Le but du travail est d'étudier les principales caractéristiques et paramètres d'un laser à gaz, dans lequel un mélange de gaz hélium et néon est utilisé comme substance active.
3.1. Principe de fonctionnement du laser hélium-néon
Le laser He-Ne est le laser à gaz typique et le plus courant. Il appartient aux lasers à gaz atomiques et son milieu actif est un mélange d'atomes neutres (non ionisés) de gaz inertes - hélium et néon. Le néon est un gaz actif et des transitions se produisent entre ses niveaux d'énergie avec l'émission d'un rayonnement électromagnétique cohérent. L'hélium joue le rôle de gaz auxiliaire et contribue à l'excitation du néon et à la création d'une inversion de population en son sein.
Pour commencer à utiliser un laser, deux conditions les plus importantes doivent être remplies :
1. Il doit y avoir une inversion de population entre les niveaux laser de travail.
2. Le gain dans le milieu actif doit dépasser toutes les pertes dans le laser, y compris les pertes « utiles » pour le rayonnement.
S'il y a deux niveaux dans le système E 1 Et E 2 avec le nombre de particules sur chacune d'elles respectivement N 1 Et N 2 et degré de dégénérescence g 1 Et g 2, alors l’inversion de population se produira lorsque la population N 2 /g 2 niveaux supérieurs E 2 il y aura plus de population N 1 /g 1 niveau inférieur E 1, c'est-à-dire le degré d'inversion Δ N sera positif :
Si les niveaux E 1 Et E 2 sont non dégénérés, alors pour que l'inversion se produise, il faut que le nombre de particules N 2 au niveau supérieur E 2 était plus que le nombre de particules N 1 au niveau inférieur E 1 . Niveaux entre lesquels sont appelés la formation d'une inversion de population et l'apparition de transitions forcées avec émission de rayonnement électromagnétique cohérent niveaux laser fonctionnels.
L'état d'inversion de population est créé en utilisant pompage– excitation des atomes de gaz par diverses méthodes. Grâce à l'énergie d'une source externe appelée source de pompe, Ne atome du niveau d'énergie du sol E 0, correspondant à l'état d'équilibre thermodynamique, passe à l'état excité Ne*. Des transitions peuvent se produire vers différents niveaux d'énergie en fonction de l'intensité du pompage. Ensuite, des transitions spontanées ou forcées vers des niveaux d’énergie inférieurs se produisent.
Dans la plupart des cas, il n’est pas nécessaire de considérer toutes les transitions possibles entre tous les états du système. Cela permet de parler de schémas de fonctionnement laser à deux, trois et quatre niveaux. Le type de circuit de fonctionnement du laser est déterminé par les propriétés du milieu actif, ainsi que par la méthode de pompage utilisée.
Le laser hélium-néon fonctionne selon un schéma à trois niveaux, comme le montre la Fig. 3.1. Dans ce cas, les canaux de pompage et de génération de rayonnement sont partiellement séparés. Le pompage de la substance active provoque des transitions depuis le niveau du sol E 0 au niveau excité E 2, ce qui conduit à l'apparition d'une inversion de population entre les niveaux d'exploitation E 2 et E 1 . Un milieu actif dans un état d'inversion de population des niveaux de fonctionnement est capable d'amplifier un rayonnement électromagnétique avec une fréquence 
en raison de processus d’émission stimulés.
Riz. 3.1. Schéma des niveaux d'énergie du gaz de travail et auxiliaire, expliquant le fonctionnement d'un laser hélium-néon
Étant donné que l’élargissement des niveaux d’énergie dans les gaz est faible et qu’il n’existe pas de larges bandes d’absorption, il est difficile d’obtenir une inversion de population à l’aide d’un rayonnement optique. Cependant, d’autres méthodes de pompage sont possibles dans les gaz : excitation électronique directe et transfert d’énergie résonante lors de collisions d’atomes. L'excitation des atomes lors de collisions avec des électrons peut être réalisée plus facilement dans une décharge électrique, où les électrons sont accélérés par un champ électrique. 
peut acquérir une énergie cinétique importante. Lors de collisions inélastiques d'électrons avec des atomes, ces derniers passent dans un état excité E 2:
Il est important que le processus (3.4) soit de nature résonante : la probabilité de transfert d'énergie sera maximale si les états énergétiques excités de différents atomes coïncident, c'est-à-dire qu'ils sont en résonance.
Les niveaux d'énergie de He et Ne et les principales transitions opérationnelles sont présentés en détail sur la Fig. 3.2. Les transitions correspondant aux interactions inélastiques des atomes de gaz avec les électrons rapides (3.2) et (3.3) sont représentées par des flèches pointillées vers le haut. À la suite de l'impact électronique, les atomes d'hélium sont excités jusqu'aux niveaux 2 1 S 0 et 2 3 S 1, qui sont métastables. Les transitions radiatives dans l'hélium vers l'état fondamental 1 S 0 sont interdites par les règles de sélection. Lorsque des atomes de He excités entrent en collision avec des atomes de Ne situés dans l'état fondamental 1 S 0, le transfert d'excitation (3.4) est possible et le néon passe à l'un des niveaux 2S ou 3S. Dans ce cas, la condition de résonance est satisfaite, car les écarts d'énergie entre les états fondamental et excité dans le gaz auxiliaire et le gaz de travail sont proches les uns des autres.
Des transitions radiatives peuvent se produire depuis les niveaux 2S et 3S du néon vers les niveaux 2P et 3P. Les niveaux P sont moins peuplés que les niveaux S supérieurs, car il n’y a pas de transfert direct d’énergie des atomes d’He vers ces niveaux. De plus, les niveaux P ont une durée de vie courte et la transition non radiative P → 1S dévaste les niveaux P. Ainsi, une situation se présente (3.1), où la population des niveaux S supérieurs est supérieure à la population des niveaux P sous-jacents. , c'est-à-dire qu'entre les niveaux S et P, une inversion de population, ce qui signifie que les transitions entre eux peuvent être utilisées pour la génération laser.
Étant donné que le nombre de niveaux S et P est important, un large éventail de transitions quantiques différentes entre eux est possible. En particulier, de quatre niveaux 2S à dix niveaux 2P, les règles de sélection autorisent 30 transitions différentes, dont la plupart génèrent du laser. La raie d'émission la plus forte lors des transitions 2S → 2P est la raie à 1,1523 μm (région infrarouge du spectre). Pour les transitions 3S → 2P, la ligne la plus significative est de 0,6328 μm (région rouge) et pour 3S → 3P – 3,3913 μm (région IR). L'émission spontanée se produit à toutes les longueurs d'onde répertoriées.
Riz. 3.2. Niveaux d'énergie des atomes d'hélium et de néon et schéma de fonctionnement d'un laser He-Ne
Comme indiqué précédemment, après les transitions radiatives vers les niveaux P, une désintégration radiative non radiative se produit pendant les transitions P → 1 S. Malheureusement, les niveaux 1S du néon sont métastables et si le mélange gazeux ne contient pas d'autres impuretés, la seule façon pour les atomes de néon de passer du niveau 1S à l'état fondamental est la collision avec les parois du récipient. Pour cette raison, le gain du système augmente à mesure que le diamètre du tube à décharge diminue. Étant donné que les états du néon 1S se vident lentement, les atomes de Ne sont retenus dans ces états, ce qui est très indésirable et détermine un certain nombre de caractéristiques de ce laser. En particulier, lorsque le courant de la pompe augmente au-dessus de la valeur seuil j pores il y a une augmentation rapide, puis une saturation et même une diminution de la puissance du rayonnement laser, ce qui s'explique précisément par l'accumulation de particules de travail aux niveaux 1S puis leur transfert vers les états 2P ou 3P lors d'une collision avec des électrons. Ceci ne permet pas d'obtenir des puissances de rayonnement de sortie élevées.
L'apparition d'une inversion de population dépend de la pression de He et Ne dans le mélange et de la température des électrons. Les valeurs optimales de pression de gaz sont de 133 Pa pour He et 13 Pa pour Ne. La température électronique est fixée par la tension appliquée au mélange gazeux. Généralement, cette tension est maintenue à un niveau de 2 à 3 kV.
Pour obtenir un laser laser, il est nécessaire qu'une rétroaction positive existe dans le laser, sinon l'appareil ne fonctionnera que comme un amplificateur. Pour ce faire, le milieu gazeux actif est placé dans un résonateur optique. En plus de créer un retour, le résonateur est utilisé pour sélectionner les types d'oscillations et sélectionner la longueur d'onde laser, pour laquelle des miroirs sélectifs spéciaux sont utilisés.
À des niveaux de pompe proches du seuil, l’utilisation d’un laser utilisant un seul type d’oscillation est relativement simple. À mesure que le niveau d’excitation augmente, à moins que des mesures spéciales ne soient prises, un certain nombre d’autres modes apparaissent. Dans ce cas, la génération se produit à des fréquences proches des fréquences de résonance du résonateur, qui sont contenues dans la largeur de la raie atomique. Dans le cas d'oscillations de type axial (mode TEM 00), la distance de fréquence entre les maxima adjacents 
, Où L– longueur du résonateur. En raison de la présence simultanée de plusieurs modes dans le spectre de rayonnement, des battements et des inhomogénéités apparaissent. S'il n'existait que des modes axiaux, alors le spectre serait constitué de raies distinctes dont la distance serait égale à c
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2L. Mais dans le résonateur, il est également possible d'exciter des types d'oscillations non axiales, par exemple des modes TEM 10, dont la présence dépend fortement de la configuration des miroirs. Par conséquent, des raies satellites supplémentaires apparaissent dans le spectre de rayonnement, situées symétriquement en fréquence des deux côtés des types d'oscillations axiales. L'émergence de nouveaux types d'oscillations avec l'augmentation du niveau de pompe est facilement déterminée par l'observation visuelle de la structure du champ de rayonnement. Vous pouvez également observer visuellement l'effet de l'ajustement de la cavité sur la structure des modes de rayonnement cohérent.
Les gaz sont plus homogènes que les milieux condensés. Par conséquent, le faisceau lumineux dans le gaz est moins déformé et diffusé, et le rayonnement d'un laser hélium-néon se caractérise par une bonne stabilité de fréquence et une directivité élevée, qui atteint sa limite en raison des phénomènes de diffraction. Limite de divergence de diffraction pour une cavité confocale
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,où λ – longueur d'onde ; d 0 est le diamètre du faisceau lumineux dans sa partie la plus étroite.
Le rayonnement d'un laser hélium-néon se caractérise par un degré élevé de monochromaticité et de cohérence. La largeur de la raie d’émission d’un tel laser est beaucoup plus étroite que la largeur de la raie spectrale « naturelle » et est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la résolution maximale des spectromètres modernes. Par conséquent, pour le déterminer, le spectre de battement de différents modes du rayonnement est mesuré. De plus, le rayonnement de ce laser est polarisé dans le plan grâce à l'utilisation de fenêtres situées selon l'angle de Brewster par rapport à l'axe optique du résonateur.
La cohérence du rayonnement peut être observée en observant le diagramme de diffraction lorsque le rayonnement reçu de différents points de la source est superposé. Par exemple, la cohérence peut être évaluée en observant les interférences provenant d’un système de fentes multiples. D'après l'expérience de Young, on sait que pour observer l'interférence de la lumière provenant d'une source « classique » ordinaire, le rayonnement passe d'abord à travers une fente, puis à travers deux fentes, puis des franges d'interférence se forment sur l'écran. Dans le cas de l'utilisation d'un rayonnement laser, la première fente n'est pas nécessaire. Cette circonstance est fondamentale. De plus, la distance entre deux fentes et leur largeur peuvent être disproportionnellement plus grandes que dans les expériences classiques. À la fenêtre de sortie du laser à gaz se trouvent deux fentes dont la distance est de 2 un. Dans le cas où le rayonnement incident est cohérent, sur un écran situé à distance dà partir des fentes, un motif d’interférence sera observé. Dans ce cas, la distance entre les maxima (minimum) des bandes
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.1) substance active ; 2) une source de pompage qui amène la substance active dans un état excité ; 3) un résonateur optique constitué de deux miroirs parallèles entre eux (Fig. 20)
Riz. 20.
Le laser hélium-néon est un laser dont le milieu actif est un mélange d'hélium et de néon. Les lasers hélium-néon sont souvent utilisés dans les expériences de laboratoire et en optique. Il a une longueur d'onde de travail de 632,8 nm, située dans la partie rouge du spectre visible.
Appareil laser hélium-néon
Le fluide de travail d'un laser hélium-néon est un mélange d'hélium et de néon dans un rapport de 5:1, situé dans un flacon en verre sous basse pression (généralement environ 300 Pa). L'énergie de pompage est fournie par deux déchargeurs électriques d'une tension d'environ 1 000 à 5 000 volts (selon la longueur du tube), situés aux extrémités du ballon. Le résonateur d'un tel laser est généralement constitué de deux miroirs : un miroir complètement opaque sur un côté de l'ampoule et un second qui transmet environ 1 % du rayonnement incident du côté sortie de l'appareil.
Les lasers hélium-néon sont compacts, la taille typique de la cavité est de 15 cm à 2 m et leur puissance de sortie varie de 1 à 100 mW.
Principe de fonctionnement
Laser hélium-néon. Le faisceau lumineux au centre est une décharge électrique.
Dans une décharge gazeuse dans un mélange d'hélium et de néon, des atomes excités des deux éléments se forment. Il s'avère que les énergies du niveau métastable de l'hélium 1 S 0 et du niveau radiatif du néon 2p 5 5s I s'avèrent être approximativement égales - 20,616 et 20,661 eV, respectivement. Le transfert d'excitation entre ces deux états se produit selon le processus suivant :
Il* + Ne + ДE Lui + Ne*
et son efficacité s'avère très grande (où (*) montre l'état excité et DE est la différence entre les niveaux d'énergie de deux atomes.) Les 0,05 eV manquants sont extraits de l'énergie cinétique de mouvement des atomes. La population du niveau néon 2p 5 5s I augmente et à un certain moment devient supérieure à celle du niveau sous-jacent 2p 5 3p I. Une inversion de la population de niveaux se produit : le support devient capable de générer un laser.
Lorsqu'un atome de néon passe de l'état 2p 5 5s І à l'état 2p 5 3p І, un rayonnement d'une longueur d'onde de 632,816 nm est émis. L'état 2p 5 3p I de l'atome de néon est également radiatif avec une durée de vie courte et donc cet état est rapidement désexcité dans le système de niveaux 2p 5 3s puis dans l'état fondamental 2p 6 - soit en raison de l'émission d'un rayonnement résonant (rayonnant niveaux du système 2p 5 3s), ou dus à une collision avec des murs (niveaux métastables du système 2p 5 3s).
De plus, avec le bon choix des miroirs de cavité, il est possible d'obtenir un laser laser à d'autres longueurs d'onde : le même niveau 2p 5 5s I peut passer à 2p 5 4p I avec l'émission d'un photon d'une longueur d'onde de 3,39 µm, et le niveau 2p 5 4s I, apparaissant lors d'une collision avec un autre niveau métastable d'hélium, peut passer à 2p 5 3p I, émettant un photon d'une longueur d'onde de 1,15 μm. Il est également possible d'obtenir un rayonnement laser à des longueurs d'onde de 543,5 nm (vert), 594 nm (jaune) ou 612 nm (orange).
La bande passante dans laquelle l'effet d'amplification du rayonnement par le corps de travail du laser est préservée est assez étroite et s'élève à environ 1,5 GHz, ce qui s'explique par la présence d'un décalage Doppler. Cette propriété fait des lasers hélium-néon de bonnes sources de rayonnement pour une utilisation dans les appareils d'holographie, de spectroscopie et de lecture de codes-barres.
Laser rubis
Le laser se compose de trois parties principales : une substance active (de travail), un système résonant, qui se compose de deux plaques parallèles sur lesquelles sont appliqués des revêtements réfléchissants, et un système d'excitation (de pompage), qui est généralement une lampe flash au xénon avec une puissance source.
Le rubis est un oxyde d'aluminium dans lequel une partie des atomes d'aluminium est remplacée par des atomes de chrome (Al2O3*Cr2O3).La substance active est constituée d'ions chrome Cr 3+. Sa couleur dépend de la teneur en chrome du cristal. On utilise généralement un rubis rose pâle, contenant environ 0,05 % de chrome. Le cristal de rubis est cultivé dans des fours spéciaux, puis la pièce obtenue est recuite et traitée, lui donnant la forme d'une tige. La longueur de la tige varie de 2 à 30 cm, le diamètre de 0,5 à 2 cm. Les extrémités plates sont réalisées strictement parallèles, meulées et polies avec une grande précision. Parfois, les surfaces réfléchissantes ne sont pas appliquées sur des plaques réfléchissantes individuelles, mais directement sur les extrémités de la tige de rubis. Les surfaces des extrémités sont argentées et la surface d'une extrémité est entièrement réfléchissante, l'autre partiellement réfléchissante. Généralement, la transmission lumineuse de la deuxième extrémité est d'environ 10 à 25 %, mais elle peut être différente.
La tige de rubis est placée dans une lampe au xénon pulsé en spirale dont les bobines l'entourent de tous côtés. Le flash de la lampe dure quelques millisecondes. Pendant ce temps, la lampe consomme plusieurs milliers de joules d'énergie, dont la majeure partie est consacrée au chauffage de l'appareil. Une autre partie, plus petite, sous forme de rayonnement bleu et vert, est absorbée par le rubis. Cette énergie assure l'excitation des ions chrome.
Dans un état normal et non excité, les ions chrome sont situés au niveau inférieur 1. Lorsque le rubis est irradié par la lumière d'une lampe au xénon contenant la partie verte du spectre, les atomes de chrome sont excités et se déplacent vers le niveau supérieur 3, correspondant à l'absorption de la lumière avec une longueur d'onde de 5600 A. La largeur de bande d'absorption de ce niveau est d'environ 800 A.
À partir du niveau 3, certains des atomes de chrome excités reviennent au niveau principal 1 et d'autres au niveau 2. C'est ce qu'on appelle la transition non radiative, dans laquelle les ions chrome cèdent une partie de leur énergie au réseau cristallin dans sous forme de chaleur. La probabilité de passer du niveau 3 au niveau 2 est 200 fois plus grande, et du niveau 2 au niveau 1 est 300 fois inférieure à celle du niveau 3 au niveau 1. Cela conduit au fait que le niveau 2 est plus peuplé que le niveau 1. Autres En d’autres termes, la population s’inverse et les conditions nécessaires à des transitions intenses induites sont créées.
Un tel système est extrêmement instable. La probabilité de transitions spontanées à tout moment est très élevée. Le tout premier photon qui apparaît lors d'une transition spontanée, selon la loi du rayonnement induit, éliminera un deuxième photon d'un atome voisin, transférant l'atome émetteur à l'état fondamental. Ensuite, ces deux photons en élimineront deux autres, après quoi il y en aura quatre, etc. Le processus s'accélère presque instantanément. La première vague de rayonnement, ayant atteint la surface réfléchissante, reviendra et provoquera une nouvelle augmentation du nombre de transitions induites et de l'intensité du rayonnement. La réflexion sur les surfaces réfléchissantes du résonateur se répétera plusieurs fois, et si la perte de puissance lors de la réflexion, causée par l'imperfection des revêtements réfléchissants, ainsi que la translucidité de l'une des extrémités de la tige, à travers laquelle le flux de rayonnement éclatera au début de la génération, ne dépassera pas la puissance acquise à la suite du début de la génération d'un faisceau formé dans la tige laser, la génération augmentera et la puissance augmentera jusqu'à ce que la majorité des particules excitées de la substance active (ions chrome) cèdent leur énergie acquise au moment de l'excitation. Un faisceau de très haute intensité sera libéré par l’extrémité partiellement argentée de la tige. La direction du faisceau sera strictement parallèle à l’axe du rubis.
Les photons dont la direction de propagation au début de leur apparition ne coïncidait pas avec l'axe du bâtonnet traverseront les parois latérales du bâtonnet sans provoquer de génération notable.
C'est le passage répété de l'onde lumineuse générée entre les parois d'extrémité du résonateur sans aucun écart significatif par rapport à l'axe de la tige qui confère au faisceau une directionnalité stricte et une énorme puissance de sortie.
27. Laser hélium-néon.
Un laser dont le milieu actif est un mélange d'hélium et de néon. Les lasers hélium-néon sont souvent utilisés dans les expériences de laboratoire et en optique. Il a une longueur d'onde de travail de 632,8 nm, située dans la partie rouge du spectre visible.
Le fluide de travail d'un laser hélium-néon est un mélange d'hélium et de néon dans un rapport de 5:1, situé dans un flacon en verre sous basse pression (généralement environ 300 Pa). L'énergie de pompage est fournie par deux déchargeurs électriques d'une tension d'environ 1000 volts, situés aux extrémités de l'ampoule. Le résonateur d'un tel laser est généralement constitué de deux miroirs - complètement opaques d'un côté de l'ampoule et de l'autre, transmettant environ 1% du rayonnement incident du côté sortie de l'appareil. Les lasers hélium-néon sont compacts, de taille typique du résonateur est de 15 cm à 0,5 m, leur puissance de sortie varie de 1 à 100 mW.
Principe de fonctionnement: Dans une décharge gazeuse dans un mélange d'hélium et de néon, des atomes excités des deux éléments se forment. Il s'avère que les énergies du niveau métastable de l'hélium 1S0 et du niveau radiatif du néon 2p55s² sont approximativement égales - 20,616 et 20,661 eV, respectivement. Le transfert d'excitation entre ces deux états se produit selon le processus suivant : He* + Ne + ΔE → He + Ne* et son efficacité s'avère très élevée (où (*) montre l'état excité, et ΔE est la différence de les niveaux d'énergie des deux atomes.) Les 0,05 eV manquants sont extraits de l'énergie cinétique du mouvement atomique. La population du niveau néon 2p55s² augmente et à un certain moment devient plus grande que celle du niveau sous-jacent 2p53p². Une inversion de la population de niveaux se produit - le milieu devient capable de générer un laser. Lorsqu'un atome de néon passe de l'état 2p55s² à l'état 2p53p², un rayonnement d'une longueur d'onde de 632,816 nm est émis. L'état 2p53p de l'atome de néon est également radiatif avec une durée de vie courte et donc cet état est rapidement désexcité dans le système de niveaux 2p53s puis dans l'état fondamental 2p6 - soit en raison de l'émission de rayonnement résonant (niveaux émetteurs du système 2p53s) , ou du fait d'une collision avec les parois (niveaux métastables du système 2p53s). De plus, avec le bon choix des miroirs de cavité, il est possible d'obtenir des lasers laser à d'autres longueurs d'onde : le même niveau 2p55s² peut passer à 2p54p² avec émission de un photon d'une longueur d'onde de 3,39 μm et le niveau 2p54s² apparaissant lors d'une collision avec un niveau métastable d'hélium différent peuvent passer à 2p53p², émettant un photon d'une longueur d'onde de 1,15 μm. Il est également possible d'obtenir un rayonnement laser à des longueurs d'onde de 543,5 nm (vert), 594 nm (jaune) ou 612 nm (orange). La bande passante dans laquelle reste l'effet d'amplification du rayonnement par le corps de travail du laser est assez étroite et est d'environ 1,5 GHz, ce qui s'explique par la présence d'un décalage Doppler. Cette propriété fait des lasers hélium-néon de bonnes sources de rayonnement pour une utilisation dans les appareils d'holographie, de spectroscopie et de lecture de codes-barres.
Le laser à gaz le plus courant est l'hélium-néon ( Il-Ne) laser (laser à atomes neutres), qui fonctionne avec un mélange d'hélium et de néon dans un rapport de 10:1. Ce laser est également le premier laser continu.
Considérons le diagramme énergétique des niveaux d'hélium et de néon (Fig. 3.4). La génération se produit entre les niveaux de néon et de l'hélium est ajouté pour effectuer le processus de pompage. Comme le montre la figure, les niveaux 2 3 S 1 Et 2 1 S 0 l'hélium se situe donc à proximité des niveaux 2s Et 3s pas elle. Parce que les niveaux d'hélium 2 3 S 1 Et 2 1 S 0 sont métastables, alors lorsque des atomes d'hélium excités métastables entrent en collision avec des atomes de néon, un transfert d'énergie résonant vers les atomes de néon se produira (collisions du deuxième type).
Donc les niveaux 2s Et 3s le néon peut être peuplé et, par conséquent, la génération peut se produire à partir de ces niveaux. Durée de vie s-États ( ts»100 ns) durée de vie beaucoup plus longue R.-États ( t r»10 ns), la condition pour que le laser fonctionne selon un schéma à quatre niveaux est donc remplie :
1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .
La génération laser est possible à l'une des transitions un, b, c selon les longueurs d'onde je un=3,39 µm, kg=0,633 µm, je avec=1,15 µm, qui peut être obtenu en sélectionnant la réflectance des miroirs du résonateur ou en introduisant des éléments dispersifs dans le résonateur.
Riz. 3.4. Diagramme des niveaux d'énergie de l'hélium et du néon.
Considérons les caractéristiques laser d'un tel laser.
Figure 3.5. Caractéristiques laser d'un laser hélium-néon.
L’augmentation initiale de la puissance de sortie avec l’augmentation du courant de pompe s’explique par l’inversion de population. Après avoir atteint la puissance maximale, avec une nouvelle augmentation du courant de la pompe, la courbe commence à diminuer. Cela s'explique par le fait que les niveaux 2p et 1s n'ont pas le temps de se détendre, c'est à dire les électrons n'ont pas le temps de passer à un niveau d'énergie faible et le nombre d'électrons dans les niveaux 2p et 1s voisins devient le même. Dans ce cas il n’y a pas d’inversion.
L'efficacité des lasers hélium-néon est de l'ordre de 0,1 %, ce qui s'explique par la faible densité volumique des particules excitées. Puissance de sortie typique Il-Ne-laser P.~5-50 mW, divergence q~1 million.
Laser à argon
Ce sont les lasers continus les plus puissants dans la région visible et proche ultraviolet du spectre lié aux lasers à gaz ioniques. Le niveau laser supérieur dans le gaz de travail est peuplé par deux collisions successives d'électrons lors d'une décharge électrique. Lors de la première collision, des ions d'atomes neutres se forment et lors de la seconde, ces ions sont excités. Le pompage est donc un processus en deux étapes, l’efficacité de chaque étape étant proportionnelle à la densité de courant. Des densités de courant suffisamment élevées sont nécessaires pour un pompage efficace.
Diagramme du niveau d'énergie laser sur Ar+ montré sur la fig. 3.3. L'émission laser dans les lignes comprises entre 454,5 nm et 528,7 nm se produit lorsqu'un groupe de niveaux est peuplé 16h par excitation par impact électronique d'états fondamentaux ou métastables Ar+.
Laser 3,5 CO2
Moléculaire CO2– les lasers sont les lasers continus les plus puissants parmi les lasers à gaz, en raison du rendement le plus élevé de conversion de l'énergie électrique en énergie de rayonnement (15-20 %). La génération de lasers se produit lors des transitions vibration-rotation et les raies d'émission de ces lasers se situent dans la région infrarouge lointain, située à des longueurs d'onde de 9,4 μm et 10,4 μm.
DANS CO2– le laser utilise un mélange de gaz CO2, N 2 Et Il. Le pompage s'effectue directement lors des collisions de molécules CO2 avec des électrons et des molécules excitées par les vibrations N 2. La conductivité thermique élevée de He dans le mélange favorise le refroidissement CO2, ce qui conduit à l'épuisement du niveau laser inférieur, peuplé à la suite d'une excitation thermique. Donc la présence N 2 dans le mélange contribue à une population élevée du niveau laser supérieur, et la présence Il– l'épuisement du niveau inférieur, et finalement ensemble, ils conduisent à une augmentation de l'inversion de population. Diagramme du niveau d'énergie CO2-le laser est représenté sur la Fig. 3.4. La génération de laser se produit lors d'une transition entre les états vibrationnels d'une molécule CO 2 n 3 Þn 1 ou n 3 Þ n 2 avec un changement d’état de rotation.
Riz. 3.4. Diagramme du niveau d'énergie N 2 Et CO2 V CO2-laser.
CO2– le laser peut fonctionner aussi bien en mode continu qu'en mode pulsé. En mode continu, sa puissance de sortie peut atteindre plusieurs kilowatts.
Le laser hélium-néon, avec les lasers à diode ou à semi-conducteur, est l'un des lasers les plus couramment utilisés et les plus abordables pour la région visible du spectre. La puissance de ce type de systèmes laser, destinés principalement à des fins commerciales, varie de 1 mW à plusieurs dizaines de mW. Les lasers He-Ne moins puissants de l'ordre de 1 mW sont particulièrement populaires, qui sont principalement utilisés comme dispositifs de cotation, ainsi que pour résoudre d'autres problèmes dans le domaine de la technologie de mesure. Dans les domaines infrarouge et rouge, le laser hélium-néon est de plus en plus remplacé par le laser à diode. Les lasers He-Ne sont capables d'émettre des lignes orange, jaunes et vertes en plus des lignes rouges, ce qui est obtenu grâce à des miroirs sélectifs appropriés.
Diagramme du niveau d'énergie
Les niveaux d'énergie de l'hélium et du néon qui sont les plus importants pour le fonctionnement des lasers He-Ne sont présentés sur la figure. 1. Les transitions laser se produisent dans l'atome de néon, les raies les plus intenses résultant de transitions de longueurs d'onde 633, 1153 et 3391 (voir tableau 1).
La configuration électronique du néon dans l'état fondamental ressemble à ceci : 1s22s22p6, avec la première couche (n = 1) et la deuxième couche (n = 2) remplies respectivement de deux et huit électrons. États supérieurs sur la Fig. 1 résulte du fait qu'il existe une coquille 1s22s22p5 et que l'électron lumineux (optique) est excité selon le schéma : 3s, 4s, 5s,..., Зр, 4р,... etc. On parle donc d’un état à un électron qui communique avec la coque. Dans le schéma LS (Russell - Saunders), les niveaux d'énergie du néon reçoivent un état monoélectronique (par exemple, 5s), ainsi que le moment orbital total résultant L (= S, P, D...). Dans la notation S, P, D,..., l'indice inférieur indique le moment orbital total J, et l'indice supérieur indique la multiplicité 2S + 1, par exemple 5s1P1. Souvent, une désignation purement phénoménologique selon Paschen est utilisée (Fig. 1). Dans ce cas, les sous-niveaux d'états électroniques excités sont comptés de 2 à 5 (pour les états s) et de 1 à 10 (pour les états p).
Riz. 1. Schéma des niveaux d'énergie d'un laser He-Ne. Pour le néon, les niveaux sont désignés selon Paschen, soit : 3s2, 3s3, 3s4, 3s5, etc.
Tableau 1. Désignations des transitions des raies intenses du laser He-Ne
Excitation
Le milieu actif d'un laser hélium-néon est un mélange gazeux auquel l'énergie nécessaire est fournie par une décharge électrique. Les niveaux laser supérieurs (2s et 2p selon Paschen) sont peuplés sélectivement en fonction de collisions avec des atomes d'hélium métastables (23S1, 21S0). Lors de ces collisions, non seulement l’énergie cinétique est échangée, mais aussi l’énergie des atomes d’hélium excités est transférée aux atomes de néon. Ce processus est appelé collision du deuxième type :
Il* + Ne -> Il + Ne* + ΔE, (1)
où l'astérisque (*) symbolise l'état excité. La différence d'énergie dans le cas d'une excitation du niveau 2s est : &DeltaE=0,05 eV. Lors d’une collision, la différence existante est convertie en énergie cinétique, qui est ensuite distribuée sous forme de chaleur. Pour le niveau 3s, les relations sont identiques. Ce transfert d’énergie résonnant de l’hélium au néon est le principal processus de pompage lors de la création d’une inversion de population. Dans ce cas, la longue durée de vie de l’état métastable n’a pas d’effet favorable sur la sélectivité de population du niveau laser supérieur.
L'excitation des atomes d'He se produit sur la base de la collision d'électrons - soit directement, soit par le biais de transitions en cascade supplémentaires à partir de niveaux supérieurs. En raison des états métastables à longue durée de vie, la densité des atomes d’hélium dans ces états est très élevée. Les niveaux laser supérieurs 2 et 3 peuvent - en tenant compte des règles de sélection des transitions électriques Doppler - aller uniquement aux niveaux p sous-jacents. Pour une génération réussie de rayonnement laser, il est extrêmement important que la durée de vie des états s (niveau laser supérieur) = environ 100 ns dépasse la durée de vie des états p (niveau laser inférieur) = 10 ns.
Longueurs d'onde
Ensuite, nous examinerons plus en détail les transitions laser les plus importantes à l’aide de la figure. 1 et données du tableau 1. La raie la plus célèbre dans la région rouge du spectre (0,63 μm) résulte de la transition 3s2 → 2р4. Le niveau inférieur est divisé à la suite d'une émission spontanée en 10 ns dans le niveau 1 s (Fig. 1). Ce dernier résiste aux fissures dues au rayonnement dipolaire électrique et se caractérise donc par une longue durée de vie naturelle. Les atomes sont donc concentrés dans un état donné, qui s’avère être très peuplé. Dans une décharge gazeuse, les atomes dans cet état entrent en collision avec des électrons, puis les niveaux 2p et 3s sont à nouveau excités. Dans le même temps, l’inversion de population diminue, ce qui limite la puissance du laser. L'épuisement de l'état ls se produit dans les lasers hélium-néon principalement en raison de collisions avec la paroi du tube à décharge gazeuse, et donc, à mesure que le diamètre du tube augmente, une diminution du gain et une diminution de l'efficacité sont observées. Ainsi, en pratique, le diamètre est limité à environ 1 mm, ce qui limite la puissance de sortie des lasers He-Ne à plusieurs dizaines de mW.
Les configurations électroniques 2s, 3s, 2p et 3p participant à la transition laser sont découpées en de nombreux sous-niveaux. Cela conduit, par exemple, à d'autres transitions dans la région visible du spectre, comme le montre le tableau 2. Pour toutes les raies visibles d'un laser He-Ne, l'efficacité quantique est d'environ 10 %, ce qui n'est pas tellement. Le diagramme de niveaux (Fig. 1) montre que les niveaux laser supérieurs sont situés à environ 20 eV au-dessus de l'état fondamental. L'énergie du rayonnement laser rouge n'est que de 2 eV.
Tableau 2. Longueurs d'onde λ, puissances de sortie et largeurs de raies Δ ƒ Laser He-Ne (désignations de transition Paschen)
| Couleur | λ nm |
Transition (d'après Paschen) |
Pouvoir mW |
Δ ƒ MHz |
Gagner %/mois |
| Infrarouge | 3 391 | 3s2 → 3p4 | > 10 | 280 | 10 000 |
| Infrarouge | 1 523 | 2s2 → 2p1 | 1 | 625 | |
| Infrarouge | 1 153 | 2s2 → 2p4 | 1 | 825 | |
| Rouge | 640 | 3s2 → 2p2 | |||
| Rouge | 635 | 3s2 → 2p3 | |||
| Rouge | 633 | 3s2 → 2p4 | > 10 | 1500 | 10 |
| Rouge | 629 | 3s2 → 2p5 | |||
| Orange | 612 | 3s2 → 2p6 | 1 | 1 550 | 1.7 |
| Orange | 604 | 3s2 → 2p7 | |||
| Jaune | 594 | 3s2 → 2p8 | 1 | 1 600 | 0.5 |
| Jaune | 543 | 3s2 → 2p10 | 1 | 1 750 | 0.5 |
L'émission dans le domaine infrarouge autour de 1,157 μm se produit par des transitions 2s → 2p. La même chose s'applique à la ligne légèrement plus faible à environ 1,512 µm. Ces deux lignes infrarouges sont utilisées dans les lasers commerciaux.
Une caractéristique de la ligne dans la gamme IR à 3,391 μm est son gain élevé. Dans le domaine des signaux faibles, c'est-à-dire avec un seul passage de signaux lumineux faibles, elle est d'environ 20 dB/m. Cela correspond à un facteur 100 pour un laser de 1 mètre de long. Le niveau laser supérieur est le même que pour la transition rouge connue (0,63 μm). Le gain élevé, d'une part, est dû à la durée de vie extrêmement courte au niveau 3p inférieur. D'autre part, cela s'explique par la longueur d'onde relativement longue et, par conséquent, par la faible fréquence du rayonnement. Généralement, le rapport entre les émissions stimulées et les émissions spontanées augmente pour les basses fréquences ƒ. L'amplification des signaux faibles g est généralement proportionnelle à g ~ƒ2.
Sans éléments sélectifs, le laser hélium-néon émettrait sur la raie de 3,39 µm plutôt que dans la région rouge à 0,63 µm. L'excitation de la raie infrarouge est empêchée soit par le miroir sélectif du résonateur, soit par absorption dans les fenêtres de Brewster du tube à décharge. Grâce à cela, le seuil laser du laser peut être augmenté à un niveau suffisant pour émettre 3,39 µm, de sorte que seule une ligne rouge plus faible apparaisse ici.
Conception
Les électrons nécessaires à l'excitation sont générés dans une décharge gazeuse (Fig. 2), qui peut être utilisée avec une tension d'environ 12 kV à des courants de 5 à 10 mA. La longueur de décharge typique est de 10 cm ou plus, le diamètre des capillaires de décharge est d'environ 1 mm et correspond au diamètre du faisceau laser émis. À mesure que le diamètre du tube à décharge augmente, l'efficacité diminue, car des collisions avec la paroi du tube sont nécessaires pour vider le niveau ls. Pour une puissance de sortie optimale, la pression de remplissage totale (p) est utilisée : p·D = 500 Pa·mm, où D est le diamètre du tube. Le rapport de mélange He/Ne dépend de la ligne laser souhaitée. Pour la ligne rouge connue nous avons He : Ne = 5:l, et pour la ligne infrarouge environ 1,15 μm - He:Ne = 10:l. L'optimisation de la densité de courant semble également être un aspect important. L'efficacité de la raie à 633 nm est d'environ 0,1 %, car le processus d'excitation dans ce cas n'est pas très efficace. La durée de vie d'un laser hélium-néon est d'environ 20 000 heures de fonctionnement.
Riz. 2. Conception d'un laser He-Ne pour un rayonnement polarisé dans la gamme mW
Le gain dans de telles conditions est de g = 0,1 m-1, il est donc nécessaire d'utiliser des miroirs à forte réflectivité. Pour sortir du faisceau laser d'un seul côté, un miroir partiellement transmettant (translucide) y est installé (par exemple, avec R = 98 %), et de l'autre côté - un miroir avec la réflectivité la plus élevée (~ 100 %). Le gain pour les autres transitions visibles est beaucoup plus faible (voir tableau 2). À des fins commerciales, ces lignes n'ont été réalisées que ces dernières années en utilisant des miroirs caractérisés par des pertes extrêmement faibles.
Auparavant, avec un laser hélium-néon, les fenêtres de sortie du tube à décharge gazeuse étaient fixées avec de la résine époxy et les miroirs étaient montés à l'extérieur. Cela a provoqué la diffusion de l’hélium à travers la colle et la vapeur d’eau pour pénétrer dans le laser. Aujourd'hui, ces fenêtres sont fixées par soudage direct du métal sur le verre, ce qui réduit les fuites d'hélium à environ 1 Pa par an. Dans le cas des petits lasers produits en série, le revêtement miroir est appliqué directement sur les fenêtres de sortie, ce qui simplifie grandement l'ensemble de la conception.
Propriétés des poutres
Pour sélectionner le sens de polarisation, la lampe à décharge est équipée de deux fenêtres inclinées ou, comme le montre la Fig. 2, une plaque Brewster est insérée dans le résonateur. La réflectivité sur une surface optique devient nulle si la lumière est incidente selon l'angle dit de Brewster et est polarisée parallèlement au plan d'incidence. Ainsi, le rayonnement ayant cette direction de polarisation traverse la fenêtre de Brewster sans perte. Dans le même temps, la réflectivité du composant polarisé perpendiculairement au plan d'incidence est assez élevée et est supprimée dans le laser.
Le rapport de polarisation (le rapport entre la puissance dans la direction de polarisation et la puissance perpendiculaire à cette direction) est de 1 000 : 1 pour les systèmes commerciaux conventionnels. Lorsqu'un laser fonctionne sans plaques Brewster avec miroirs internes, un rayonnement non polarisé est généré.
Le laser génère généralement en mode transversal TEM00 (mode d'ordre inférieur) et plusieurs modes longitudinaux (axiaux) sont formés à la fois. Lorsque la distance entre les miroirs (longueur de la cavité laser) est L = 30 cm, l'intervalle de fréquence intermode est Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. La fréquence centrale est au niveau de 4,7·1014 Hz. Étant donné que l'amplification de la lumière peut se produire dans la plage Δƒ = 1 500 MHz (largeur Doppler), à L = 30 CM, trois fréquences différentes sont émises : Δƒ/Δƒ`= 3. Lors de l'utilisation d'un espacement de miroir plus petit (<= 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.
Les lasers hélium-néon d'environ 10 mW sont souvent utilisés en interférométrie ou en holographie. La longueur de cohérence de ces lasers produits en série varie de 20 à 30 cm, ce qui est tout à fait suffisant pour l'holographie de petits objets. Des longueurs de cohérence plus longues sont obtenues en utilisant des éléments sélectifs en fréquence en série.
Lorsque la distance optique entre les miroirs change en raison d'effets thermiques ou autres, les fréquences naturelles axiales de la cavité laser se déplacent. Avec la génération monofréquence, une fréquence de rayonnement stable n'est pas obtenue ici - elle se déplace de manière incontrôlable dans la plage de largeur de ligne de 1 500 MHz. Grâce à une régulation électronique supplémentaire, une stabilisation de fréquence peut être obtenue précisément au centre de la ligne (pour les systèmes commerciaux, une stabilité de fréquence de plusieurs MHz est possible). Dans les laboratoires de recherche, il est parfois possible de stabiliser un laser hélium-néon à une plage inférieure à 1 Hz.
En utilisant des miroirs appropriés, différentes lignes du tableau 4.2 peuvent être excitées pour générer un rayonnement laser. La raie visible la plus couramment utilisée se situe autour de 633 nm avec des puissances typiques de plusieurs milliwatts. Après suppression d'une ligne laser intense autour de 633 nm, d'autres lignes dans le domaine visible peuvent apparaître dans la cavité grâce à l'utilisation de miroirs sélectifs ou de prismes (voir tableau 2). Cependant, la puissance de sortie de ces lignes ne représente que 10 % de la puissance de sortie d’une ligne intensive, voire moins.
Les lasers hélium-néon commerciaux sont disponibles dans une variété de longueurs d'onde. En plus d'eux, il existe également des lasers qui génèrent sur de nombreuses lignes et sont capables d'émettre des ondes de plusieurs longueurs dans diverses combinaisons. Dans le cas des lasers He-Ne accordables, il est proposé de sélectionner la longueur d'onde souhaitée en faisant tourner le prisme.
