Svrha rada je proučavanje glavnih karakteristika i parametara gasnog lasera u kojem se kao aktivna tvar koristi mješavina plinova helija i neona.
3.1. Princip rada helijum-neonskog lasera
He-Ne laser je tipičan i najčešći gasni laser. Spada u atomske gasne lasere i njegov aktivni medij je mješavina neutralnih (nejoniziranih) atoma inertnih plinova - helijuma i neona. Neon je radni gas, a prelazi se između njegovih energetskih nivoa dešavaju emisijom koherentnog elektromagnetnog zračenja. Helijum igra ulogu pomoćnog gasa i doprinosi pobuđivanju neona i stvaranju inverzije populacije u njemu.
Da biste započeli s laserom na bilo kojem laseru, moraju biti ispunjena dva najvažnija uslova:
1. Mora postojati inverzija populacije između radnih laserskih nivoa.
2. Dobitak u aktivnom mediju mora premašiti sve gubitke u laseru, uključujući i "korisne" gubitke za izlaz zračenja.
Ako postoje dva nivoa u sistemu E 1 I E 2 sa brojem čestica na svakoj od njih N 1 I N 2 i stepen degeneracije g 1 I g 2, tada će doći do inverzije populacije kada populacija N 2 /g 2 gornja nivoa E 2 biće više stanovništva N 1 /g 1 niži nivo E 1, odnosno stepen inverzije Δ N bit će pozitivna:
Ako nivoi E 1 I E 2 su nedegenerisane, tada je za pojavu inverzije potrebno da broj čestica N 2 na najvišem nivou E 2 je bilo više od broja čestica N 1 na nižem nivou E 1 . Nivoi između kojih nastaje inverzija populacije i pojava prisilnih prijelaza uz emisiju koherentnog elektromagnetnog zračenja nazivaju se radni laserski nivoi.
Stanje inverzije populacije se kreira pomoću pumpanje– pobuđivanje atoma gasa raznim metodama. Zbog energije vanjskog izvora tzv izvor pumpe, Ne atom sa nivoa zemaljske energije E 0, što odgovara stanju termodinamičke ravnoteže, prelazi u pobuđeno stanje Ne*. U zavisnosti od intenziteta pumpanja, može doći do prijelaza na različite nivoe energije. Zatim dolazi do spontanih ili prisilnih prelazaka na niže nivoe energije.
U većini slučajeva nema potrebe da se razmatraju svi mogući prijelazi između svih stanja u sistemu. To omogućava da se govori o dvo-, tro- i četverostepenim laserskim operativnim shemama. Tip laserskog radnog kruga je određen svojstvima aktivnog medija, kao i korištenim metodom pumpanja.
Helijum-neonski laser radi prema šemi od tri nivoa, kao što je prikazano na sl. 3.1. U ovom slučaju su kanali za pumpanje i generiranje zračenja djelomično odvojeni. Pumpanje aktivne supstance uzrokuje prelaze sa nivoa tla E 0 do uzbuđenog nivoa E 2, što dovodi do pojave inverzije stanovništva između operativnih nivoa E 2 i E 1 . Aktivni medij u stanju sa populacijskom inverzijom radnih nivoa je sposoban pojačati elektromagnetno zračenje frekvencijom 
zbog stimuliranih emisionih procesa.
Rice. 3.1. Dijagram nivoa energije radnog i pomoćnog gasa koji objašnjava rad helijum-neonskog lasera
Budući da je proširenje energetskih nivoa u gasovima malo i ne postoje široki apsorpcioni pojasevi, teško je dobiti inverziju populacije pomoću optičkog zračenja. Međutim, u gasovima su moguće i druge metode pumpanja: direktna elektronska pobuda i rezonantni prenos energije tokom sudara atoma. Pobuđivanje atoma u sudaru s elektronima najlakše se može postići u električnom pražnjenju, gdje elektroni ubrzavaju električno polje 
može steći značajnu kinetičku energiju. Prilikom neelastičnih sudara elektrona sa atomima, potonji prelaze u pobuđeno stanje E 2:
Važno je da je proces (3.4) rezonantan po prirodi: vjerovatnoća prijenosa energije će biti maksimalna ako se pobuđena energetska stanja različitih atoma poklapaju, odnosno nalaze se u rezonanciji.
Energetski nivoi He i Ne i glavni operativni prelazi su detaljno prikazani na Sl. 3.2. Prelazi koji odgovaraju neelastičnim interakcijama atoma gasa sa brzim elektronima (3.2) i (3.3) prikazani su tačkastim strelicama nagore. Kao rezultat udara elektrona, atomi helijuma se pobuđuju do nivoa 2 1 S 0 i 2 3 S 1, koji su metastabilni. Radijacioni prelazi u helijumu u osnovno stanje 1 S 0 zabranjeni su pravilima selekcije. Kada se pobuđeni atomi He sudare sa atomima Ne koji se nalaze u osnovnom stanju 1 S 0, moguć je prijenos pobude (3.4), a neon prelazi na jedan od 2S ili 3S nivoa. U ovom slučaju, uslov rezonancije je zadovoljen, jer su energetski jazovi između osnovnog i pobuđenog stanja u pomoćnom i radnom gasu blizu jedan drugom.
Radijativni prijelazi se mogu javiti sa 2S i 3S nivoa neona na nivoe 2P i 3P. Nivoi P su manje naseljeni od gornjih nivoa S, jer nema direktnog prenosa energije sa He atoma na ove nivoe. Pored toga, nivoi P imaju kratak životni vek, a neradijativna tranzicija P → 1S uništava nivoe P. Dakle, nastaje situacija (3.1), kada je populacija gornjih S nivoa veća od populacije osnovnih P nivoa , tj. između S i P nivoa inverzija populacije, što znači da se prijelazi između njih mogu koristiti za lasersko generiranje.
Pošto je broj S i P nivoa veliki, moguć je veliki skup različitih kvantnih prelaza između njih. Konkretno, od četiri 2S nivoa do deset 2P nivoa, pravila odabira dozvoljavaju 30 različitih prelaza, od kojih većina generiše laser. Najjača emisiona linija tokom 2S→2P prelaza je linija na 1,1523 μm (infracrveno područje spektra). Za prelaze 3S→2P najznačajnija linija je 0,6328 μm (crvena regija), a za 3S→3P – 3,3913 μm (IR regija). Spontana emisija se javlja na svim navedenim talasnim dužinama.
Rice. 3.2. Energetski nivoi atoma helijuma i neona i radni dijagram He-Ne lasera
Kao što je ranije rečeno, nakon radijacionih prelaza na nivoe P, dolazi do neradijativnog raspadanja tokom prelaza P→1S. Nažalost, 1S nivoi neona su metastabilni, i ako mešavina gasa ne sadrži druge nečistoće, onda je jedini način da atomi neona pređu u osnovno stanje sa 1S nivoa je sudar sa zidovima posude. Iz tog razloga, pojačanje sistema se povećava kako se promjer cijevi za pražnjenje smanjuje. Kako se stanja 1S neona polako prazne, atomi Ne se zadržavaju u tim stanjima, što je vrlo nepoželjno i određuje niz karakteristika ovog lasera. Posebno, kada se struja pumpe poveća iznad granične vrijednosti j pora dolazi do naglog povećanja, a zatim do zasićenja, pa čak i do smanjenja snage laserskog zračenja, što se precizno objašnjava akumulacijom radnih čestica na 1S nivoima i potom njihovim prelaskom u 2P ili 3P stanja pri sudaru sa elektronima. Ovo ne omogućava postizanje visokih izlaznih snaga zračenja.
Pojava inverzije populacije zavisi od pritiska He i Ne u smeši i temperature elektrona. Optimalne vrijednosti tlaka plina su 133 Pa za He i 13 Pa za Ne. Temperatura elektrona je postavljena naponom primijenjenom na mješavinu plina. Obično se ovaj napon održava na nivou od 2...3 kV.
Za postizanje laserskog lasera potrebno je da u laseru postoji pozitivna povratna sprega, inače će uređaj raditi samo kao pojačalo. Da bi se to postiglo, aktivni plinski medij se stavlja u optički rezonator. Pored stvaranja povratne sprege, rezonator se koristi za odabir tipova oscilacija i odabir talasne dužine lasera, za šta se koriste posebna selektivna ogledala.
Na nivoima pumpe blizu praga, laseriranje pomoću jedne vrste oscilacija je relativno lako. Kako se nivo ekscitacije povećava, osim ako se ne preduzmu posebne mjere, javlja se niz drugih modova. U ovom slučaju, generiranje se događa na frekvencijama bliskim rezonantnim frekvencijama rezonatora, koje se nalaze unutar širine atomske linije. U slučaju aksijalnih tipova oscilacija (TEM 00 mod), frekvencijska udaljenost između susjednih maksimuma 
, Gdje L– dužina rezonatora. Kao rezultat istovremenog prisustva nekoliko modova u spektru zračenja, nastaju otkucaji i nehomogenosti. Kada bi postojali samo aksijalni modovi, tada bi spektar predstavljao zasebne linije, udaljenost između kojih bi bila jednaka c
/
2L. Ali u rezonatoru je također moguće pobuditi neaksijalne tipove oscilacija, na primjer TEM 10 modove, čije prisustvo jako ovisi o konfiguraciji zrcala. Stoga se u spektru zračenja pojavljuju dodatne satelitske linije, koje se nalaze simetrično po frekvenciji s obje strane aksijalnih tipova oscilacija. Pojava novih tipova oscilacija sa povećanjem nivoa pumpe lako se utvrđuje vizuelnim posmatranjem strukture polja zračenja. Takođe možete vizuelno posmatrati efekat podešavanja šupljine na strukturu koherentnih modova zračenja.
Gasovi su homogeniji od kondenzovanih medija. Zbog toga je svjetlosni snop u plinu manje izobličen i raspršen, a zračenje helijum-neonskog lasera se odlikuje dobrom stabilnošću frekvencije i visokom usmjerenošću, koja zbog fenomena difrakcije dostiže svoju granicu. Difrakcijska granica divergencije za konfokalnu šupljinu
|
|
,gdje je λ – talasna dužina; d 0 je prečnik svetlosnog snopa u njegovom najužem delu.
Zračenje helijum-neonskog lasera karakteriše visok stepen monohromatnosti i koherentnosti. Širina emisione linije takvog lasera je mnogo uža od "prirodne" širine spektralne linije i mnogo je redova veličine manja od maksimalne rezolucije modernih spektrometara. Stoga, da bi se to odredilo, mjeri se spektar otkucaja različitih modova u zračenju. Pored toga, zračenje ovog lasera je ravno polarizovano zbog upotrebe prozora koji se nalaze pod Brewsterovim uglom u odnosu na optičku os rezonatora.
Dokaz koherentnosti zračenja može se uočiti posmatranjem difrakcionog uzorka kada se zračenje primljeno iz različitih tačaka izvora superponira. Na primjer, koherentnost se može procijeniti posmatranjem interferencije iz sistema višestrukih proreza. Iz Youngovog iskustva poznato je da za posmatranje interferencije svjetlosti iz običnog „klasičnog” izvora, zračenje se prvo propušta kroz jedan prorez, a zatim kroz dva proreza, a zatim se na ekranu formiraju interferencijske resice. U slučaju korištenja laserskog zračenja, prvi prorez je nepotreban. Ova okolnost je fundamentalna. Osim toga, razmak između dva proreza i njihova širina mogu biti neproporcionalno veći nego u klasičnim eksperimentima. Na izlaznom prozoru gasnog lasera postoje dva proreza, razmak između kojih je 2 a. U slučaju kada je upadno zračenje koherentno, na ekranu koji se nalazi na udaljenosti d iz proreza će se uočiti interferencijski obrazac. U ovom slučaju, udaljenost između maksimuma (minimuma) traka
|
|
.1) aktivna supstanca; 2) pumpni izvor koji dovodi aktivnu supstancu u pobuđeno stanje; 3) optički rezonator koji se sastoji od dva paralelna ogledala (slika 20)
Rice. 20.
Helijum-neonski laser je laser čiji je aktivni medij mješavina helijuma i neona. Helij-neonski laseri se često koriste u laboratorijskim eksperimentima i optici. Ima radnu talasnu dužinu od 632,8 nm, nalazi se u crvenom delu vidljivog spektra.
Helijum-neonski laserski uređaj
Radni fluid helijum-neonskog lasera je mješavina helijuma i neona u omjeru 5:1, smještena u staklenoj tikvici pod niskim pritiskom (obično oko 300 Pa). Energija pumpanja se napaja iz dva električna punjača napona od oko 1000-5000 volti (u zavisnosti od dužine cijevi), smještena na krajevima tikvice. Rezonator takvog lasera obično se sastoji od dva zrcala - potpuno neprozirnog na jednoj strani sijalice i drugog koje prenosi oko 1% upadnog zračenja na izlaznoj strani uređaja.
Helijum-neonski laseri su kompaktni, tipična veličina šupljine je od 15 cm do 2 m, a njihova izlazna snaga varira od 1 do 100 mW.
Princip rada
Helijum-neonski laser. Svjetleći snop u sredini je električno pražnjenje.
U plinskom pražnjenju u mješavini helijuma i neona nastaju pobuđeni atomi oba elementa. Ispostavilo se da su energije metastabilnog nivoa helijuma 1 S 0 i nivoa zračenja neona 2p 5 5s I bile približno jednake - 20,616 odnosno 20,661 eV. Prijenos pobude između ova dva stanja odvija se u sljedećem procesu:
On* + Ne + DE On + Ne*
i ispostavilo se da je njegova efikasnost veoma velika (gde (*) pokazuje pobuđeno stanje, a DE je razlika u energetskim nivoima dva atoma.) Nedostajućih 0,05 eV uzima se iz kinetičke energije kretanja atoma. Populacija neonskog nivoa 2p 5 5s I raste i u određenom trenutku postaje veća od one na osnovnom nivou 2p 5 3p I. Dolazi do inverzije populacije nivoa - medij postaje sposoban za lasersko generiranje.
Kada atom neona pređe iz stanja 2p 5 5s Í u stanje 2p 5 3p Í, emituje se zračenje talasne dužine od 632,816 nm. Stanje 2p 5 3p I atoma neona je takođe radiativno sa kratkim životnim vekom i stoga se ovo stanje brzo depobuđuje u sistem nivoa 2p 5 3s, a zatim u osnovno stanje 2p 6 - bilo zbog emisije rezonantnog zračenja (zrači nivoa 2p 5 3s sistema) ili zbog sudara sa zidovima (metastabilni nivoi sistema 2p 5 3s).
Osim toga, pravilnim izborom ogledala šupljine moguće je dobiti lasersko lasersko zračenje na drugim talasnim dužinama: isti nivo 2p 5 5s I može preći na 2p 5 4p I emisijom fotona talasne dužine 3,39 μm, a nivo 2p 5 4s I koji nastaje prilikom sudara sa drugim metastabilnim nivoom helijuma, može ići na 2p 5 3p I, emitujući foton talasne dužine od 1,15 μm. Takođe je moguće dobiti lasersko zračenje na talasnim dužinama od 543,5 nm (zelena), 594 nm (žuta) ili 612 nm (narandžasta).
Opseg u kojem je očuvan efekat pojačanja zračenja laserskog radnog tijela je prilično uzak i iznosi oko 1,5 GHz, što se objašnjava prisustvom Doplerovog pomaka. Ovo svojstvo čini helijum-neonske lasere dobrim izvorima zračenja za upotrebu u holografiji, spektroskopiji i uređajima za čitanje bar kodova.
Ruby laser
Laser se sastoji od tri glavna dijela: aktivne (radne) tvari, rezonantnog sistema koji se sastoji od dvije paralelne ploče na koje su nanesene reflektirajuće prevlake i sistema pobude (pumpanja), koji je obično ksenonska blic lampa sa snagom. izvor.
Rubin je aluminijum oksid u kome su neki od atoma aluminijuma zamenjeni atomima hroma (Al2O3*Cr2O3).Aktivna supstanca su joni hroma Cr 3+. Njegova boja zavisi od sadržaja hroma u kristalu. Obično se koristi blijedoružičasti rubin, koji sadrži oko 0,05% hroma. Kristal rubina se uzgaja u posebnim pećima, a zatim se dobiveni radni komad žari i obrađuje, dajući mu oblik šipke. Dužina štapa se kreće od 2 do 30 cm, prečnik od 0,5 do 2 cm. Ravni krajevi su izvedeni striktno paralelno, brušeni i polirani sa velikom preciznošću. Ponekad se reflektirajuće površine ne nanose na pojedinačne reflektirajuće ploče, već direktno na krajeve rubinske šipke. Površine krajeva su posrebrene, a površina jednog kraja je potpuno reflektirajuća, a druga djelomično reflektirajuća. Tipično, propusnost svjetlosti drugog kraja je oko 10-25%, ali može biti različita.
Rubinska šipka je smještena u spiralnu pulsirajuću ksenonsku lampu, čiji zavojci ga okružuju sa svih strana. Bljesak lampe traje milisekunde. Za to vrijeme lampa troši energiju od nekoliko hiljada džula, od čega se većina troši na zagrijavanje uređaja. Drugi, manji dio, u obliku plavog i zelenog zračenja, rubin apsorbira. Ova energija obezbeđuje pobudu jona hroma.
U normalnom, nepobuđenom stanju, joni hroma se nalaze na donjem nivou 1. Kada se rubin ozrači svjetlošću ksenon lampe koja sadrži zeleni dio spektra, atomi hroma se pobuđuju i kreću se na gornji nivo 3, što odgovara na apsorpciju svjetlosti s talasnom dužinom od 5600 A. Širina apsorpcionog pojasa ovog nivoa je oko 800 A.
Sa nivoa 3, neki od pobuđenih atoma hroma se vraćaju na glavni nivo 1, a neki prelaze na nivo 2. Ovo je takozvani neradijativni prelaz, u kome joni hroma predaju deo svoje energije kristalnoj rešetki u oblik toplote. Verovatnoća prelaska sa nivoa 3 na nivo 2 je 200 puta veća, a sa nivoa 2 na nivo 1 je 300 puta manja nego sa nivoa 3 na nivo 1. To dovodi do činjenice da je nivo 2 naseljeniji od nivoa 1. Drugi Drugim riječima, populacija postaje invertirana i stvaraju se potrebni uslovi za intenzivne inducirane tranzicije.
Takav sistem je izuzetno nestabilan. Vjerovatnoća spontanih prijelaza u bilo kojem trenutku je vrlo visoka. Prvi foton koji se pojavi tokom spontane tranzicije, prema zakonu indukovanog zračenja, izbaciće drugi foton iz susednog atoma, prenoseći emitujući atom u osnovno stanje. Tada će ova dva fotona izbaciti još dva, nakon čega će ih biti četiri, itd. Proces se povećava gotovo trenutno. Prvi talas zračenja, dospevši na reflektujuću površinu, će se vratiti i izazvati dalje povećanje broja indukovanih prelaza i intenziteta zračenja. Refleksija od reflektirajućih površina rezonatora će se ponoviti mnogo puta, a ako se izgubi snaga tokom refleksije, uzrokovana nesavršenošću reflektirajućih premaza, kao i prozirnošću jednog od krajeva štapa, kroz koji prolazi tok zračenja. će eksplodirati na početku generiranja, neće premašiti snagu koja se dobije kao rezultat početka generiranja zraka formiranog u laserskom štapu, generacija će se povećati i snaga će se povećavati sve dok većina pobuđenih čestica aktivne supstance (joni hroma) odustaju od energije stečene u trenutku ekscitacije. Snop vrlo visokog intenziteta će se pustiti kroz djelomično posrebreni kraj štapa. Smjer zraka bit će striktno paralelan s osom rubina.
Oni fotoni, čiji se pravac širenja na početku njihovog pojavljivanja nije poklapao sa osom štapa, proći će kroz bočne zidove štapa, a da pritom ne izazovu bilo kakvu primetnu generaciju.
To je ponovljeni prolaz generiranog svjetlosnog vala između krajnjih zidova rezonatora bez ikakvog značajnog odstupanja od ose štapa koji daje zraku strogu usmjerenost i ogromnu izlaznu snagu.
27. Helijum-neonski laser.
Laser čiji je aktivni medij mješavina helijuma i neona. Helij-neonski laseri se često koriste u laboratorijskim eksperimentima i optici. Ima radnu talasnu dužinu od 632,8 nm, nalazi se u crvenom delu vidljivog spektra.
Radni fluid helijum-neonskog lasera je mješavina helijuma i neona u omjeru 5:1, smještena u staklenoj tikvici pod niskim pritiskom (obično oko 300 Pa). Energija pumpanja se napaja iz dva električna pražnika napona od oko 1000 volti, koja se nalaze na krajevima sijalice. Rezonator takvog lasera se obično sastoji od dva zrcala - potpuno neprozirna sa jedne strane sijalice i drugog, koja emituju oko 1% upadnog zračenja na izlaznoj strani uređaja. Helijum-neonski laseri su kompaktni, tipične veličine rezonatora je od 15 cm do 0,5 m, njihova izlazna snaga varira od 1 do 100 mW.
Princip rada: U plinskom pražnjenju u mješavini helijuma i neona nastaju pobuđeni atomi oba elementa. Ispostavilo se da su energije metastabilnog nivoa helijuma 1S0 i radijacionog nivoa neona 2p55s² približno jednake - 20,616 i 20,661 eV, respektivno. Prijenos pobude između ova dva stanja odvija se u sljedećem procesu: He* + Ne + ΔE → He + Ne* i njegova efikasnost je vrlo visoka (gdje (*) pokazuje pobuđeno stanje, a ΔE je razlika u energetski nivoi dva atoma.) Nedostajućih 0,05 eV uzima se iz kinetičke energije atomskog kretanja. Populacija neonskog nivoa 2p55s² raste i u određenom trenutku postaje veća od populacije nivoa 2p53p². Dolazi do inverzije populacije nivoa - medij postaje sposoban za lasersko generiranje.Kada atom neona prijeđe iz stanja 2p55s² u stanje 2p53p², emituje se zračenje talasne dužine od 632.816 nm. Stanje 2p53p atoma neona je također radiativno s kratkim vijekom trajanja i stoga se ovo stanje brzo deekscitira u sistem nivoa 2p53s, a zatim u osnovno stanje 2p6 - bilo zbog emisije rezonantnog zračenja (emitujući nivoe 2p53s sistema) , ili zbog sudara sa zidovima (metastabilni nivoi sistema 2p53s).Osim toga, pravilnim izborom ogledala šupljina, moguće je dobiti lasersko laseriranje na drugim talasnim dužinama: isti nivo 2p55s² može ići na 2p54p² sa emisijom foton sa talasnom dužinom od 3,39 μm i nivoom 2p54s² koji nastaje tokom sudara sa različitim metastabilnim nivoom helijuma, može da se prebaci na 2p53p², emitujući foton talasne dužine od 1,15 μm. Lasersko zračenje je moguće dobiti i na talasnim dužinama od 543,5 nm (zelena), 594 nm (žuta) ili 612 nm (narandžasta). Opseg u kome ostaje efekat pojačanja zračenja laserskog radnog tela je prilično uzak, a je oko 1,5 GHz, što se objašnjava prisustvom Doplerovog pomaka. Ovo svojstvo čini helijum-neonske lasere dobrim izvorima zračenja za upotrebu u holografiji, spektroskopiji i uređajima za čitanje bar kodova.
Najčešći gasni laser je helijum-neonski ( He-Ne) laser (neutralni atom laser), koji djeluje na mješavinu helijuma i neona u omjeru 10:1. Ovaj laser je ujedno i prvi kontinuirani laser.
Razmotrimo energetski dijagram nivoa helijuma i neona (slika 3.4). Generacija se dešava između nivoa neona, a helijum se dodaje da bi se izvršio proces pumpanja. Kao što se vidi sa slike, nivoi 2 3 S 1 I 2 1 S 0 helijum se, shodno tome, nalaze blizu nivoa 2s I 3s ne ona. Zbog nivoa helijuma 2 3 S 1 I 2 1 S 0 su metastabilni, onda kada se metastabilni pobuđeni atomi helija sudare sa atomima neona, doći će do rezonantnog prenosa energije na atome neona (sudari druge vrste).
Dakle, nivoi 2s I 3s neon se može naseliti i, prema tome, može doći do generisanja sa ovih nivoa. Životni vijek s-država ( ts»100 ns) mnogo duži životni vek R-država ( t r»10 ns), stoga je ispunjen uslov da laser radi po šemi od četiri nivoa:
1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .
Generisanje lasera je moguće na jednom od prelaza a, b, c prema talasnim dužinama l a=3,39 µm, l b=0,633 µm, l sa=1,15 µm, što se može dobiti odabirom refleksije ogledala rezonatora ili uvođenjem disperzivnih elemenata u rezonator.
Rice. 3.4. Dijagram energetskih nivoa helijuma i neona.
Razmotrimo laserske karakteristike takvog lasera.
Sl.3.5. Laserske karakteristike helijum-neonskog lasera.
Početno povećanje izlazne snage sa povećanjem struje pumpe objašnjava se inverzijom stanovništva. Nakon postizanja maksimalne snage, uz daljnje povećanje struje pumpe, kriva počinje opadati. Ovo se objašnjava činjenicom da nivoi 2p i 1s nemaju vremena za opuštanje, tj. elektroni nemaju vremena da pređu na niski energetski nivo i broj elektrona u susjednim 2p i 1s nivoima postaje isti. U ovom slučaju nema inverzije.
Efikasnost helijum-neonskih lasera je reda veličine 0,1%, što se objašnjava malom zapreminskom gustinom pobuđenih čestica. Tipična izlazna snaga He-Ne–laser P~5-50 mW, divergencija q~1 mrad.
Argonski laser
Ovo su najmoćniji kontinuirani laseri u vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra koji se odnosi na ionske gasne lasere. Gornji nivo lasera u radnom gasu je popunjen sa dva uzastopna sudara elektrona tokom električnog pražnjenja. Prilikom prvog sudara nastaju joni iz neutralnih atoma, a pri drugom se ti ioni pobuđuju. Stoga je pumpanje proces u dva koraka, pri čemu je efikasnost svakog koraka proporcionalna gustoći struje. Za efikasno pumpanje potrebne su dovoljno velike gustine struje.
Uključen dijagram nivoa energije lasera Ar+ prikazano na sl. 3.3. Laserska emisija u linijama između 454,5 nm i 528,7 nm nastaje kada se popuni grupa nivoa 4p pobuđivanjem osnovnih ili metastabilnih stanja elektronskim udarom Ar+.
3.5 CO 2 laser
Molekularno CO 2– laseri su najmoćniji kontinuirani laseri među gasnim laserima, zbog najveće efikasnosti pretvaranja električne energije u energiju zračenja (15-20%). Generacija lasera se dešava na vibraciono-rotacionim prelazima i emisione linije ovih lasera su u dalekom IR području, koje se nalaze na talasnim dužinama od 9,4 μm i 10,4 μm.
IN CO 2– laser koristi mješavinu plinova CO 2, N 2 I On. Pumpanje se vrši direktno tokom sudara molekula CO 2 sa elektronima i vibracijski pobuđenim molekulima N 2. Visoka toplotna provodljivost He u smeši podstiče hlađenje CO 2, što dovodi do iscrpljivanja donjeg laserskog nivoa, naseljenog kao rezultat termičke ekscitacije. Dakle, prisustvo N 2 u smjesi doprinosi visokoj populaciji gornjeg laserskog nivoa i prisutnosti On– iscrpljivanje donjeg nivoa, a na kraju zajedno dovode do povećanja inverzije stanovništva. Dijagram nivoa energije CO 2-laser je prikazan na sl. 3.4. Generacija lasera se dešava tokom prelaza između vibracionih stanja molekula CO 2 n 3 Þn 1 ili n 3 Þn 2 sa promjenom rotacijskog stanja.
Rice. 3.4. Dijagram nivoa energije N 2 I CO 2 V CO 2–laser.
CO 2– laser može raditi u kontinuiranom i impulsnom režimu rada. U kontinuiranom načinu rada, njegova izlazna snaga može doseći nekoliko kilovata.
Helij-neonski laser, zajedno s diodnim ili poluvodičkim laserima, jedan je od najčešće korištenih i najpristupačnijih lasera za vidljivo područje spektra. Snaga laserskih sistema ove vrste, namenjenih uglavnom za komercijalne svrhe, kreće se od 1 mW do nekoliko desetina mW. Posebno su popularni ne tako moćni He-Ne laseri reda veličine 1 mW, koji se koriste uglavnom kao uređaji za kotiranje, kao i za rješavanje drugih problema iz oblasti mjerne tehnike. U infracrvenom i crvenom opsegu, helijum-neonski laser sve više se zamjenjuje diodnim laserom. He-Ne laseri su u stanju, uz crvene linije, da emituju i narandžaste, žute i zelene linije, što se postiže zahvaljujući odgovarajućim selektivnim ogledalima.
Dijagram nivoa energije
Energetski nivoi helijuma i neona koji su najvažniji za funkciju He-Ne lasera prikazani su na Sl. 1. Laserski prijelazi se javljaju u atomu neona, pri čemu su najintenzivnije linije rezultat prijelaza s talasnim dužinama 633, 1153 i 3391 (vidi tabelu 1).
Elektronska konfiguracija neona u osnovnom stanju izgleda ovako: 1s22s22p6, sa prvom ljuskom (n = 1) i drugom ljuskom (n = 2) ispunjenim sa dva odnosno osam elektrona. Viša stanja na sl. 1 nastaju kao rezultat činjenice da postoji ljuska 1s22s22p5, a svjetlosni (optički) elektron se pobuđuje prema shemi: 3s, 4s, 5s,..., Zr, 4r,... itd. Dakle, govorimo o stanju jednog elektrona koje komunicira sa ljuskom. U LS (Russell - Saunders) šemi, energetskim nivoima neona dato je jednoelektronsko stanje (na primjer, 5s), kao i rezultirajući ukupni orbitalni moment L (= S, P, D...). U oznakama S, P, D,..., donji indeks pokazuje ukupni orbitalni moment J, a gornji indeks pokazuje višestrukost 2S + 1, na primjer, 5s1P1. Često se koristi čisto fenomenološka oznaka prema Paschenu (slika 1). U ovom slučaju, podnivoi pobuđenih elektronskih stanja se broje od 2 do 5 (za s-stanja) i od 1 do 10 (za p-stanja).
Rice. 1. Dijagram nivoa energije He-Ne lasera. Za neon, nivoi su označeni prema Paschenu, odnosno: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5, itd.
Tabela 1. Oznake prelaza intenzivnih linija He-Ne lasera
Uzbuđenje
Aktivni medij helijum-neonskog lasera je mješavina plina kojoj se električnim pražnjenjem dovodi potrebna energija. Gornji nivoi lasera (2s i 2p prema Paschenu) se selektivno popunjavaju na osnovu sudara sa metastabilnim atomima helijuma (23S1, 21S0). Tokom ovih sudara, ne samo da se razmjenjuje kinetička energija, već se i energija pobuđenih atoma helijuma prenosi na atome neona. Ovaj proces se naziva kolizija druge vrste:
He* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)
gdje zvjezdica (*) simbolizira pobuđeno stanje. Razlika energije u slučaju pobude 2s nivoa je: &DeltaE=0,05 eV. Tokom sudara, postojeća razlika se pretvara u kinetičku energiju, koja se zatim distribuira kao toplota. Za nivo 3s vrijede identični odnosi. Ovaj rezonantni prijenos energije s helijuma na neon je glavni proces pumpanja pri stvaranju inverzije populacije. U ovom slučaju, dug životni vek metastabilnog stanja nema povoljan uticaj na selektivnost populacije gornjeg laserskog nivoa.
Pobuđivanje atoma He nastaje na osnovu sudara elektrona - bilo direktno ili kroz dodatne kaskadne prelaze sa viših nivoa. Zbog dugovječnih metastabilnih stanja, gustina atoma helijuma u tim stanjima je vrlo visoka. Gornji laserski nivoi 2s i 3s mogu - uzimajući u obzir pravila odabira za električne Doplerove prelaze - ići samo na osnovne p-nivoe. Za uspješno generiranje laserskog zračenja izuzetno je važno da vijek trajanja s-stanja (gornji laserski nivo) = približno 100 ns premašuje vijek trajanja p-stanja (donji laserski nivo) = 10 ns.
Talasne dužine
Zatim ćemo detaljnije razmotriti najvažnije laserske prijelaze koristeći Sl. 1 i podaci iz tabele 1. Najpoznatija linija u crvenom području spektra (0,63 μm) nastaje zbog prijelaza 3s2 → 2r4. Donji nivo je podeljen kao rezultat spontane emisije u roku od 10 ns na nivo od 1s (slika 1). Potonji je otporan na cijepanje zbog električnog dipolnog zračenja, pa se odlikuje dugim prirodnim vijekom trajanja. Stoga su atomi koncentrirani u datom stanju, koje se ispostavilo da je jako naseljeno. U plinskom pražnjenju, atomi u ovom stanju sudaraju se s elektronima, a zatim se nivoi 2p i 3s ponovo pobuđuju. Istovremeno se smanjuje inverzija populacije, što ograničava snagu lasera. Do iscrpljivanja ls stanja dolazi kod helijum-neonskih lasera uglavnom zbog sudara sa zidom cijevi s plinskim pražnjenjem, pa se, kako se promjer cijevi povećava, uočava smanjenje pojačanja i smanjenje efikasnosti. Stoga je u praksi promjer ograničen na približno 1 mm, što zauzvrat ograničava izlaznu snagu He-Ne lasera na nekoliko desetina mW.
Elektronske konfiguracije 2s, 3s, 2p i 3p koje učestvuju u laserskoj tranziciji podijeljene su na brojne podnivoe. To dovodi, na primjer, do daljih prijelaza u vidljivom području spektra, kao što se može vidjeti iz tabele 2. Za sve vidljive linije He-Ne lasera, kvantna efikasnost je oko 10%, što nije toliko. Dijagram nivoa (slika 1) pokazuje da se gornji laserski nivoi nalaze približno 20 eV iznad osnovnog stanja. Energija crvenog laserskog zračenja je samo 2 eV.
Tabela 2. Talasne dužine λ, izlazne snage i širine linija Δ ƒ He-Ne laser (oznake Paschenovog prijelaza)
| Boja | λ nm |
Tranzicija (prema Paschenu) |
Snaga mW |
Δ ƒ MHz |
Dobitak %/m |
| Infracrveni | 3 391 | 3s2 → 3p4 | > 10 | 280 | 10 000 |
| Infracrveni | 1 523 | 2s2 → 2p1 | 1 | 625 | |
| Infracrveni | 1 153 | 2s2 → 2p4 | 1 | 825 | |
| Crveni | 640 | 3s2 → 2p2 | |||
| Crveni | 635 | 3s2 → 2p3 | |||
| Crveni | 633 | 3s2 → 2p4 | > 10 | 1500 | 10 |
| Crveni | 629 | 3s2 → 2p5 | |||
| Narandžasta | 612 | 3s2 → 2p6 | 1 | 1 550 | 1.7 |
| Narandžasta | 604 | 3s2 → 2p7 | |||
| Žuta | 594 | 3s2 → 2p8 | 1 | 1 600 | 0.5 |
| Žuta | 543 | 3s2 → 2p10 | 1 | 1 750 | 0.5 |
Emisija u infracrvenom opsegu oko 1,157 μm se javlja kroz 2s → 2p prelaze. Isto važi i za nešto slabiju liniju na približno 1,512 µm. Obje ove infracrvene linije se koriste u komercijalnim laserima.
Karakteristična karakteristika linije u IC opsegu od 3.391 μm je njeno visoko pojačanje. U području slabih signala, odnosno sa jednim prolazom slabih svjetlosnih signala, iznosi oko 20 dB/m. Ovo odgovara faktoru 100 za laser dužine 1 metar. Gornji nivo lasera je isti kao i za poznati crveni prelaz (0,63 μm). Visok dobitak, s jedne strane, uzrokovan je izuzetno kratkim vijekom trajanja na nižem nivou 3p. S druge strane, to se objašnjava relativno dugom talasnom dužinom i, shodno tome, niskom frekvencijom zračenja. Obično se omjer stimuliranih i spontanih emisija povećava za niske frekvencije ƒ. Pojačanje slabih signala g obično je proporcionalno g ~ƒ2.
Bez selektivnih elemenata, helijum-neonski laser bi emitovao na liniji od 3,39 µm, a ne u crvenoj oblasti na 0,63 µm. Pobuđivanje infracrvene linije sprečava se ili selektivnim ogledalom rezonatora ili apsorpcijom u Brewsterovim prozorima cevi za pražnjenje gasa. Zahvaljujući tome, prag laserskog lasera se može podići na nivo dovoljan da emituje 3,39 µm, tako da se ovde pojavljuje samo slabija crvena linija.
Dizajn
Elektroni neophodni za pobudu generišu se u gasnom pražnjenju (slika 2), koje se može koristiti sa naponom od oko 12 kV pri strujama od 5 do 10 mA. Tipična dužina pražnjenja je 10 cm ili više, prečnik kapilara za pražnjenje je oko 1 mm i odgovara prečniku emitovanog laserskog snopa. Kako se promjer cijevi za pražnjenje plina povećava, efikasnost se smanjuje, jer su sudari sa stijenkom cijevi potrebni da bi se ispraznio nivo ls. Za optimalnu izlaznu snagu koristi se ukupni pritisak punjenja (p): p·D = 500 Pa·mm, gde je D prečnik cevi. Omjer mješavine He/Ne ovisi o željenoj laserskoj liniji. Za poznatu crvenu liniju imamo He: Ne = 5:l, a za infracrvenu liniju oko 1,15 μm - He:Ne = 10:l. Čini se da je i optimizacija gustine struje važan aspekt. Efikasnost za liniju od 633 nm je oko 0,1%, pošto proces ekscitacije u ovom slučaju nije veoma efikasan. Vek trajanja helijum-neonskog lasera je oko 20.000 radnih sati.
Rice. 2. Dizajn He-Ne lasera za polarizovano zračenje u mW opsegu
Pojačanje u takvim uslovima je na g=0,1 m-1, pa je neophodno koristiti ogledala sa visokom refleksijom. Za izlazak iz laserskog snopa samo s jedne strane, tamo je ugrađeno djelomično propusno (prozirno) ogledalo (na primjer, sa R = 98%), a s druge strane - ogledalo s najvećom refleksijom (~ 100%). Dobitak za druge vidljive prelaze je mnogo manji (vidi tabelu 2). U komercijalne svrhe, ove linije su postignute tek posljednjih godina korištenjem ogledala koje karakteriziraju izuzetno mali gubici.
Ranije su helijum-neonskim laserom izlazni prozori cijevi za plinsko pražnjenje fiksirani epoksidnom smolom, a ogledala su montirana spolja. To je uzrokovalo da helijum difundira kroz ljepilo i vodena para da uđe u laser. Danas se ovi prozori fiksiraju direktnim zavarivanjem metala na staklo, što smanjuje curenje helijuma na otprilike 1 Pa godišnje. U slučaju malih lasera masovne proizvodnje, zrcalni premaz se nanosi direktno na izlazne prozore, što uvelike pojednostavljuje cijeli dizajn.
Svojstva greda
Za odabir smjera polarizacije, lampa s pražnjenjem u plinu je opremljena sa dva nagnuta prozora ili, kao što je prikazano na sl. 2, Brewsterova ploča je umetnuta u rezonator. Reflektivnost na optičkoj površini postaje nula ako svjetlost pada pod takozvanim Brewsterovim kutom i polarizirana je paralelno s ravninom upada. Dakle, zračenje s ovim smjerom polarizacije prolazi kroz Brewsterov prozor bez gubitaka. U isto vrijeme, reflektivnost komponente polarizirane okomito na ravan upada je prilično visoka i potisnuta je u laseru.
Omjer polarizacije (odnos snage u smjeru polarizacije prema snazi okomitoj na ovaj smjer) je 1000:1 za konvencionalne komercijalne sisteme. Kada laser radi bez Brewsterovih ploča sa unutrašnjim ogledalima, stvara se nepolarizovano zračenje.
Laser obično generiše u poprečnom TEM00 modu (mod nižeg reda), a formira se nekoliko uzdužnih (aksijalnih) modova odjednom. Kada je rastojanje između ogledala (dužina laserske šupljine) L = 30 cm, intermodski frekvencijski interval je Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. Centralna frekvencija je na nivou od 4,7·1014 Hz. S obzirom da se pojačanje svjetlosti može dogoditi u opsegu Δƒ = 1500 MHz (Doplerova širina), na L = 30CM se emituju tri različite frekvencije: Δƒ/Δƒ`= 3. Kada se koristi manji razmak ogledala (<= 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.
Helijum-neonski laseri oko 10 mW često se koriste u interferometriji ili holografiji. Dužina koherentnosti takvih lasera masovne proizvodnje kreće se od 20 do 30 cm, što je sasvim dovoljno za holografiju malih objekata. Veće dužine koherentnosti se dobijaju upotrebom serijskih frekvencijsko-selektivnih elemenata.
Kada se optička udaljenost između ogledala promijeni kao rezultat toplinskih ili drugih efekata, aksijalne prirodne frekvencije laserske šupljine se pomjeraju. Kod jednofrekventne generacije ovdje se ne postiže stabilna frekvencija zračenja - ona se nekontrolirano kreće u rasponu širine linije od 1500 MHz. Pomoću dodatne elektronske regulacije, stabilizacija frekvencije može se postići tačno u centru linije (za komercijalne sisteme je moguća stabilnost frekvencije od nekoliko MHz). U istraživačkim laboratorijama ponekad je moguće stabilizirati helijum-neonski laser na opseg manji od 1 Hz.
Korištenjem odgovarajućih ogledala, različite linije iz Tabele 4.2 mogu se potaknuti da generiraju lasersko zračenje. Najčešće korištena vidljiva linija je oko 633 nm sa tipičnim snagama od nekoliko milivata. Nakon potiskivanja intenzivne laserske linije oko 633 nm, druge linije u vidljivom opsegu mogu se pojaviti u šupljini upotrebom selektivnih ogledala ili prizmi (vidi tabelu 2). Međutim, izlazna snaga ovih linija je samo 10% izlazne snage intenzivne linije ili čak i manje.
Komercijalni helijum-neonski laseri dostupni su u različitim valnim dužinama. Pored njih, postoje i laseri koji generišu na mnogo linija i sposobni su da emituju talase mnogih dužina u raznim kombinacijama. U slučaju podesivih He-Ne lasera, predlaže se odabir tražene talasne dužine rotacijom prizme.
