi 2s, 3s, 2p va 3p elektron konfiguratsiyalari ko'plab pastki darajalarga bo'lingan. Bu, masalan, 2-jadvaldan ko'rinib turibdiki, spektrning ko'rinadigan mintaqasida keyingi o'tishlarga olib keladi. He-Ne lazerining barcha ko'rinadigan chiziqlari uchun kvant samaradorligi 10% ni tashkil qiladi, bu emas. juda yuqori. Darajali diagramma (1-rasm) yuqori lazer sathlari zamin holatidan taxminan 20 eV balandlikda ekanligini ko'rsatadi. Qizil lazer nurlanishining energiyasi atigi 2 eV ni tashkil qiladi.

Jadval 2. He-Ne lazerining to'lqin uzunligi l, chiqish quvvati va chiziq kengligi D ƒ (Paschen o'tish belgisi)

Rang	λ nm	O'tish (Pashenning so'zlariga ko'ra)	Quvvat mVt	Δ ƒ MGts	Daromad %/m
Infraqizil	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Infraqizil	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Infraqizil	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Qizil	640	3s2 → 2p2
Qizil	635	3s2 → 2p3
Qizil	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Qizil	629	3s2 → 2p5
apelsin	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
apelsin	604	3s2 → 2p7
Sariq	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Sariq	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

1,157 mkm atrofida infraqizil diapazondagi nurlanish 2s → 2p o'tishlari orqali paydo bo'ladi. Xuddi shu narsa 1,512 mkm bo'lgan biroz zaifroq chiziq uchun ham amal qiladi. Ushbu ikkala infraqizil chiziqlar tijorat lazerlarida qo'llaniladi.

3,391 mkm IR diapazonidagi chiziqning xarakterli xususiyati yuqori daromad hisoblanadi. Zaif signallar zonasida, ya'ni zaif yorug'lik signallarining bir marta o'tishi bilan u taxminan 20 dB / m ni tashkil qiladi. Bu 1 metr uzunlikdagi lazer uchun 100 omilga to'g'ri keladi. Yuqori lazer darajasi ma'lum qizil o'tish bilan bir xil (0,63 mikron). Yuqori daromad, bir tomondan, pastroq 3p darajasida juda qisqa umr ko'rish bilan bog'liq. Boshqa tomondan, bu nisbatan uzun to'lqin uzunligi va shunga mos ravishda nurlanishning past chastotasi bilan bog'liq. Odatda rag'batlantirilgan va spontan emissiya nisbati past chastotalar uchun ortadi ƒ. Zaif signallarning kuchayishi g, qoida tariqasida, g ~ƒ2 ga proportsionaldir.

Selektiv elementlarsiz He-Ne lazeri 0,63 mkm qizil mintaqada emas, 3,39 mkm chiziqda chiqaradi. Infraqizil chiziqning qo'zg'alishi selektiv bo'shliq oynasi yoki gaz chiqarish trubasining Brewster oynalarida so'rilishi bilan oldini oladi. Shu sababli, lazer hosil qilish chegarasi 3,39 mkm nurlanish uchun etarli darajaga ko'tarilishi mumkin, shuning uchun bu erda faqat zaifroq qizil chiziq paydo bo'ladi.

Dizayn

Qo'zg'alish uchun zarur bo'lgan elektronlar 5 dan 10 mA gacha bo'lgan oqimlarda taxminan 12 kV kuchlanish bilan ishlatilishi mumkin bo'lgan gaz zaryadida (2-rasm) hosil bo'ladi. Chiqarishning odatiy uzunligi 10 sm yoki undan ko'p, tushirish kapillyarlarining diametri taxminan 1 mm va chiqarilgan lazer nurining diametriga to'g'ri keladi. Gaz chiqarish trubasining diametrining oshishi bilan koeffitsient foydali harakat kamayadi, chunki ls darajasini bo'shatish uchun quvur devori bilan to'qnashuvlar talab qilinadi. Optimal quvvat chiqishi uchun umumiy to'ldirish bosimi (p) ishlatiladi: p · D = 500 Pa · mm, bu erda D - trubaning diametri. He/Ne aralashmasidagi nisbat kerakli lazer chizig'iga bog'liq. Ma'lum bo'lgan qizil chiziq uchun bizda He: Ne = 5: l, va taxminan 1,15 mkm bo'lgan infraqizil chiziq uchun - He: Ne=10: l. Muhim jihat ham joriy zichlikni optimallashtirishdir. 633 nm chiziq uchun samaradorlik taxminan 0,1% ni tashkil qiladi, chunki bu holda qo'zg'alish jarayoni unchalik samarali emas. Geliy-neon lazerining xizmat qilish muddati taxminan 20 000 ish soatini tashkil qiladi.

Guruch. 2. mVt diapazonda qutblangan nurlanish uchun He-Ne lazerini loyihalash

Bu sharoitda kuchayishi g=0,1 m-1 ga teng, shuning uchun yuqori aks ettiruvchi oynalardan foydalanish kerak. Lazer nuridan chiqish uchun u erda faqat bir tomonda qisman o'tkazuvchan (yarim shaffof) oyna (masalan, R = 98%), boshqa tomondan esa eng yuqori aks ettiruvchi (~ 100%) oyna o'rnatiladi. Boshqa ko'rinadigan o'tishlar uchun daromad ancha past (2-jadvalga qarang). Tijorat maqsadlari uchun ushbu liniyalar faqat 2015 yilda olingan o'tgan yillar juda kam yo'qotishlarga ega bo'lgan nometalllardan foydalanish.

Ilgari geliy-neon lazerida tushirish trubasining chiqish oynalari epoksi qatroni bilan o'rnatildi va nometall tashqariga o'rnatildi. Bu geliyning yopishtiruvchi orqali tarqalishiga olib keldi va suv bug'lari lazerga kirdi. Bugungi kunda bu oynalar metallni shishaga to'g'ridan-to'g'ri payvandlash yo'li bilan mahkamlanadi, bu esa geliy oqishini yiliga taxminan 1 Pa ga kamaytiradi. Kichik, ommaviy ishlab chiqarilgan lazerlar bo'lsa, oyna qoplamasi to'g'ridan-to'g'ri chiqish oynalariga qo'llaniladi, bu butun dizaynni sezilarli darajada osonlashtiradi.

Nurning xususiyatlari

Polarizatsiya yo'nalishini tanlash uchun gaz deşarj lampasi 2-rasmda ko'rsatilganidek, ikkita qiya joylashtirilgan derazalar bilan jihozlangan. 2, rezonatorga Brewster plitasi kiritilgan. Agar yorug'lik Brewster burchagi deb ataladigan burchak ostida tushsa va tushish tekisligiga parallel ravishda qutblangan bo'lsa, optik sirtdagi aks ettirish yo'qoladi. Shunday qilib, bu qutblanish yo'nalishi bo'lgan nurlanish Brewster oynasidan yo'qotishsiz o'tadi. Shu bilan birga, tushish tekisligiga perpendikulyar qutblangan komponentning aks ettirish qobiliyati ancha yuqori va lazerda bostiriladi.

Polarizatsiya nisbati (darajasi) (polarizatsiya yo'nalishidagi quvvatning ushbu yo'nalishga perpendikulyar quvvatga nisbati) an'anaviy tijorat tizimlari uchun 1000: 1 ni tashkil qiladi. Lazer ichki oynali Brewster plitalarisiz ishlaganda, qutbsiz nurlanish hosil bo'ladi.

Lazer odatda transvers TEM00 rejimida (eng past tartibli rejim) hosil qiladi va bir vaqtning o'zida bir nechta uzunlamasına (eksenel) rejimlar hosil bo'ladi. Ko'zgular orasidagi masofa (lazer rezonatorining uzunligi) L = 30 sm bo'lganda, intermode chastotalar oralig'i D ƒ` = c/2L = 500 MGts. Markaziy chastota 4,7 1014 Gts darajasida. Yorug'likning kuchayishi D ƒ = 1500 MGts (Doppler kengligi) oralig'ida sodir bo'lishi mumkinligi sababli, L = 30CM da uchta turli chastotalar chiqariladi: D ƒ/D ƒ`= 3. Ko'zgular orasidagi masofani kichikroq ishlatganda (<= 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 mVt atrofida geliy-neon lazerlari ko'pincha interferometriya yoki golografiyada qo'llaniladi. Bunday ommaviy ishlab chiqarilgan lazerlarning kogerent uzunligi 20 dan 30 sm gacha, bu kichik ob'ektlarning golografiyasi uchun juda etarli. Kattaroq kogerentlik uzunliklari ketma-ket chastota-selektiv elementlar yordamida olinadi.

Ko'zgular orasidagi optik masofa termal yoki boshqa ta'sirlar natijasida o'zgarganda, lazer rezonatorining eksenel tabiiy chastotalari siljiydi. Bir chastotali generatsiya bilan bu erda barqaror nurlanish chastotasi olinmaydi - u 1500 MGts chiziq kengligi oralig'ida nazoratsiz ravishda harakatlanadi. Qo'shimcha elektron boshqaruv orqali chastotani barqarorlashtirishga faqat chiziqning markazida erishish mumkin (tijorat tizimlar bir necha MGts chastota barqarorligiga ega bo'lishi mumkin). Tadqiqot laboratoriyalarida ba'zan geliy-neon lazerini 1 Gts dan kamroq diapazonga barqarorlashtirish mumkin.

Tegishli nometalllardan foydalangan holda, 4.2-jadvaldagi turli chiziqlar lazer nurini yaratish uchun hayajonlanishi mumkin. Eng ko'p ishlatiladigan ko'rinadigan chiziq 633 nm atrofida, odatda bir necha millivatt quvvatga ega. Taxminan 633 nm intensiv lazer chizig'ini bostirgandan so'ng, selektiv oynalar yoki prizmalardan foydalanish tufayli rezonatorda ko'rinadigan diapazondagi boshqa chiziqlar paydo bo'lishi mumkin (2-jadvalga qarang). Biroq, bu liniyalarning chiqish quvvatlari og'ir chiziqning chiqish quvvatining atigi 10% yoki undan ham kamroq.

Tijorat geliy neon lazerlari turli to'lqin uzunliklarida mavjud. Ularga qo'shimcha ravishda, ko'plab chiziqlarda hosil qiluvchi va turli xil kombinatsiyalarda ko'p to'lqin uzunlikdagi to'lqinlarni chiqarishga qodir bo'lgan lazerlar ham mavjud. Sozlanishi mumkin bo'lgan He-Ne lazerlarida prizmani burish orqali kerakli to'lqin uzunligini tanlash taklif etiladi.

Geliy neon lazer

Shavlovdan tashqari yana ikki Bell Labs tadqiqotchisi 1958 yilda lazer muammosi ustida ishlagan: Ali Yavan va Jon Sanders. Yavan kelib chiqishi eronlik edi. U 1954 yilda Towns qo'mitasida radiospektroskopiya mavzusida doktorlik dissertatsiyasini oldi. U to'rt yil davomida Towns guruhida qoldi, radio spektroskopiya va maserlar ustida ishladi. Dissertatsiyani himoya qilgandan so'ng, Tau Parij va Tokioda ta'tilda bo'lmaganida, Javan maserlar bilan ko'proq shug'ullana boshladi va Bell Labs guruhi ushbu mavzu bo'yicha eksperimental ishlarni nashr etishdan oldin uch darajali maser g'oyasini o'ylab topdi. U, xususan, uch darajali tizimda Raman effektidan foydalangan holda, populyatsiyaning inversiyasiz ko'payishini olish usulini topdi, ammo u o'z natijalarini Bell guruhiga qaraganda kechroq e'lon qildi.

1958 yil aprel oyida u Bell laboratoriyasida ish qidirayotganida Shavlov bilan gaplashdi, u unga lazerlar haqida gapirib berdi. 1958 yil avgust oyida u Bell laboratoriyasiga qabul qilindi va oktyabr oyida lazerlar bo'yicha tizimli tadqiqotlar boshlandi. Dastlab u erda axloqiy qiyinchiliklarga duch keldi. RCA ilgari uning uch darajali maser haqidagi yozuvlarini ko'rib chiqdi va uning sanalari Bell guruhinikidan oldinroq ekanligini aniqladi. RCA unga patent huquqi uchun 1000 dollar to'ladi va Javan allaqachon ishlayotgan Bell bilan nizo boshladi. Taxminan olti oy davomida Javan RCA va Bell Labs advokatlari bilan ishladi. Yaxshiyamki, RCA bozor tadqiqotlarini o'tkazdi va bu maser kuchaytirgichi foydali emasligiga ishonch hosil qilib, patentni Bell Labsga qoldirib, biznesni to'xtatdi.

Shunday qilib, Javan o'zini butunlay lazerga bag'ishlashi mumkin edi. U uni gazlar yordamida qurishni o'yladi va 1959 yilda o'zining taklif qilingan loyihasini "Fizika ko'rib chiqish xatlari"da e'lon qildi. U gazni faol vosita sifatida ishlatishga qaror qildi, chunki u bu oddiy moddaning tadqiqotni osonlashtirishiga ishongan. Biroq, u atomlarni to'g'ridan-to'g'ri hayajonlangan holatga tushirish uchun kuchli lampalardan foydalanish mumkin emas deb o'yladi va qo'zg'alishni toza neon muhitda elektronlar bilan to'g'ridan-to'g'ri to'qnashuv yoki ikkinchi turdagi to'qnashuvlar orqali ko'rib chiqdi. Ikkinchi holda, tushirish trubkasi ikkita gaz bilan to'ldiriladi, ular elektr razryaddagi elektronlar bilan to'qnashuvda qo'zg'aladigan birinchi gazning atomlari o'z energiyasini ikkinchi gazning atomlariga o'tkazib, ularni hayajonlantirishi uchun tanlangan. . Gazlarning ba'zi aralashmalari ushbu shartlarni qondiradigan energiya darajasidagi tuzilishga ega edi. Aslida, ikkinchi gazning energiya darajasi birinchi gazning qo'zg'alish energiyasiga deyarli teng energiyaga ega bo'lishi kerak. Gazlarning mumkin bo'lgan birikmalaridan Javan geliy va neon birikmasini tanladi, ularning darajalari shaklda ko'rsatilgan. 54. U har qanday jismoniy jarayon energiyaning darajalar bo'yicha Boltsman taqsimotini o'rnatishga intiladi, deb hisoblagan (ya'ni, quyi darajadagi aholi yuqoridagi aholi sonidan ko'p). Shuning uchun teskari populyatsiyaga ega bo'lgan muhitni statsionar jarayonda faqat har xil tezlikda davom etadigan turli fizik jarayonlar raqobati natijasida olish mumkin.

Buni maymunlar o'tirgan shoxlari bo'lgan daraxtga (55-rasmda ikkita) qarab yaxshiroq tushunish mumkin. Avval Boltzman statistikasiga ko'ra aholini ko'rib chiqing, ya'ni aytaylik, to'rtta maymun yuqori shoxda (1), beshtasi pastda (2) va oltitasi erda (3, asosiy daraja) o'tiradi. Bu uch darajadan asosiysi aholi eng ko‘p bo‘ladi va qanchalik baland bo‘lsa, aholi soni shunchalik kam bo‘ladi. Biroq, maymunlar bir joyda o'tirishmaydi, balki shoxlarga sakrashadi (masalan, bu har daqiqada sodir bo'ladi deb taxmin qilishimiz mumkin). Bunday holda, darajalardagi populyatsiyalar vaqt ichida bir xil bo'lib qoladi (muvozanat holati). Aytaylik, biz bir xil tezlikda novdalarni to'ldirishda davom etamiz (daqiqada bitta maymun), lekin bir vaqtning o'zida biz 2-novdani namlaymiz va uni silliq qilamiz. Endi maymunlar uning ustida, aytaylik, 10 soniyadan ortiq turolmaydilar. Shuning uchun bu shox tez tarqaladi va tez orada 1-tarmoqda 2-tarmoqqa qaraganda koʻproq maymunlar paydo boʻladi. Shunday qilib, maymunning turli shoxlarda yashash vaqti har xil boʻlganligi sababli teskari populyatsiya olinadi. Garchi bular juda ibtidoiy mulohazalar bo'lsa-da, ular Javaning fikrlarini tushunishga yordam beradi.

Geliy-neon aralashmasini tanlash optimal muhitni va'da qiladigan tizimni olish uchun sinchkovlik bilan tanlovdan o'tdi va faqat keyingi muvaffaqiyat Yavanga posteriori to'liq ishonchni keltirdi. U geliy-neonning eng yaxshi aralashmasi ekanligiga ishonch hosil qilganidan keyin ham, ko'plab skeptiklar unga gaz chiqishi juda xaotik ekanligini aytishdi. Ularning aytishicha, noaniqliklar juda ko'p edi va uning urinishlari yovvoyi g'ozni ovlashga o'xshaydi.

Guruch. 54. Geliy (He) va (Ne) ning energiya darajalari. Asosiy lazer o'tishlari ko'rsatilgan

55-rasm. Maymunlarning maymunlari Boltsman statistikasiga ko'ra taqsimlanadi. Yerda ularning soni ko'proq bo'lib, ularning soni shoxlarning balandligi bilan kamayadi.

Javan ko'p pul sarfladi, lekin, xayriyatki, tizim ishladi, aks holda ma'muriyat loyihani yopishga va tajribalarni to'xtatishga tayyor edi. Loyihaning oxiriga kelib, ushbu tadqiqot uchun ikki million dollar sarflandi. Garchi bu miqdor aftidan bo'rttirilgan bo'lsa-da, loyiha, shubhasiz, katta xarajatlarni talab qildi.

Shu bilan birga, Oksford universitetining eksperimental fizikasi Jon Sanders infraqizil lazerni amalga oshirishga harakat qilish uchun Bell laboratoriyasiga taklif qilindi. Ushbu tadqiqot uchun ajratilgan bir yildan kamroq vaqt mobaynida Sanders nazariy o'rganishga vaqt sarflamadi, lekin darhol ichida Fabry-Perot rezonatori bo'lgan oqindi trubkasida sof geliyni qo'zg'atishga qaror qildi. U razryad parametrlarini o'zgartirib, sinov va xatolik yo'li bilan lazer effektini olishga harakat qildi. Ko'zgularni bir-biriga parallel bo'lgan holda o'rnatish mumkin bo'lgan maksimal masofa 15 sm edi Sanders uzoqroq tushirish quvurlaridan foydalanmadi. Javan buni asosiy cheklov deb hisobladi. U gazdagi daromad juda kichik va Sanders rezonatori ishlamaydi, deb taxmin qildi. Javan ishlatgan naycha ancha uzunroq edi va Fabry-Perot nometalllarini bunday masofada sozlash juda qiyin bo'lganligi sababli, u birinchi navbatda ishlaydigan qurilma uchun kerakli parametrlarni aniqlashga qaror qildi, so'ngra ko'zgularni sinab ko'rish va sozlashga harakat qildi. xato. U shunday ishlagan. Ma'lum foyda olish uchun He-Ne rejimini tanlash bo'yicha barcha dastlabki ishlarsiz muvaffaqiyatga erishish mumkin emas edi.

Sanders Physical Review Letters-ga maktub yo'llab, flesh-chiroq bilan etarli darajada hayajonlangan atomlarni olish qiyinligini aytdi va elektron ta'sirida hosil bo'lgan qo'zg'alishdan foydalanishni taklif qildi. Bunday qo'zg'alish gaz yoki bug'da elektr zaryadsizlanishi bilan osongina amalga oshirilishi mumkin. Agar faol moddada uzoq umr ko'rgan hayajonlangan holatlar, shuningdek, kamroq energiya va qisqa umrga ega bo'lgan holatlar mavjud bo'lsa, populyatsiya inversiyasini olish mumkin (biz maymun misolida ko'rib chiqdik).

Ushbu maqoladan so'ng darhol "Fizika ko'rib chiqish maktublari" jurnalining o'sha sonida A. Javan o'zining maqolasini e'lon qildi, unda u ham ushbu muammolarni ko'rib chiqdi va boshqa sxemalar qatorida juda original birini taklif qildi. Gazda uzoq umr ko'rish holatini ko'rib chiqing. Bo'shatish sharoitida bu davlat uzoq umr ko'rishi tufayli tegishli ravishda to'ldirilishi mumkin. Agar ikkinchi gazning hozirgi qo'zg'aluvchan holati ushbu uzoq umr ko'rish holatiga juda yaqin energiyaga ega bo'lsa, u holda to'qnashuvda energiya birinchi atomdan ikkinchisiga o'tadi va u qo'zg'aladi. Agar bu atom boshqa quyi energiya holatlariga ega bo'lsa, ular qo'zg'almasdan qoladi va shuning uchun past energiya holatiga nisbatan yuqori energiya holati o'rtasida teskari populyatsiya bo'lishi mumkin. Yavan o'z ishida kripton va simob aralashmalarini, shuningdek, geliy va neon aralashmasini eslatib o'tgan. Ushbu ish 1959 yil 3 iyunda "Fizika ko'rib chiqish xatlari" da nashr etilgan.

Javan Kolumbiyadagi Yavanning doʻsti boʻlgan Yel universiteti spektroskopisti Uilyam R. Bennet Jr. bilan yaqindan hamkorlik qilgan. Ular bir yil davomida kechgacha ishladilar. 1959 yilning kuzida Javan Bell Labs kompaniyasining optik bo‘yicha mutaxassisi Donald R. Herriotdan loyihada yordam berishni so‘radi. Asosiy muammolardan biri chiqish nurini buzmaslik uchun tushirish trubkasini juda yuqori optik sifatli ikkita shaffof oyna bilan ta'minlash edi. Bundan tashqari, rezonator nometalllarni o'rnatish talab qilindi. Chiqaruvchi trubaning ichidagi nometall bilan jihozlangan sxema ishlab chiqilgan (56-rasm), mikrometrik vintlar bilan maxsus qurilmalar bilan jihozlangan, bu esa burchaklardagi nometalllarni nozik sozlash imkonini berdi. 1959 yil sentyabr oyida Bennet Yel shahridan Bell laboratoriyasiga ko'chib o'tdi va Yavan bilan birgalikda geliy-neon aralashmalarining spektroskopik xususiyatlarini turli sharoitlarda hisoblash va o'lchashni aniqlaydigan omillarni aniqlash uchun intensiv va chuqur tadqiqot dasturini boshladi. inversiya ishlab chiqarish. Ular eng yaxshi sharoitlarda faqat 1,5% ga juda kichik daromad olish mumkinligini aniqladilar. Ushbu kam daromad yo'qotishlarni minimallashtirish va eng yuqori aks ettiruvchi nometalllardan foydalanishni mutlaqo zaruratga aylantirdi. Bunday nometall shaffof yuzaga (shisha) turli xil sinishi ko'rsatkichlari bo'lgan mos (shaffof) dielektrik materiallarning ko'p qatlamlarini yotqizish orqali olinadi. Qatlamlar orasidagi chegaralardagi ko'zgularga ko'p yo'nalishli shovqin tufayli yuqori ko'zgu koeffitsienti olinadi. Uch tadqiqotchi 1,15 mkm to'lqin uzunligida 98,9% aks ettiruvchi ko'zgulardan foydalanishga muvaffaq bo'ldi.

Guruch. 56. Javan, Bennett va Geriott tomonidan qurilgan geliy-neon lazerining diagrammasi.

1960 yilda Javan, Bennett va Heriott o'zlarining lazerlarini sinovdan o'tkazdilar. Birinchidan, ular kuchli magnetron yordamida gaz aralashmasi bo'lgan kvarts trubkasida elektr zaryadini amalga oshirishga harakat qilishdi, ammo quvur erib ketdi. Men uskunani qayta tiklashim va o'zgartirishlar kiritishim kerak edi. 1960 yil 12 dekabrda ular yangi quvur va tushirish tashkiloti ustida ishlay boshladilar. Ular ko'zgularni o'zgartirishga harakat qilishdi, ammo muvaffaqiyatsiz. Keyin, peshin vaqtida Geriott signalni ko'rdi: “Men odatdagidek ko'zgulardan biridagi mikrometr vintlarini aylantirayotgan edim, to'satdan osiloskopda signal paydo bo'ldi. Biz monoxromatorni o'rnatdik va 1,153 mkm to'lqin uzunligida signal tepaligini qayd etdik, ya'ni. kutilgan to'lqin uzunligida. Gazni faol vosita sifatida ishlatadigan va uzluksiz rejimda ishlaydigan birinchi lazer tug'ildi! Uning nurlanishi yaqin infraqizil diapazonda edi va shuning uchun ko'zga ko'rinmas edi. Ro'yxatdan o'tish uchun osiloskopga ulangan mos qabul qilgich kerak edi.

Va olti oy oldin, yordam bergan texnik Ed Ballik, keyinchalik Oksford universitetida diplom oldi va Kanadada dars berdi, yuz yillik vino sotib oldi. Bu tantanali daqiqaga - lazerning ishlashi munosabati bilan mo'ljallangan edi. Lazer tajribalari nihoyat natija berganida, bir necha kundan keyin Yavan Bell Labs rahbariga qo'ng'iroq qildi va uni yuz yillik sharobda cho'milish uchun taklif qildi. U juda xursand bo'ldi, lekin keyin xitob qildi: "Jin ursin, Ali. Bizda muammo bor!" Bu ertalab sodir bo'ldi, Javan va muammo nima ekanligini tushunmadi. Ammo peshin vaqtida laboratoriya atrofida bir necha oy oldin chiqarilgan avvalgisiga aniqlik kirituvchi va ilmiy markaz hududida spirtli ichimliklar ichishni taqiqlovchi aylanma tarqatildi. Aniqlik 100 yoshdan kichik bo'lgan har qanday spirtli ichimliklarni ichishni taqiqladi. Shundan so'ng, ular qoidalarni buzmasdan muvaffaqiyat uchun ko'zoynaklarini ko'tarishdi!

Birinchi lazer 1,15 mkm o'tishda, infraqizil diapazonda ishladi. Javan neonning mumkin bo'lgan o'tishlaridan biriga to'g'ri keladigan ushbu to'lqin uzunligida maksimal aks ettiruvchi nometalllardan foydalangan. U boshqa mumkin bo'lgan to'lqin uzunliklari borligini bilar edi. U ushbu to'lqin uzunligini tanladi, chunki uning tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, undan katta daromad kutish mumkin. Ko'rinadigan hududda o'tishlardan foydalanish uchun shunchalik kichik diametrli trubka kerak edi, chunki o'sha paytda Fabry-Perot rezonatori uchun ishlatilgan tekis oynalarni sozlash mumkin emas edi.

Yavan lazerida tushirish trubkasi mos ravishda 0,1 va 1 Torr bosimdagi neon va geliyni o'z ichiga olgan (1 Torr bir atmosfera bosimining deyarli mingdan bir qismi). Birlashtirilgan kvarts trubkasi uzunligi 80 sm va diametri 1,5 sm edi.Har bir uchida yuqori aks ettiruvchi tekis nometalllarni o'z ichiga olgan metall bo'shliq bor edi. Fabry-Perot nometalllarini mikrometrli vintlar bilan sozlash (aniq egish orqali) imkonini beruvchi egiluvchan yenglar (ko'rgichlar) ishlatilgan. Bu 6 kamon soniya aniqligi bilan parallellikni ta'minlashga imkon berdi. Uchlarida 100 A dan yuqori aniqlik bilan sayqallangan tekis shisha derazalar bor edi. Ular nurlanish nurini buzilmasdan chiqarishga imkon berdi. Elektr zaryadsizlanishi tashqi elektrodlar bilan 50 vatt quvvatga ega 28 MGts osilator yordamida hayajonlangan. Yuqori aks ettiruvchi nometall dielektrik materiallarning 13 qatlamini (MgF 2, ZnS) yotqizish orqali olingan. 1,1 va 1,2 mkm oralig'ida aks ettirish 98,9% ni tashkil etdi. Lazer uzluksiz ishladi va bu turdagi birinchi lazer edi.

Xyuz misolidan so'ng, Bell Labs 1960 yil 14 dekabrda geliy-neon lazerining ommaviy namoyishini ham o'tkazdi. Aloqa uchun mumkin bo'lgan muhimligini ko'rsatish uchun telefon orqali suhbat telefon orqali modulyatsiya qilingan lazer nurlanishidan foydalangan holda uzatildi. signal.

Ushbu lazer He-Ne lazeri nomi bilan mashhur bo'lib, uning tarkibiy qismlarining kimyoviy belgilaridan foydalangan. U 1961-yil 31-yanvarda matbuotga taqdim etildi. Uni tavsiflovchi hujjat 1960-yil 30-dekabrda Physical Review Letters jurnalida chop etildi.

Yavan 1960 yilning bahorida tajriba o‘tkazayotgan paytda Bell Labsning ikki tadqiqotchisi A. Foks va T. Li Fabri-Perot rezonatorida qanday rejimlar mavjudligi haqidagi savolni o‘rganishga kirishdilar. Gap shundaki, Fabry-Perot rezonatori yopiq bo'shliqlar ko'rinishidagi mikroto'lqinli rezonatorlardan juda farq qiladi. Ular ushbu rejimlarning shaklini aniqladilar va ularning natijasi Bell Laboratoriyasining boshqa tadqiqotchilari Gari D. Bond, Jeyms Gordon va Xervig Kogelnikni sferik oynalar holatida analitik echimlarni topishga undadi. Gaz lazerlarini ishlab chiqish uchun optik bo'shliqlarni o'rganishning ahamiyatini e'tiborsiz qoldirib bo'lmaydi. Ushbu natijalarga erishilgunga qadar, gaz lazeri, eng yaxshi holatda, marginal qurilma bo'lib, uning avlodi oxirgi oynalarning hizalanishiga juda bog'liq edi. Sferik oynali rezonatorlarning nazariy tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, ko'zgularning tekislanishiga nisbatan zaif bog'liq bo'lgan konfiguratsiyalar bo'lishi mumkin va rezonatordagi ichki yo'qotishlar tekis oynali rezonatorga qaraganda kichikroq bo'lishi mumkin. Bu ilgari o'ylanganidan sezilarli darajada past daromad bilan faol media foydalanish imkonini beradi. Yassi oynali rezonator deyarli tark etildi va yangi gaz lazerlarining barcha kashfiyoti sferik oynali rezonatorlar yordamida amalga oshirildi.

1961 yilda Bell laboratoriyasida yirik lazer tadqiqot dasturi boshlandi. Boshqa muammolar bilan band bo'lgan tadqiqotchilar yangi mavzularga yo'naltirildi, yangi xodimlar ishga qabul qilindi. Ularning o'choqlarida joylashgan rezonatorda ikkita bir xil sharsimon nometalldan foydalanish to'g'risidagi qaror (bu konfiguratsiya konfokal rezonator deb ataladi) agar Javan bunday rezonatordan foydalansa, qanday qiyinchiliklardan qochishi mumkinligini ko'rsatdi. Natijada, Uilyam V. Rigrod, Xervig Kogelnik, Donald R. Heriott va D. J. Brangasio 1962 yil bahorida yorug'likni tushirish trubkasi o'qiga to'playdigan sferik ko'zgularga ega birinchi konfokal rezonatorni qurdilar, bu nometalllar tashqariga joylashtirildi. quvur. Bu 6328 A qizil chiziq bo'yicha avlodni olish imkonini berdi.Yorug'likning bir qismi muqarrar ravishda deraza yuzalarida aks etishda yo'qoladi (Fresnel aksi). Biroq, bu yo'qotishlarni derazalarni Brewster burchagi deb ataladigan ma'lum bir burchakka burish orqali oldini olish mumkin. Bunday holda, ma'lum bir qutblanish nuri uchun yo'qotishlar deyarli nolga teng. Ushbu yangi lazer konfiguratsiyasi rasmda ko'rsatilgan. 57.

Guruch. 57. Konfokal optik rezonator. Gazni elektr razryad bilan qo'zg'atadigan trubka oynalari Brewster burchagiga egilgan holda yopiladi. Egrilik radiusi teng bo'lgan botiq oynalar trubaning orqasiga shunday joylashtiriladiki, ular orasidagi masofa egrilik radiusiga teng bo'ladi.

Qizil He-Ne lazeri keng tarqalgan bo'lib qo'llanilmoqda va hozir ham, xususan, tibbiyotda qo'llaniladi. Bundan tashqari, u lazer (yuqori kogerent) va oddiy (kogerent) yorug'lik o'rtasidagi asosiy farqlarni tushunishga katta hissa qo'shadi. Ushbu lazer yordamida interferentsiya hodisalari, shuningdek, rezonator oynasining engil egilishi bilan osongina va aniq o'zgartiriladigan lazer nurlarining rejim tuzilishi osongina kuzatiladi. Boshqa ko'plab lazer turlarining rivojlanishi ham rag'batlantirildi.

Zamonaviy He-Ne lazeri rasmda ko'rsatilgan bir nechta o'tishlardan birini yaratishi mumkin. 54. Buning uchun ko'p qatlamli nometall kerakli to'lqin uzunligida maksimal aks ettirish bilan amalga oshiriladi. Generatsiya 3,39 mkm, 1,153 mkm, 6328 A° toʻlqin uzunliklarida va hatto maxsus nometalllardan foydalanganda ham 5433 A (yashil chiziq), 5941 A° (sariq chiziq), 6120 A° (toʻq sariq chiziq) toʻlqin uzunligida olinadi.

Muallifning kitobidan

Ikkinchi qattiq jismli lazer 1959-yil sentabr oyida Taunes "Kvant elektronikasi - rezonans hodisalari" mavzusida konferentsiya tashkil qildi, unda lazer hali yaratilmagan bo'lsa-da, norasmiy munozaralarning aksariyati lazerlarga qaratilgan edi.Ushbu konferentsiyada Piter ishtirok etdi.

Muallifning kitobidan

Sezyum lazeri 1961 yil yana ikkita lazerni amalga oshirish yili bo'lib, ularda lazer kontseptsiyasining boshidan beri mutaxassislar ishlagan. Ulardan biri seziy lazeri edi. Taunes va Shavlov o'z qog'ozlarini yozganlaridan so'ng, Taunes lazer yasashga harakat qilishiga qaror qilindi.

Muallifning kitobidan

Neodimiy lazer 1961 yilda ishlab chiqarilgan va hali ham asosiy lazerlardan biri bo'lgan yana bir lazer neodimiy shisha lazeridir. 1959-1960 yillarda. Amerika Optik kompaniyasi ham o'z olimlaridan biri Elias Snitzer tomonidan olib borilgan lazer tadqiqotlariga qiziqib qoldi. Bu

Muallifning kitobidan

Tabiatda lazer bormi? Javob ha bo'lganga o'xshaydi! Taxminan 10 mkm to'lqin uzunligi bo'lgan lazer nurlanishi (xususan materiallarni qayta ishlash uchun keng qo'llaniladigan yuqori quvvatli CO2 lazerlarini ishlatadigan odatiy karbonat angidrid emissiya liniyasi)

Muallifning kitobidan

Lazer va Oy qo'ng'irog'i laboratoriyalari Oy yuzasining topografiyasini o'rganish uchun birinchi lazerlardan birini qo'llagan. 1969 yil 21 iyulda Oyga yuborilgan Apollon 11 ekspeditsiyasi paytida kosmonavtlar uning yuzasiga lazer nurini aks ettira oladigan ikkita burchak reflektorini o'rnatdilar.

Ushbu ishning maqsadi faol modda sifatida geliy va neon gazlari aralashmasidan foydalaniladigan gaz lazerining asosiy xarakteristikalari va parametrlarini o'rganishdir.

3.1. Geliy-neon lazerining ishlash printsipi

Geliy neon lazeri odatiy va eng keng tarqalgan gaz lazeridir. U atom gaz lazerlariga tegishli va uning faol muhiti inert gazlarning neytral (ionlashtirilmagan) atomlari - geliy va neon aralashmasidir. Neon ishlaydigan gaz bo'lib, uning energiya darajalari o'rtasida kogerent elektromagnit nurlanish emissiyasi bilan o'tish sodir bo'ladi. Geliy yordamchi gaz rolini o'ynaydi va neonni qo'zg'atishga va unda populyatsiya inversiyasini yaratishga yordam beradi.

Har qanday lazerda generatsiyani boshlash uchun ikkita muhim shart bajarilishi kerak:

1. Ishlaydigan lazer darajalari o'rtasida populyatsiya inversiyasi bo'lishi kerak.

2. Faol muhitdagi daromad lazerdagi barcha yo'qotishlardan, shu jumladan radiatsiya chiqishi uchun "foydali" yo'qotishlardan oshib ketishi kerak.

Agar tizim ikki darajaga ega bo'lsa E 1 va E Ularning har biridagi zarrachalar soni bilan mos ravishda 2 N 1 va N 2 va degeneratsiya darajasi g 1 va g 2 , keyin populyatsiya qachon populyatsiya inversiyasi sodir bo'ladi N 2 /g 2 ta yuqori daraja E 2 ko'proq aholi bo'ladi N 1 /g 1 pastki daraja E 1 , ya'ni inversiya darajasi D N ijobiy bo'ladi:

Agar darajalar E 1 va E 2 degenerativ emas, keyin inversiya sodir bo'lishi uchun zarrachalar soni bo'lishi kerak N 2 yuqori darajada E 2 zarrachalar sonidan ko'p edi N 1 pastki darajada E bitta. Populyatsiya inversiyasi shakllanishi va kogerent elektromagnit nurlanish chiqishi bilan majburiy o'tishlarning paydo bo'lishi mumkin bo'lgan darajalar deyiladi. ishlaydigan lazer darajalari.

Populyatsiya inversiyasi holati yordamida yaratiladi nasos– gaz atomlarini turli usullar bilan qo’zg’atish. Tashqi manbaning energiyasi tufayli, deyiladi nasos manbai, Ne atomi yerning energiya darajasidan E Termodinamik muvozanat holatiga mos keladigan 0 , qo'zg'aluvchan Ne* holatiga o'tadi. Nasosning intensivligiga qarab turli energiya darajalariga o'tishlar sodir bo'lishi mumkin. Keyinchalik past energiya darajalariga o'z-o'zidan yoki majburiy o'tishlar mavjud.

Aksariyat hollarda tizimdagi barcha davlatlar o'rtasidagi barcha mumkin bo'lgan o'tishlarni hisobga olish shart emas. Bu lazer bilan ishlashning ikki, uch va to'rt darajali sxemalari haqida gapirish imkonini beradi. Lazer bilan ishlash sxemasining turi faol muhitning xususiyatlari, shuningdek, ishlatiladigan nasos usuli bilan belgilanadi.

Geliy-neon lazeri rasmda ko'rsatilganidek, uch darajali sxemada ishlaydi. 3.1. Bunday holda, nasos va radiatsiya hosil qilish uchun kanallar qisman ajratiladi. Faol moddaning pompalanishi zamin sathidan o'tishga olib keladi E 0 hayajonli darajaga E 2 , bu ishchi darajalar o'rtasida populyatsiya inversiyasining paydo bo'lishiga olib keladi E 2 va E bitta. Ishchi darajali populyatsiya inversiyasi holatida bo'lgan faol muhit elektromagnit nurlanishni chastota bilan kuchaytirishga qodir.
rag'batlantirilgan emissiya jarayonlari tufayli.

Guruch. 3.1. Geliy-neon lazerining ishlashini tushuntiruvchi ishchi va yordamchi gazning energiya darajalari diagrammasi.

Gazlarda energiya sathining kengayishi kichik bo'lgani uchun va keng yutilish zonalari mavjud emasligi sababli, optik nurlanish yordamida teskari populyatsiyani olish qiyin. Shu bilan birga, gazlarda nasosning boshqa usullari ham mumkin: to'g'ridan-to'g'ri elektron qo'zg'alish va atomlarning to'qnashuvida rezonans energiya uzatish. Elektronlar bilan to'qnashganda atomlarning qo'zg'alishi eng oson elektr zaryadsizlanishida amalga oshirilishi mumkin, bu erda elektronlar elektr maydoni tomonidan tezlashadi. muhim kinetik energiya olishi mumkin. Elektronlarning atomlar bilan noelastik to'qnashuvlarida ikkinchisi qo'zg'aluvchan holatga o'tadi E 2:

Jarayon (3.4) rezonans xarakterga ega bo'lishi muhim: agar turli atomlarning qo'zg'aluvchan energiya holatlari mos kelsa, ya'ni rezonansda bo'lsa, energiya uzatish ehtimoli maksimal bo'ladi.

He va Ne ning energiya darajalari va asosiy ishchi o'tishlari 1-rasmda batafsil ko'rsatilgan. 3.2. Gaz atomlarining tez elektronlar (3.2) va (3.3) bilan noelastik o'zaro ta'siriga mos keladigan o'tish nuqtali strelkalar bilan yuqoriga ko'rsatilgan. Elektron ta'siri natijasida geliy atomlari metastabil bo'lgan 2 1 S 0 va 2 3 S 1 darajalariga qo'zg'aladi. Geliyda 1 S 0 asosiy holatga radiatsiyaviy o'tishlar tanlash qoidalari bilan taqiqlanadi. Qo'zg'atilganda He atomlari asosiy holatdagi Ne atomlari bilan to'qnashadi 1 S 0 , qo'zg'alish o'tishi (3.4) mumkin va neon 2S yoki 3S darajalaridan biriga o'tadi. Bunday holda, rezonans sharti qondiriladi, chunki yordamchi va ishchi gazdagi er va qo'zg'atilgan holatlar o'rtasidagi energiya bo'shliqlari bir-biriga yaqin.

Radiatsion o'tishlar neonning 2S va 3S darajalaridan 2P va 3P darajalariga sodir bo'lishi mumkin. P darajalari yuqori S darajalariga qaraganda kamroq joylashadi, chunki He atomlaridan bu darajalarga energiya to'g'ridan-to'g'ri o'tkazilmaydi. Bundan tashqari, P darajalari qisqa umrga ega va radiatsion bo'lmagan o'tish P → 1S P darajalarini bo'shatadi. Shunday qilib, vaziyat (3.1) yuqori darajadagi S aholi soni quyi darajadagi P populyatsiyasidan yuqori bo'lganda yuzaga keladi, ya'ni S va P darajalari o'rtasida populyatsiya inversiyasi mavjud, ya'ni ular orasidagi o'tishlar lazer hosil qilish uchun ishlatilishi mumkin.

S va P darajalarining soni ko'p bo'lgani uchun ular orasidagi turli kvant o'tishlarining katta to'plami mumkin. Xususan, to'rtta 2S darajasidan o'nta 2P darajasiga, tanlov qoidalariga ko'ra 30 xil o'tishga ruxsat beriladi, ularning aksariyati avlodni hosil qiladi. 2S → 2P o'tish paytida eng kuchli emissiya chizig'i 1,1523 mkm chiziq (spektrning infraqizil hududi). 3S→2R o'tishlari uchun eng muhim chiziq 0,6328 mkm (qizil mintaqa) va 3S→3R uchun - 3,3913 mkm (IR mintaqasi). O'z-o'zidan emissiya barcha sanab o'tilgan to'lqin uzunliklarida sodir bo'ladi.

Guruch. 3.2. Geliy va neon atomlarining energiya darajalari va He-Ne lazerining ishlash sxemasi

Yuqorida aytib o'tilganidek, P darajalariga radiatsiyaviy o'tishdan so'ng, P → 1S o'tishlari paytida radiatsiyaviy bo'lmagan nurlanish parchalanishi sodir bo'ladi. Afsuski, neon 1S darajalari metastabildir va agar gaz aralashmasida boshqa aralashmalar bo'lmasa, neon atomlarining 1S darajasidan asosiy holatga o'tishning yagona yo'li tomir devorlari bilan to'qnashuvdir. Shu sababli, tushirish trubasining diametri kamayishi bilan tizimning daromadi ortadi. Neonning 1S holatlari asta-sekin kamayib ketganligi sababli, Ne atomlari bu holatlarda saqlanib qoladi, bu juda istalmagan va bu lazerning bir qator xususiyatlarini aniqlaydi. Xususan, nasos oqimining chegara qiymatidan oshishi bilan j keyin tez o'sish, so'ngra to'yinganlik va hatto lazer nurlanishining kuchining pasayishi kuzatiladi, bu aniq 1S darajalarida ishlaydigan zarrachalarning to'planishi va keyin elektronlar bilan to'qnashganda 2P yoki 3P holatlariga o'tishi bilan bog'liq. Bu yuqori chiqadigan radiatsiya quvvatlarini olishni imkonsiz qiladi.

Teskari populyatsiyaning paydo bo'lishi aralashmadagi He va Ne bosimiga va elektron haroratiga bog'liq. Gaz bosimining optimal qiymatlari He uchun 133 Pa va Ne uchun 13 Pa. Elektron harorati gaz aralashmasiga qo'llaniladigan kuchlanish bilan beriladi. Odatda bu kuchlanish 2…3 kV darajasida saqlanadi.

Lazer generatsiyasini olish uchun lazerda ijobiy aloqa mavjud bo'lishi kerak, aks holda qurilma faqat kuchaytirgich sifatida ishlaydi. Buning uchun faol gaz muhiti optik rezonatorga joylashtiriladi. Qayta aloqa yaratishdan tashqari, rezonator tebranish turlarini tanlash va avlod to'lqin uzunligini tanlash uchun ishlatiladi, buning uchun maxsus selektiv nometall ishlatiladi.

Eshik darajasiga yaqin bo'lgan nasos sathida tebranishning bir turiga o'tish nisbatan oson. Qo'zg'alish darajasining oshishi bilan, agar maxsus choralar ko'rilmasa, boshqa bir qator rejimlar paydo bo'ladi. Bunday holda, generatsiya atom chizig'ining kengligida joylashgan rezonatorning rezonans chastotalariga yaqin chastotalarda sodir bo'ladi. Tebranishlarning eksenel turlarida (TEM 00 -rejim) qo'shni maksimallar orasidagi chastota masofasi
, qayerda L rezonator uzunligi. Bir vaqtning o'zida bir nechta rejimlarning mavjudligi natijasida emissiya spektrida zarbalar va bir xillik paydo bo'ladi. Agar faqat eksenel rejimlar mavjud bo'lsa, u holda spektr alohida chiziqlar bo'lar edi, ularning orasidagi masofa teng bo'ladi. c / 2L. Ammo rezonatorda eksenel bo'lmagan tebranish turlarini qo'zg'atish ham mumkin, masalan, TEM 10 rejimlari, ularning mavjudligi ko'zgularni sozlash bilan bog'liq. Shuning uchun, tebranishlarning eksenel turlarining har ikki tomonida chastotada simmetrik joylashgan emissiya spektrida qo'shimcha sun'iy yo'ldosh chiziqlari paydo bo'ladi. Nasos darajasining oshishi bilan yangi turdagi tebranishlarning paydo bo'lishi radiatsiya maydonining tuzilishini vizual kuzatish orqali osongina aniqlanadi. Bundan tashqari, kogerent nurlanish rejimlari tuzilishiga rezonator tekislanishining ta'sirini vizual tarzda kuzatish mumkin.

Gazlar kondensatsiyalangan muhitga qaraganda bir hildir. Shuning uchun gazdagi yorug'lik nuri kamroq buziladi va tarqaladi va geliy-neon lazerining nurlanishi yaxshi chastota barqarorligi va yuqori yo'nalish bilan ajralib turadi, bu diffraktsiya hodisalari tufayli o'z chegarasiga etadi. Konfokal rezonator uchun divergentsiyaning diffraktsiya chegarasi

bu erda l - to'lqin uzunligi; d 0 - yorug'lik nurining eng tor qismidagi diametri.

Geliy-neon lazerining nurlanishi yuqori darajadagi monoxromatiklik va kogerentlik bilan tavsiflanadi. Bunday lazerning emissiya chiziqlarining kengligi spektral chiziqning "tabiiy" kengligidan ancha torroq va zamonaviy spektrometrlarning ruxsat etilgan chegaraviy darajasidan ko'p miqdorda kichikroqdir. Shuning uchun uni aniqlash uchun nurlanishdagi turli rejimlarning urish spektri o'lchanadi. Bundan tashqari, ushbu lazerning nurlanishi rezonatorning optik o'qiga Brewster burchagida joylashgan oynalardan foydalanish tufayli tekis polarizatsiyalangan.

Nurlanishning kogerentligining dalili manbaning turli nuqtalaridan olingan nurlanishning bir-biriga qo'shilishida diffraktsiya naqshini kuzatish bo'lishi mumkin. Masalan, kogerentlikni bir nechta slotlar tizimidan shovqinni kuzatish orqali baholash mumkin. Yang tajribasidan ma'lumki, oddiy "klassik" manbadan yorug'lik interferensiyasini kuzatish uchun nurlanish avval bir tirqishdan, so'ngra ikkita tirqishdan o'tkaziladi, so'ngra ekranda interferentsiya chekkalari hosil bo'ladi. Lazer nurlanishidan foydalanilganda, birinchi tirqish keraksiz bo'lib chiqadi. Bu holat asosiy hisoblanadi. Bundan tashqari, ikkita tirqish orasidagi masofa va ularning kengligi klassik tajribalarga qaraganda beqiyos darajada katta bo'lishi mumkin. Gaz lazerining chiqish oynasida ikkita tirqish mavjud bo'lib, ularning orasidagi masofa 2 ga teng a. Voqea sodir bo'lgan nurlanish kogerent bo'lsa, masofada joylashgan ekranda d tirqishlardan interferentsiya naqshi kuzatiladi. Bunday holda, bantlarning maksimal (minimallari) orasidagi masofa

Eng keng tarqalgan gaz lazeri geliy-neon ( He-Ne) 10:1 nisbatda geliy va neon aralashmasida ishlaydigan lazer (neytral atom lazeri). Bu lazer ham birinchi uzluksiz lazer hisoblanadi.

Geliy va neon darajalarining energiya sxemasini ko'rib chiqing (3.4-rasm). Generatsiya neon darajalari orasida sodir bo'ladi va nasos jarayonini amalga oshirish uchun geliy qo'shiladi. Rasmdan ko'rinib turibdiki, darajalar 2 3 S 1 va 2 1 S 0 geliy mos ravishda darajalarga yaqin joylashgan 2s va 3s u emas. Chunki geliy darajasi 2 3 S 1 va 2 1 S 0 ular metastabil bo'lsa, metastabil qo'zg'aluvchan geliy atomlari neon atomlari bilan to'qnashganda, neon atomlariga rezonans energiya o'tishi (ikkinchi turdagi to'qnashuvlar) bo'ladi.

Shunday qilib, darajalar 2s va 3s neon to'planishi mumkin va shuning uchun avlod bu darajalardan boshlanishi mumkin. Hayot paytida s-davlatlar ( t s» 100 ns) ancha uzoqroq ishlash muddati R-davlatlar ( t p»10 ns), shuning uchun lazerning to'rt darajali sxema bo'yicha ishlashi uchun quyidagi shart bajariladi:

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

O'tishlardan birida lazer hosil qilish mumkin a, b, c to'lqin uzunliklariga ko'ra l a=3,39 mkm, funt=0,633 mkm, l s=1,15 mkm, bu rezonator oynalarining aks ettirish koeffitsientini tanlash yoki rezonatorga dispers elementlarni kiritish orqali olinishi mumkin.

Guruch. 3.4. Geliy va neonning energiya darajalari sxemasi.

Keling, bunday lazerning avlod xususiyatini ko'rib chiqaylik.

3.5-rasm. Geliy-neon lazerining generatsiya xarakteristikasi.

Nasos oqimining oshishi bilan chiqish quvvatining dastlabki o'sishi populyatsiyaning inversiyasi bilan izohlanadi. Maksimal quvvatga erishilgandan so'ng, nasos oqimining yanada oshishi bilan egri chiziq pasayishni boshlaydi. Bu 2p va 1s darajalarining dam olishga vaqtlari yo'qligi bilan izohlanadi; elektronlar past energiya darajasiga o'tishga vaqtlari yo'q va qo'shni 2p va 1s darajalaridagi elektronlar soni bir xil bo'ladi. Bunday holda, inversiya bo'lmaydi.

Geliy-neon lazerlarining samaradorligi 0,1% ni tashkil qiladi, bu hayajonlangan zarrachalarning past hajmli zichligi bilan izohlanadi. Chiqish quvvati odatiy He-Ne- lazer P~5-50 mVt, farqlanish q~1 mrad.

Argon lazeri

Bu ionli gaz lazerlari bilan bog'liq ko'rinadigan va yaqin ultrabinafsha spektr mintaqasidagi eng kuchli uzluksiz to'lqinli lazerlardir. Ishchi gazdagi yuqori lazer sathi elektr zaryadsizlanishi paytida elektronlarning ikkita ketma-ket to'qnashuvi tufayli to'ldiriladi. Birinchi to'qnashuvda neytral atomlardan ionlar hosil bo'ladi, ikkinchisida esa bu ionlar qo'zg'atiladi. Shuning uchun nasos ikki bosqichli jarayon bo'lib, ularning har birining samaradorligi oqim zichligiga mutanosibdir. Samarali nasos uchun etarli darajada yuqori oqim zichligi talab qilinadi.

Lazer energiya darajasi diagrammasi yoqilgan Ar + shaklda ko'rsatilgan. 3.3. 454,5 nm dan 528,7 nm gacha bo'lgan chiziqlardagi lazer emissiyasi darajalar guruhi to'ldirilganda sodir bo'ladi. 4p zamin yoki metastabil holatlarning elektron ta'sirida qo'zg'alishi bilan Ar + .

3,5 CO 2 lazer

Molekulyar CO 2-Lazerlar elektr energiyasini radiatsiya energiyasiga aylantirishning eng yuqori samaradorligi (15-20%) tufayli gaz lazerlari orasida eng kuchli cw lazer hisoblanadi. Lazer hosil bo'lishi tebranish-aylanish o'tishlarida sodir bo'ladi va bu lazerlarning emissiya chiziqlari 9,4 mkm va 10,4 mkm to'lqin uzunliklarida joylashgan uzoq infraqizil mintaqada joylashgan.

DA CO 2 Lazer gazlar aralashmasidan foydalanadi CO 2, N 2 va U. Nasos to'g'ridan-to'g'ri molekulalarning to'qnashuvi paytida amalga oshiriladi CO 2 elektronlar va tebranish bilan qo'zg'atilgan molekulalar bilan N 2. Aralashmada He ning yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi sovutishga yordam beradi CO 2, bu termal qo'zg'alish natijasida to'plangan past lazer sathining kamayishiga olib keladi. Shunday qilib, mavjudligi N 2 aralashmada yuqori lazer darajasining yuqori populyatsiyasiga va mavjudligiga hissa qo'shadi U– quyi darajaning kamayishi va natijada ular birgalikda populyatsiya inversiyasining kuchayishiga olib keladi. Energiya darajasi diagrammasi CO 2-lazer rasmda ko'rsatilgan. 3.4. Lazer generatsiyasi molekulaning tebranish holatlari orasidagi o'tish paytida amalga oshiriladi CO 2 n 3 1 iyun yoki n 3 2 iyun aylanish holatining o'zgarishi bilan.

Guruch. 3.4. Energiya darajasi diagrammasi N 2 va CO 2 ichida CO 2- lazer.

CO 2 Lazer ham uzluksiz, ham impulsli rejimlarda ishlashi mumkin. Uzluksiz rejimda uning chiqish quvvati bir necha kilovattga yetishi mumkin.