Принцип работы гелий-неонового лазера

В 1961 г. А. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В настоящее время семейство газовых лазеров многочисленно. Они охватывают диапазон длин волн от ультрафиолетовой области спектра до субмиллиметровых волн. Большинство газовых лазеров работают в непрерывном, а также и в импульсном режимах и позволяют получать большие выходные мощности при высокой направленности излучения и стабильности его частоты.

Газы по сравнению с конденсировованными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. В результате направленность излучения газовых лазеров достигает предела, обусловленного дифракцией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча газовых лазеров в видимом диапазоне ~10−5 — 10−4 рад. В инфракрасном диапазоне ~10−4 — 10−3 рад.

Благодаря малой плотности газа ширина спектральной линии обусловлена главным образом доплеровским уширением, величина которого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих свойства доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты. Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высокой плотности возбуждённых частиц, которая характерна для твердых тел и жидкостей. Поэтому удельный энергосъём у газовых лазеров ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако переход к более высоким давлениям и создание быстропроточных газовых лазеров резко увеличили их мощность (см. ниже).

Оптическая накачка с помощью газоразрядных ламп, применяемая в жидкостных и твёрдотельных лазерах, мало эффективна для большинства газовых лазеров, т. к. газы обладают узкими линиями поглощения. В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населённостей создаётся в электрич. разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде при столкновениях с частицами газа (электронный удар), возбуждают их, т. е. переводят на более высокие уровни энергии. Возбуждёние электронным ударом обычно сочетается в газовых лазерах с другим механизмом возбуждения — резонансной передачей энергии частицам одного сорта (рабочим частицам) от добавляемых частиц другого сорта (вспомогательных) при неупругих соударениях.

В настоящее время гелий-неоновый лазер является наиболее распространенным и наименее дорогим современным лазером.

Конструкция гелий-неонового лазера:

Собственно лазер состоит из двух стеклянных трубок, соединенных между собой двумя короткими патрубками. Система трубок наполнена смесью гелия с неоном при относительно низком давлении (активная среда). Первая трубка (лазерная), как и в случае рубинового лазера, имеет зеркало на одном из торцов и частично отражающее зеркало — на другом. Вторая трубка (разрядная) имеет электроды, впаянные в торцы. Эти электроды присоединены к источнику питания.

Метод накачки гелий-неонового лазера существенно отличается от метода накачки рубинового лазера. После включения источника питания через газ от одного электрода к другому протекает электрический ток. Атомы газа возбуждаются за счет столкновений с движущимися электронами и испускают спонтанное излучение. При этом газ в трубке светится красным цветом. Именно таким способом возбуждается свечение и в неоновых индикаторных трубках. Область возбуждения атомов газа не ограничивается разрядной трубкой, а быстро распространяется и в лазерную трубку. Вся система трубок светит одинаковым красным цветом.

Собственно лазерный переход происходит между двумя состояниями в атоме неона. Однако атом неона непосредственно не возбуждается.

Как видно из рисунка, столкновения электронов с атомами гелия приводят к возбуждению состояния E4. Так как атомы газа находятся в состоянии непрерывного движения, то между ними происходят частые столкновения. Если атом гелия в возбужденном состоянии E4 сталкивается с атомом неона в основном состоянии, то энергия возбуждения атома гелия будет передана атому неона. В результате атом неона окажется в состоянии E5, которое является метастабильным. Это и есть то состояние, после стимулирования которого испускаются лазерные фотоны. Лазерный переход E5 > E4 является источником красных фотонов с длиной волны 632,8 нм.

В отличие от рубинового лазера гелий-неоновый лазер может работать непрерывно. Возбуждение электрическим током более эффективно по сравнению с поглощением света от лампы-вспышки, поэтому проблема перегрева является не столь серьезной. В ряде случаев это обстоятельство является весьма важным. На торцы лазерной трубки наклеены многослойные зеркала под углами Брюстера к оси. Это обеспечивает линейную поляризацию излучения. Давление He — 332 Па, Ne — 66 Па в трубке, постоянное напряжение на электродах в трубке 4 кВ, коэффициенты отражения зеркал 0,999 и 0,990.

Т.к. уровни неона состоят из множества подуровней, то гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения. Зеркала оптического резонатора имеют многослойные диэлектрические покрытия, что позволяет создавать необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в лазере генерацию на требуемой частоте.

Мощность генерации гелий-неонового лазера достигает всего десятых долей Вт при КПД? 0,1%. Тем не менее, высокие монохроматичность и направленность излучения, а также простота устройства обусловили широкое применение гелий-неоновых газовых лазеров. Красный гелий-неоновый лазер (л=0,6328 мкм) используется при котировочных и нивелировочных работах. Гелий-неоновые лазеры применяются при наладочных работах в голографии, в квантовых гироскопах и оптических стандартах частоты.

Со времени появления гелий-неонового лазера генерация получена более чем на 450 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 34 химических элементов. Возбуждение непрерывной генерации происходит в положительном столбе тлеющего разряда при плотности тока j ~ 100−200 А/см2. Для импульсной генерации используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в импульсном разряде может достигать 300 А/см2, а в случае импульса с крутым фронтом — сотен и тысяч А/см2, что создаёт высокую пиковую мощность генерации.