Гелий-неоновый лазер - наряду с диодным или полупроводниковым - относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Мощность лазерных систем такого рода, предназначенных, в основном, для коммерческих целей, находится в диапазоне от 1 мВт до нескольких десятков мВт. Особенно популярны не столь мощные He-Ne-лазеры порядка 1 мВт, которые используют, главным образом, в качестве котировочных устройств, а также для решения иных задач в сфере измерительной техники. В инфракрасном и красном диапазонах гелий-неоновый лазер все чаще вытесняется диодным лазером. He-Ne-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам.

Схема энергетических уровней

Важнейшие для функции He-Ne-лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис. 1. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 633, 1153 и 3391 (см. таблицу 1).

Электронная конфигурация неона в основном состоянии выглядит так: 1s22s22p6 причем первая оболочка (n = 1) и вторая оболочка (n = 2) заполнены соответственно двумя и восемью электронами. Более высокие состояния по рис. 1 возникают в результате того, что здесь имеется 1s22s22p5-оболочка, и светящийся (оптический) электрон возбуждается согласно схеме: 3s, 4s, 5s,..., Зр, 4р,... и т.д. Речь идет, следовательно, об одноэлектронном состоянии, осуществляющим связь с оболочкой. В схеме LS (Рассела - Саундерса) для энергетических уровней неона указано одно-электронное состояние (например, 5s), а также результирующий полный орбитальный момент L (= S, Р, Д...). В обозначениях S, Р, D,... нижний индекс показывает полный орбитальный момент J, а верхний - мультиплетность 2S + 1, например, 5s1P1. Нередко используется чисто феноменологическое обозначение по Пашену (рис. 1). При этом счет подуровней возбужденных электронных состояний ведется от 2 до 5 (для s-состояний) и от 1 до 10 (для p-состояний).

Рис. 1. Схема энергетических уровней He-Ne-лазера. У неона уровни обозначены по Пашену, то есть: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 и т.д.

Таблица 1. Обозначения переходов интенсивных линий He-Ne-лазера

Возбуждение

Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2s и 2р по Пашену) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (23S1, 21S0). При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода:

Не* + Ne -> Не + Ne* + ΔЕ, (1)

где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2s-уровня: &DeltaE=0,05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для 3s-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей. При этом долгое время жизни метастабильного состояния Не благоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня.

Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов - либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2s и 3s могут - с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов - переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни s-состояний (верхний лазерный уровень) = примерно 100 нc, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) = 10 нc.

Длины волн

Далее мы более детально рассмотрим важнейшие лазерные переходы, используя рис. 1 и данные из таблицы 1. Самая известная линия в красной области спектра (0,63 мкм) возникает вследствие перехода 3s2 → 2р4. Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1s-уровень (рис. 1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь. Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и 3s-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. Опустошение ls-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд. Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности He-Ne-лазеров несколькими десятками мВт.

Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2s, 3s, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра, как видно из таблицы 2. При всех видимых линиях He-Ne-лазера квантовая эффективность составляет порядка 10 %, что не так уж много. Схема уровней (рис. 1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния. Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ.

Таблица 2. Длины волн λ, выходные мощности и ширина линий Δ ƒ He-Ne-лазера (обозначения переходов по Пашену)

Цвет	λ нм	Переход (по Пашену)	Мощность мВт	Δ ƒ МГц	Усиление %/м
Инфракрасный	3 391	3s2 → 3p4	> 10	280	10 000
Инфракрасный	1 523	2s2 → 2p1	1	625
Инфракрасный	1 153	2s2 → 2p4	1	825
Красный	640	3s2 → 2p2
Красный	635	3s2 → 2p3
Красный	633	3s2 → 2p4	> 10	1500	10
Красный	629	3s2 → 2p5
Оранжевый	612	3s2 → 2p6	1	1 550	1.7
Оранжевый	604	3s2 → 2p7
Желтый	594	3s2 → 2p8	1	1 600	0.5
Желтый	543	3s2 → 2p10	1	1 750	0.5

Излучение в инфракрасном диапазоне около 1,157 мкм возникает посредством переходов 2s → 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1,512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения.

Характерной особенностью линии в ИК-диапазоне при 3,391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м. Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 метр. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0,63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем 3p-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения. Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот ƒ. Усиление слабых сигналов g, как правило, пропорционально g ~ƒ2.

Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3,39 мкм, а не в красной области при 0,63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3,39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия.

Конструктивное исполнение

Необходимые для возбуждения электроны образуются в газовом разряде (рис.2), который может использоваться с напряжением около 12 кВ при токах от 5 до 10 мА. Типичная длина разряда равна 10см или более, диаметр разрядных капилляров составляет порядка 1 мм и соответствует диаметру излученного лазерного пучка. При увеличении диаметра газоразрядной трубки коэффициент полезного действия понижается, так как для опустошения ls-уровня требуются столкновения со стенкой трубки. Для оптимальной выходной мощности используется полное давление (р) заполнения: р·D = 500 Па·мм, где D есть диаметр трубки. Соотношение в смеси He/Ne зависит от желаемой линии лазерного излучения. Для известной красной линии имеем Не: Ne = 5:l, а для инфракрасной линии около 1,15 мкм - He:Ne=10:l. Важным аспектом представляется также оптимизация плотности тока. Коэффициент полезного действия для линии 633 нм составляет около 0,1 %, поскольку процесс возбуждения в данном случае не слишком эффективен. Срок службы гелий-неонового лазера составляет порядка 20 000 рабочих часов.

Рис. 2. Конструктивное исполнение He-Ne-лазера для поляризованного излучения в мВт-диапазоне

Усиление при таких условиях находится на уровне g=0,1 м-1, так что необходимо использовать зеркала с высокой отражательной способностью. Для выхода лазерного пучка только с одной стороны там устанавливают частично пропускающее (полупрозрачное) зеркало (например, с R = 98 %), а на другой стороне - зеркало с максимально высокой отражательной способностью (~ 100 %). Усиление для других видимых переходов значительно меньше (см. таблицу 2). Для коммерческих целей эти линии удалось получить только в последние годы с помощью зеркал, отличающихся чрезвычайно малыми потерями.

Ранее у гелий-неонового лазера выходные окна газоразрядной трубки фиксировались эпоксидной смолой, а зеркала монтировались снаружи. Это приводило к тому, что гелий диффундировал через клей, и в лазер попадал водяной пар. Сегодня эти окна крепятся методом прямого спая металла со стеклом, что дает снижение утечки гелия примерно до 1 Па в год. В случае небольших лазеров массового производства зеркальное покрытие наносится непосредственно на выходные окна, что значительно упрощает всю конструкцию.

Свойства пучка

Для выбора направления поляризации газоразрядная лампа снабжается двумя наклонно расположенными окнами или, как показано на рис. 2, в резонатор вставляется брюстеровская пластина. Отражательная способность на оптической поверхности обращается в нуль, если свет падает под так называемым углом Брюстера и поляризован параллельно плоскости падения. Таким образом, излучение с таким направлением поляризации без потерь проходит через брюстеровское окно. В то же время отражательная способность компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости падения, достаточно высока и подавляется в лазере.

Коэффициент (степень) поляризации (отношение мощности в направлении поляризации к мощности перпендикулярно этому направлению) составляет у обычных коммерческих систем 1000:1. При работе лазера без брюстеровских пластин с внутренними зеркалами генерируется неполяризованное излучение.

Лазер генерирует обычно на поперечной ТЕМ00-моде (моде низшего порядка), причем образуется сразу несколько продольных (аксиальных) мод. При расстоянии между зеркалами (длине резонатора лазера) L = 30 см межмодовый частотный интервал составляет Δ ƒ` = c/2L = 500 МГц. Центральная частота находится на уровне 4,7·1014 Гц. Поскольку усиление света может произойти в пределах диапазона Δ ƒ = 1500 МГц (доплеровская ширина), при L = 30CM излучается три разных частоты: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. При использовании меньшего расстояния между зеркалами (<= 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.

Гелий-неоновые лазеры около 10 мВт часто находят применение в интерферометрии или голографии. Длина когерентности подобных лазеров серийного производства составляет от 20 до 30см, что вполне достаточно для голографии небольших объектов. Более значительные длины когерентности получаются при использовании серийных частотно-селективных элементов.

При изменении оптического расстояния между зеркалами в результате теплового или иного воздействия происходит сдвиг аксиальных собственных частот резонатора лазера. При одночастотной генерации здесь не получается стабильной частоты излучения - она бесконтрольно перемещается в диапазоне ширины линии 1500 МГц. Путем дополнительного электронного регулирования может быть достигнута стабилизация частоты как раз по центру линии (у коммерческих систем возможна стабильность частоты в несколько МГц). В исследовательских лабораториях удается иногда стабилизировать гелий-неоновый лазер на диапазон менее 1 Гц.

Путем использования подходящих зеркал разные линии из таблицы 4.2 могут возбуждаться для генерации лазерного излучения. Чаще всего находит применение видимая линия около 633 нм с типовыми мощностями в несколько милливатт. После подавления интенсивной лазерной линии порядка 633 нм благодаря использованию селективных зеркал или призм в резонаторе могут появиться другие линии в видимом диапазоне (см. таблицу 2). Однако выходные мощности этих линий составляют всего 10 % от выходной мощности интенсивной линии или даже меньше.

Гелий-неоновые лазеры коммерческого назначения предлагаются с разными длинами волн. Помимо них имеются еще лазеры, генерирующие на многих линиях и способные излучать волны множества длин в самых разных комбинациях. В случае перестраиваемых He-Ne-лазеров предлагается, поворачивая призму, выбрать требуемую длину волны.

Ознакомление с принципом работы гелий-неонового лазера и изучение характеристик лазерного излучения.

Основы физики работы лазера

Слово «Лазер» составлено из первых букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света с помощью индуцированного излучения.

Гелий-неоновый лазер (конструкция и принцип работы)

В Не-Ne лазере используются принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) основному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия и неона приведена на рис. 7.5.

Для данной смеси газов условия резонансной передачи энергии выполняются для уровней

2 1 s (He) → 3s (Ne) , 2 3 s (He) → 2s (Ne)

В результате газового разряда уровни 2 1 s и 2 3 s заселяются за счет электронных ударов. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит возбуждение последних и заселение метастабильных уровней 2s и 3s:

He * + Ne → He + Ne * (2s) + Ne * (3s)

Хотя уровни 2р и 3р неона также заселяются за счет электронных ударов, что уменьшает разность населенности уровней 2s, 3s и 2р, 3р, но эффективность этого процесса мала по сравнению с процессом (7.11). Это достигается тем, что парциальное давление неона (~10 Па) много меньше парциального давления гелия (~100 Па), в связи с чем концентрация гелия значительно превышает концентрацию неона.

За счет дефекта энергий уровней (2 1 s → 2s), значительно превышающего величину kT, результат процесса (7.11) далек от желаемого. Однако это компенсируется большим временем жизни возбужденных атомов Ne на уровнях 2s и 3s, состоящих из четырех подуровней, по сравнению с уровнями 2р и 3р. Например, время жизни неона на уровне 2s 2 составляет 9,6*10 -8 с, а время жизни на уровне 2р 4 - 1,2-10 -8 с.

При осуществлении инверсной заселенности уровней 2s и 3s происходят излучательные переходы на уровни 2р и 3р со следующими длинами волн:

2s 2 → 3p 4 λ 2 = 3,39 мкм
3s 2 →2p 4 λ 3 = 0,6328 мкм

«Отработанные» атомы переходят за счет спонтанного излучения с уровней 3р и 2р на метастабильный уровень 1s. Сток частиц с уровня 1s обеспечивается, в основном, за счет диффузии к стенкам.
Схема конструкции газового лазера приведена на рис. 7.6.

В газоразрядной трубке, заполненной смесью неона и гелия в пропорции 1:10, зажигается газовой разряд, с помощью которого происходит инверсия населенности уровней.

Поскольку в процессе разряда появляются фотоны с произвольными частотами, существуют и фотоны с длинами волн λ 1 , λ 2 и λ 3 , совпадающими с длинами волн соответствующих переходов. Они вызывают индуцированный переход с образованием фотонов с этими же частотами, фазами и направлениями волновых векторов k" . В случае, если появляется волна частотой, например, ω 3 =с/λ 3 , она распространяется вдоль трубки и отражается от зеркала. Расстояние между зеркалами выбирается кратным половине длины волны, что обеспечивает возбуждение резонатора (колебательного контура в оптическом диапазона) именно на этой длине волны.

Отраженная от зеркал волна приходит в данную точку в той же фазе, что и первичная, обеспечивая положительную связь. Происходит накопление фотонов, то есть энергии монохроматической волны. Ввиду высокой добротности контура, достигающей десятков тысяч единиц, амплитуда колебаний становится достаточно большой. Наличие выходных окон газоразрядной трубки, расположенных под углом Брюстера, выделяет линейную поляризацию волн в определенной плоскости, в связи с чем волны с иной поляризацией не проходят через полупрозрачное зеркало 2, которое пропускает всего 4-5% интенсивности излучения, а остальные 96% идут на поддержание процесса генерации.

Увеличение потерь излучения на волне λ 2 (усиление на переходе 2s 2 → 3p 1 велико по сравнению с усилением на переходе 3s 2 → 2p 4) достигается как использованием окон, расположенных под углом Брюстера, так и соответствующей расстройкой резонатора. Однако наличие этого излучения снижает эффективность работы лазера в видимом оптическом диапазоне.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 7.7) представляет собой газовый Не-Ne лазер 1, который установлен на оптической скамье 2. Блок питания 3 лазера расположен отдельно. На держателе 4 расположен горизонтальный столик 5, на который в ходе выполнения работы устанавливаются следующие детали: дифракционная решетка 6; экран 7; поляроид 8; вращение которого осуществляется рычагом 9; фотодиод 10. Микроамперметром 11 измеряется ток в цепи фотодиода. Стационарный экран 12 должен быть расположен на расстоянии не менее 1,5 м от лазера.

Методика проведения эксперимента

После прохождения через дифракционную решетку лазерного луча на экране возникает дифракционная картина пятен, соответствующих главным дифракционным максимумам нулевого, первого, второго и т.д. порядков (рис. 7.8).

Длина волны излучения определяется из условия главных дифракционных максимумов

• d - постоянная дифракционной решетки,
• φ - угол дифракции,
• k - порядок дифракционного спектра,
• λ - длина волны.

Угол дифракции вычисляется по формуле

φ = arctg h i / l

Здесь l - расстояние между экраном и дифракционной решеткой,
h i - расстояние между нулевым и i-ым максимумами (i = 1, 2,...).

По формуле (7.12) вычисляется длина волны излучения.

Малое угловое расхождение лазерного луча можно оценить, помещая экраны на разных расстояниях от лазера (рис. 7.9) и измеряя радиус пятна излучения.

Зная расстояние l между экранами и диаметры d световых пятен на экранах, можно определить угловое расхождение светового пучка по формуле

Исследование поляризации излучения лазера

Помещая в пучке излучения лазера поляроид и вращая его вокруг оси пучка, можно полностью погасить или полностью пропустить свет. Это говорит о том, что излучение лазера линейно поляризовано. Поместив за поляроидом фотоэлемент, можно измерить силу фототока i для каждой ориентации поляроида и построить график i = ƒ (φ)). Этот график дает зависимость интенсивности света I, прошедшего через поляроид, от угла поворота поляроида, т.к. I ~ i. Доказательством линейной поляризации излучения лазера служит соответствие полученного графика закону Малюса

I = I o * cos 2 α

Порядок выполнения лабораторной работы

Внимание! При работе с лазером помните, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения.

Ознакомьтесь с информацией на лабораторном столе (п.1). Включение лазера производите в присутствии преподавателя или лаборанта.

Включите в сеть блок питания 3 (см. рис. 7.7). Тумблер «сеть» на блоке питания поставьте в положение «вкл». На экране 12 должно появиться яркое пятно. Через 7-10 минут лазер готов к работе.

Определение длины волны излучения лазера

1. Установите столик 5 на расстояние (0,8-1,2) м от экрана 12 (см. рис. 7.4). Для этого отпустите зажимной винт стойки, плавно переместив столик вдоль скамьи, установите по указателю нужное положение и закрепите винтом.
2. На столике 5 установите дифракционную решетку 6. Выведите световое пятно в центр дифракционной решетки (см. указание на лабораторном столе). На экране 12 возникает дифракционная картина с ярким нулевым максимумом.
3. Измерьте расстояние между дифракционными максимумами первого h i и второго h 2 порядков (см. рис. 7.8).
4. Переместите столик 5 на (0,2-0,3) м ближе к экрану 12.
5. Измерьте h i и h 2 при новом положении дифракционной решетки.
6. Запишите результаты измерений и постоянную решетку d = 0,01 мм в табл. 7.1.
7. Снимите со столика дифракционную решетку.

Оценка направленности излучения лазера

1. Установите столик на расстоянии l = (0,8-0,9) м от экрана 12 (см. рис. 7.7).
2. На столике 5 установите поляроид 8, который в данном упражнении используется в качестве ослабителя яркости светового луча. Выведите световое пятно в центр поляроида. Вращая поляроид рычагом 9, получите оптимальную для Ваших глаз яркость пятна на экране.
3. Приложите к экрану листок бумаги и зарисуйте сечение пятна.
4. Установите на столик 5 экран 7 (между поляроидом и экраном 12).
5. Зарисуйте сечение пятна на экране 7.
6. Измерьте диаметры пятен по своим рисункам не менее трех раз по разным направлениям.
7. Запишите результаты измерений диаметров пятен (d") и расстояние l в табл. 7.2.
8. Снимите со столика экран 7.

Исследование поляризации изучения лазера

1. Вращая поляроид рычагом 9, убедитесь, что яркость пятна на экране 12 зависит от угла поворота поляроида вокруг оси светового пучка. Получите максимальную яркость пятна. Это положение поляроида будет началом отсчета угла поворота (φ = 0).
2. Установите на столик фотодиод 10 и подключите к нему микроамперметр 11.
3. Поставьте тумблер микрометра в положение «вкл».
4. Выведите световой пучок на фоточувствительный слой фотодиода (см. указание на лабораторном столе). В этом случае микроамперметр будет показывать максимальный ток в цепи фотодиода.
5. Измеряйте ток через каждые 5 o поворота поляроида. Отсчет φ производите по шкале на диске крепления поляроида. Измерения запишите в табл. 7.3.
6. Поставьте тумблер микроамперметра и тумблер «сеть» блока питания в положение «вкл». Выключите блок питания из сети.
7. Снимите со столика поляроид и фотодиод.

Обработка результатов измерений

Перечень контрольных вопросов

1. Что такое спонтанное и индуцированное (вынужденное) излучение?
2. Что такое инверсная заселенность энергетических уровней и как она достигается?
3. Почему для усиления происходящего через среду светового потока необходима инверсная заселенность энергетических уровней?
4. Каков принцип работы трех - и четырехуровневого лазера?
5. Объясните принцип получения инверсной населенности в смеси газов.
6. Нарисуйте принципиальную схему лазера и расскажите принцип его работы.
7. Нарисуйте схему энергетических уровней лазера на смеси Не-Ne, расскажите о возможных переходах между уровнями.
8. Зачем в газоразрядной трубке выходные окна ставятся под углом Брюстера?
9. Чем объясняется высокая направленность излучения лазера?
10. В чем заключается особенности индуцированного излучения?

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера, используемого в нашей лаборатории. Рабочее вещество – атомы неона (Ne ). Используется электрическая накачка: через газоразрядную трубку идет поток электронов; при столкновении быстрых электронов с атомами неона последние возбуждаются и их электроны переходят на верхние энергетические уровни. Однако для атомов неона прямая накачка электронным ударом оказалась недостаточно эффективной. Чтобы ускорить передачу энергии, к неону добавлен гелий (He ).

Схема накачки показана на рис. 4.2. В результате столкновений с электронами атомы гелия переходят с основного уровня на уровень 2 S . Эти возбуждённые атомы гелия сталкиваются с атомами неона и отдают им запасенную энергию. В результате атомы неона переходят с основного уровня на уровень, который близко расположен к уровню2 S гелия. В резуль-тате на
уровне неона создается значительная насе-лённость. В то же время, уровень
населен мало, поскольку он быстро очи-щается благодаря спон-танным переходам на нижележащие уровни. На переходе
возни-кает инверсная населенность. Переход атома неона с верхнего
уровня на ниж-ний уровень
приводит к лазерному излучению с длиной волны
мкм, что соответствует красному свету.

Пусть имеется среда, в которой создана инверсная населенность, т.е. условие (4.7) имеет место. В такой среде вынужденное излучение сильнее, чем поглощение. Поэтому среда будет усиливать проходящий свет с частотойν (длиной волныλ) , соответствующей переходу между уровнями с инверсной населенностью (см. формулу (4.2)). Однако это усиление невелико: в гелий-неоновом лазере свет, пройдя в активной среде путь в1 м, усиливается всего на2 %. Поэтому для получения яркого излучения необходимо, чтобы путь света в активной среде был очень длинным. Это достигается с помощьюоптического резонатора . Активная среда с инверсной населенностью и оптический резонатор – две основные части любого лазера.

На рис. 4.3 схематически изображено устройство гелий-неонового лазера. В середине находится газоразрядная трубка (ГРТ) с активной средой – ге-лий-неоновой смесью. Пар-циальное давление гелия – 1 мм рт.ст. (133 Па), а неона –0,1 мм рт.ст. (13,3 Па). Трубка имеет катодК и анодА . При накаленном катоде и поданном между катодом и анодом высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения в трубке достигает1,5 кВ, ток через трубку достигает30 mA. При прохождении тока через смесь в ней возникает инверсная населенность.

Оптический резонатор – это два высококачественных зеркала З1 иЗ2 (плоские или сферические), одно из которых (З2 ) полупрозрачное. Зеркала установлены у концов газоразрядной трубки параллельно друг другу. Свет, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через газоразрядную трубку. В результате путь света в активной среде удлиняется настолько, что усиление света достигает большой величины. Перед началом лазерной генерации в среде имеется некоторое количество спонтанного излучения. Это излучение, отражаясь от зеркал, много раз проходит через активную среду. На каждом проходе оно усиливается за счет вынужденного излучения среды. В итоге возникает яркий лазерный луч, выходящий из полупрозрачного зеркала.

Однако только малая часть спонтанного излучения будет возбуждать лазерную генерацию. Оптический резонатор обладает большой избирательностью: среди спонтанного излучения он отбирает волны с определенным направлением распространения. Действительно, много-кратное отражение будут испытывать только волны, распрост-раняющиеся вдоль оптической оси резонатора. Спонтанное излучение, идущее под углом к оси, уходит из резонатора и в лазерной генерации не участвует. По этой причине лазер генерирует узкий, мало-расходящийся пучок света.

Излучение гелий-неонового лазера эллиптически-поляризованно. Это вызвано тем, что окна газоразрядной трубки установлены под углом Брюстера
. Отражение проходящего света от окон газоразрядной трубки подавляет лазерную генерацию. Устанавливая окна под углом Брюстера, добиваются того, что свет, в котором векторЕ колеблется в плоскости падения, проходит через окно практически без отражения. В результате только такой поляризованный свет генерируется лазером.

Таким образом, из гелий-неонового лазера выходит узкий пучок красного эллиптически-поляризованного света. Этот свет – результат вынужденного излучения. Наряду с вынужденным излучением имеется спонтанное, которое не поляризовано и выходит из лазера во всех направлениях. Это излучение не участвует в лазерной генерации. Спонтанное излучение лазера много слабее вынужденного, яркость его примерно такая же, как у обычной газоразрядной трубки.

Устройство гелий-неонового лазера

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000÷5000 вольт (в зависимости от длины трубки), расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал - полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.

Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора - от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.

Принцип действия

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре - электрический разряд.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гелий-неоновый лазер" в других словарях:

гелий-неоновый лазер - helio neono lazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. helium neon laser vok. Helium Neon Laser, m rus. гелий неоновый лазер, m pranc. laser à mélange d hélium et néon, m; laser hélium néon, m … Radioelektronikos terminų žodynas

Лазер с ядерной накачкой это лазерное устройство, возбуждение активной среды которого происходит за счет ядерного излучения (гамма кванты, ядерные частицы, продукты ядерных реакций). Длина волны излучения такого устройства может быть от… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Лазер (значения). Лазер (лаборатория NASA) … Википедия

Квантовый генератор, источник мощного оптического излучения (laser аббревиатура выражения light amplification by stimulated emission of radiation усиление света вынужденным излучением). Принцип действия лазера тот же, что и у ранее созданного… … Энциклопедия Кольера

Источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении (См. Вынужденное излучение) атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов… …

Лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в Оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным. Испущенная в каком либо месте трубки … Большая советская энциклопедия

Оптический квант. генератор с газообразной активной средой. Газ, в к ром за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический… … Физическая энциклопедия

Лазер (лаборатория НАСА) Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «Усиление света с помощью вынужденного излучения») устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) … Википедия

Особенности газообразной активной среды. Основные методы возбуждения. Электрический разряд, газодинамика, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка. Резонансная передача энергии возбуждения при столкновениях. Гелий-неоновый лазер. Схема уровней. Передача энергии возбуждения. Конкуренция линий излучения на волнах 3,39 и 0,63 мкм. Параметры разряда, параметры лазера.

Рассмотрение методов создания инверсии мы будем проводить на примерах лазеров, представляющих наибольший интерес.

Начнем с газовых лазеров. Газообразность их активной среды приводит к ряду замечательных следствий. Прежде всего, только газовые среды могут быть прозрачными в широком спектральном интервале от вакуумной УФ области спектра до волн далекого ИК, по существу СВЧ, диапазона. В результате газовые лазеры работают в громадном диапазоне длин волн, соответствующем изменению частоты более чем на три порядка.

Далее. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. Это позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости лазерного излучения.

При малой плотности для газов характерно доплеровское уширение спектральных линий, величина которого мала по сравнению с шириной линии люминесценции в конденсированных средах. Это позволяет легче достигать высокой монохроматичности излучения газовых лазеров. В результате в излучении газовых лазеров наиболее отчетливо проявляются характерные свойства лазерного излучения - высокая монохроматичность и направленность.

Составляющие газ частицы взаимодействуют друг с другом в процессе газокинетических столкновений. Это взаимодействие относительно слабо; поэтому оно практически не влияет на расположение урдвней энергии частиц и выражается только в уширении соответствующих спектральных линий. При низких давлениях столкновительное уширение мало и не превышает доплеровскую

ширину. Вместе с тем увеличение давления приводит к росту столкновительной ширины (см. лекцию вторую), и мы получаем возможность управлять шириной линии усиления активной среды лазера, существующую только в случае газовых лазеров.

Как мы знаем, для выполнения условий самовозбуждения усиление в активной среде за один проход резонатора лазера должно превышать потери. В газах отсутствие нерезонансных потерь энергии непосредственно в активной среде облегчает выполнение этого условия. Технически трудно изготовить зеркала с потерями, заметно меньшими 1%. Следовательно, усиление за один проход должно превышать 1%. Относительная легкость выполнения такого требования в газах, например путем увеличения длины активной среды, объясняет наличие большого количества газовых лазеров в широком диапазоне длин волн. Вместе с тем малая плотность газов препятствует получению такой высокой плотности возбужденных частиц, которая характерна для твердых тел. Поэтому удельный энергосъем у газовых лазеров существенно ниже, чем у лазеров на конденсированных средах.

Специфика газов проявляется и в многообразии различных физических процессов, применяемых для создания инверсии населенностей. К их числу относятся возбуждение при столкновениях в электрическом разряде, возбуждение в газодинамических процессах, химическое возбуждение, фотодиссоциация, оптическая накачка (главным образом лазерным излучением), электронно-лучевое возбуждение.

В подавляющем большинстве газовых лазеров инверсия населенностей создается в электрическом разряде. Такие газовые лазеры называются газоразрядными. Газоразрядный метод создания активной среды является наиболее общим методом получения инверсии в газовых лазерах, так как электроны разряда легко возбуждают частицы газа, переводя их в процессах неупругих столкновений на более высокие уровни энергии. Обычно наблюдаемое свечение газового разряда (газосветные лампы) объясняется спонтанными переходами с этих уровней энергии вниз. Если скорости процессов распада возбужденных состояний благоприятны накоплению частиц на каком-то верхнем уровне энергии и опустошению какого-то нижнего уровня энергии, то между этими уровнями создается инверсия населенностей. Легко возбуждая газ в широком интервале энергий, электроны газового разряда создают инверсию населенностей уровней энергии нейтральных атомов, молекул, ионов.

Газоразрядный метод применим для возбуждения лазеров как непрерывного, так и импульсного режимов работы. Импульсное возбуждение используется большей частью в случае неблагоприятной для непрерывного режима динамики установления населенностей на верхнем и нижнем уровнях энергии, а также для того, чтобы получать высокую мощность излучения, недостижимую в непрерывном режиме.

Электрический разряд в газе может быть самостоятельным и несамостоятельным. В последнем случае проводимость газа обеспечивается внешним ионизующим агентом, а процесс возбуждения осуществляется независимо от условий пробоя газа при оптимальном значении напряженности электрического поля в разрядном промежутке. В газовой среде, ионизованной независимо внешним воздействием, это поле и вызванный им ток определяют энергию возбуждения (энерговклад), вводимую в разряд.

Характерной особенностью газов является возможность создания таких потоков газовых масс, в которых резко меняются термодинамические параметры газа. Так, если предварительно сильно нагретый газ внезапно расширяется, например при протекании со сверхзвуковой скоростью через некоторое сопло, то температура газа резко падает. Этой новой, существенно более низкой температуре соответствует новое равновесное распределение населенностей по уровням энергии частиц газа. При внезапном снижении температуры газа на какое-то время нарушается равновесность этого распределения. Тогда, если релаксация К новому термодинамическому равновесию для нижнего уровня вдет быстрее, чем для верхнего, газодинамическое истечение сопровождается инверсией населенностей, существующей в некоторой протяженной области вниз по течению газа. Размер этой области определяется скоростью газодинамического потока и временем релаксации инверсной населенности в нем.

Таков газодинамический метод получения инверсии, в котором тепловая энергия нагретого газа непосредственно преобразуется в энергию монохроматического электромагнитного излучения. Важной характерной особенностью этого метода является возможность организации газодинамических потоков больших масс активного вещества и тем самым получения высокой выходной мощности (см. формулу (6.57)).

При химическом возбуждении инверсия паселенностей создается в результате химических реакций, при которых образуются возбужденные атомы, молекулы, радикалы. Газовая среда удобна для химического возбуждения тем, что реагенты легко и быстро перемешиваются и легко транспортируются. В газофазных химических реакциях неравновесное распределение химической энергии среди продуктов реакции проявляется наиболее сильно и сохраняется наиболее долго. Химические лазеры интересны тем, что в них происходит прямое преобразование химической энергии в энергию электромагнитного излучения. Привлечение цепных реакций приводит к тому, что падает относительная доля энергоза-. трат на инициирование реакций, обеспечивающих получение инверсии. В результате потребление электроэнергии во время работы химического лазера может быть очень малым, что также является большим достоинством химического метода создания инверсии. Добавим к этому, что удаление продуктов реакции, т. е. работа в газовом потоке, может обеспечить непрерывный характер

работы химических лазеров. Возможно также сочетание химического и газодинамического методов возбуждения.

К химическим лазерам примыкают лазеры, инверсия населенностей в которых достигается с помощью реакций фотодиссоциации. Как правило, это - быстропротекающие реакции, инициируемые интенсивной импульсной световой вспышкой или взрывом. В результате диссоциации возникают возбужденные атомы или радикалы. Взрывной характер реакции обусловливает импульсный режим работы таких лазеров. В силу того, что при соответствующем инициировании фотодиссоциация может охватывать одновременно большой объем исходного газа, импульсная мощность и энергия излучения при фотодиссоциационном методе создания инверсии могут достигать значительных величин.

Своеобразный характер в случае газовых активных сред приобретает такой общий метод создания инверсии, как оптическая накачка. В силу малой плотности газов их резонансные линии поглощения узки. Поэтому оптическая накачка может быть эффективна, если источник накачки достаточно монохроматичен. Обычно используются лазерные источники. Специфика газов в случае оптической накачки проявляется еще и в том, что в силу их малой плотности глубина проникновения излучения накачки в газ может быть большой и тепловыделение при поглощении излучения - малым. Как правило, резонансная оптическая накачка газовых сред практически не приводит к нарушению их оптической однородности.

При электронно-лучевом возбуждении газовых сред происходит ионизация газа электронами высокой энергии (0,3-3 МэВ). При этом энергия быстрых электронов первичного пучка, общее число которых относительно невелико, каскадным образом преобразуется в энергию большого числа медленных электронов. Возбуждение верхних лазерных уровней осуществляется именно этими электронами низкой энергии (от единиц до десятков электронвольт). Так как длина пробега электронов большой энергии в газах достаточно велика, то электронно-лучевой способ возбуждения очень удобен для создания активной среды больших объемов при больших давлениях газов, причем газов любого состава.

Электронно-лучевое возбуждение является гибким и вместе с тем мощным методом, применимым практически всегда. Большое достоинство этого метода состоит также в возможности его сочетания с другими методами создания активной среды газовых лазеров

Прежде чем перейти к конкретному рассмотрению того, как все эти методы создания инверсии реализуются в тех или иных представляющих наибольший интерес газовых лазерных системах, целесообразно отметить два обстоятельства общего характера.

Во-первых, достижение инверсии в газовой среде сильно облегчается относительной медленностью релаксационных процессов

в газах. Как правило, соответствующие константы скорости хорошо известны или могут быть сравнительно легко изучены экспериментально. В коротковолновой области и для хорошо разрешенных переходов процессом, препятствующим получению и удержанию инверсии, является спонтанный распад верхнего уровня (см. лекцию вторую). Радиационные времена жизни атомов, молекул, ионов также либо хорошо известны, либо могут быть относительно хорошо известны. Значения этих времен, известные для свободных частиц, справедливы для газов.

Во-вторых, для газов характерна передача энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта при неупругих столкновениях между ними. Такая передача тем более эффективна, чем более точно совпадают уровни энергии сталкивающихся частиц. Дело в том, что всегда существующее различие в значениях энергии тех состояний, обмен населенностями которых происходит при столкновении, приводит к тому, что передача возбуждения сопровождается выделением (или поглощением) кинетической энергии

Здесь N - плотность частиц доноров энергии возбуясдения, n - плотность акцепторов, звездочка обозначает воебуждение соответствующей частицы. Символ К, стоящий над стрелочками в уравнении (13.1), обозначает константу скорости этой реакции. Кинетическая энергия может быть получена из резервуара тепловой энергии поступательного движения частиц газа (или передана в этот резервуар). Для того чтобы такой процесс был эффективным, передаваемая в резервуар (получаемая из резервуара) в одном столкновении энергия не должна превышать среднюю энергию теплового движения одной частицы . Другими словами, дефицит энергии рассматриваемых состояний должен быть мал:

В этом случае происходит так называемая резонансная (квазирезонансная) передача энергии возбуждения.

В общих чертах процесс передачи энергии (13.1) описывается скоростным уравнением вида

где т - некоторое эффективное время релаксации, а константа скорости передачи энергии возбуждения, как обычно,

Здесь v - скорость сталкивающихся частиц, а сечение процесса передачи о приближается к газокинетическому сечению , при выполнении условия (13.2). В правой части уравнения

(13.3) учтен обратный процесс . Предполагая для выполнение закона сохранения числа частиц:

из (13.3) легко получить, что в стационарных условиях

При условии

достигается уровень возбуждения акцепторов, максимально возможный при заданном уровне возбуждения доноров.

Итак, процесс столкновительной передачи энергии возбуждения от частиц одного сорта частицам другого сорта, характерный для газовых сред, эффективен при выполнении условия (13.2). Этот процесс эффективен в создании активной среды лазера на основе частиц типа n путем возбуждения частиц типа N при выполнении условия (13.7).

Рис. 13.1. Передача энергии возбуждения по схеме прямая стрелка вцерх - возбуждение частиц N, прямая стрелка вниз - излучение частицами волнистая стрелка вниз - релаксация нижнего лазерного уровня частиц n. Показано отсутствие собственной релаксации частиц

Передача энергии возбуждения существенно расширяет возможности создания газовых лазеров, позволяя разделить в активной среде функции накопления энергии возбуждения и последующего излучения на желаемой длине волны. Процесс происходит в два этапа. Сначала тем или иным способом возбуждаются частицы вспомогательного газа - носителя избыточной энергии и выступающего донором энергии возбуждения. Затем в процессах иеупругих столкновений энергия передается от газа-носителя частицам рабочего газа - акцептора энергии возбуждения, населяя таким образом их верхний лазерный уровень. Верхний; уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни, чтобы хорошо накапливать энергию. Схематически рассматриваемый процесс показан на рис. 13.1.

Рассматриваемый метод нашел широкое применение, так как практически при всех методах возбуждения (электроразрядном,

газодинамическом, химическом и т. д.) часто оказывается гораздо более выгодным непосредственно вкладывать энергию возбуждения не в те частицы, излучение которых желательно, а в те, которые легко поглощают эту энергию, сами ее не излучают и охотно отдают свое возбуждение нужным частицам.

Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению ряда газовых лазеров. Начнем с атомарных газовых систем, ярким представителем которых является гелий-неоновый лазер. Хорошо известно, что этот лазер был, в сущности, первым. Исходные расчеты и предложения относились к газовым лазерам, главным образом, вследствие уже обсуждавшейся нами большей степени понимания схем уровней энергии и условий возбуждения в газовой среде. Все же первым был создан рубиновый лазер в силу того, что этот монокристалл был тщательно изучен в радиоспектроскопии ЭПР и широко использовался в квантовой электронике СВЧ для создания парамагнитных квантовых усилителей (парамагнитных мазеров). Вскоре, в конце того же 1960 г., А. Джаван,

Рис. 13.2. Схема возбуждения неона и гелия в электрическом разряде (обозначения стрелок те же, что и на рис. 13.1). Показана возможность каскадного заселения уровней энергии неона.

У. Беннет и Д. Харриот создали гелий-неоновый лазер на волне 1,15 мкм. Наибольший интерес к газовым лазерам сформировался после открытия генерации гелий-неонового лазера на красной линии 632,8 нм практически в тех же условиях, что и в первом запуске на волне 1,15 мкм. Это прежде всего стимулировало интерес к лазерным применениям. Лазерный луч стал инструментом.

Технические усовершенствования привели к тому, что гелий-неоновый лазер перестал быть чудом лабораторной техники и экспериментального искусства и превратился в надежное устройство. Этот лазер хорошо известен, он оправдывает свою известность и заслуживает внимания.

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. Упрощенная и вместе с тем в каком-то смысле обобщенная схема уровней неона приведена в правой части рис. 13.2. В электрическом разряде при столкновениях с электронами

возбуждаются уровни . Уровни метастабильны, а уровень по сравнению с ними является более короткоживущим. Поэтому, казалось бы, должна легко возникать инверсия населенностей уровней по отношению к . Этому, однако, мешает метастабильный уровень . В спектрах многих атомов, в том числе атомов инертных газов, имеется такой долгоживущнй метастабильный уровень. Заселяясь в столкновениях с электроном, этот уровень не дает опустошаться уровню , что препятствует получению инверсии.

В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - донора энергии возбуждения. Этим газом служит гелий. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рис. 13.2) довольно точно совпадают с энергиями уровней неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию (13.7), можно добиться заселения одного или обоих уровней неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей этих уровней по отношению к уровню .

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Подчеркнем, что нашедший широкое применение в квантовой электронике газовых лазеров метод передачи энергии от газа, непосредственно не работающего, но легко возбуждаемого, к газу, не накапливающему энергию возбуждения, но легко излучающему, впервые был реализован в гелий-неоновом лазере.

Рассмотрим теперь более подробно схему уровней нейтральных атомов гелия и неона (рис. 13.3).

Нижним из возбужденных состояний гелия соответствуют энергии 19,82 и 20,61 эВ. Оптические переходы из них в основное состояние запрещены в приближении -связи, действительной для гелия. Состояния и - это метастабильные состояния со временем жизни примерно . Поэтому они хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.

Для неона действительна промеяуточная -связь. На рис. 13.3 состояния, относящиеся к одной конфигурации, показаны жирной линией с выделением рабочего подуровня. Для идентификации уровней применены обозначения Пашена, наиболее широко распространенные в существующей литературе. Уровни близки к метастабильный уровням гелия 250 и 2%, дефицит энергии примерно равен (Заметим, что при 300 К

.) Состояние имеет большое время жизни из-за резонансного пленения излучения в силу радиационной связи с основным состоянием.

В неоне s-состояния имеют большие времена жизни, чем р-состояния. Это, вообще говоря, позволяет получать инверсию на переходах Следует, однако, иметь в виду, что состояние неона хорошо населяется в разряде и при не слишком больших токах разряда возможно ступенчатое (каскадное) заселение нижних лазерных уровней при переходах из состояния

Рис. 13.3. Схема нижних возбужденных уровней энергии гелия и пеона: прямые стрелки вверх - возбуждение гелия, волнистые стрелки - передача энергии возбуждения от гелия к неону, наклонные прямые стрелки - излучение атомами неона. Каналы релаксации нижних лазерных уровней неона не показаны.

Введение в разряд относительно большого количества гелия, обеспечивающего внешний по отношению к неону интенсивный канал заселения состояний снимает ограничения на возможность получения инверсии в непрерывном режиме. Исторически первой была получена генерация на переходе . Основная мощность соответствует переходу . Затем была реализована инверсия переходов и .

Все три вида генерации происходят в примерно одинаковых условиях разряда и имеют одинаковые зависимости мощности генерации от параметров разряда. При этом особенно важна конкуренция генераций на волнах 3,39 и 0,63 мкм, которым соответствуют переходы с общим верхним уровнем. Поэтому генерация на одной из этих волн ослабляет генерацию на другой из них. Дело осложнено резким различием в коэффициентах усиления. Переходу соответствует усиление в и поэтому на нем легко достигается генерация в простых, например металлических, зеркалах. Переход гораздо

более капризен. Ему соответствует небольшое усиление в , что при прочих равных условиях никак не может конкурировать с гигантским усилением в . Поэтому для получения генерации в видимой области гелий-неоновый лазер снабжается многослойными диэлектрическими интерференционными зеркалами, обладающими высоким коэффициентом отражения только на требуемой длине волны. Переходу соответствует усиление генерация достигается. с помощью диэлектрических зеркал.

Гелий-неоновый лазер является газоразрядным лазером. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет . Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительный столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа р на внутренний диаметр трубки D. При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизованной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока. значение .

Для области 3,39 мкм (серия , самая сильная линия ) верхний лазерный уровень, как уже говорилось, совпадает с верхним уровнем красной линии генерации 0,63 мкм. Поэтому оптимальные условия разряда оказываются одинаковыми.

В весьма распространенных случаях, когда одна и та же отпаянная газоразрядная трубка используется в гелий-неоновом лазере со сменными зеркалами для работы в различных диапазонах длин волн, обычно выбираются некоторые компромиссные значения в довольно широком диапазоне параметров: диаметр газоразрядной трубки 5-10 мм, отношение парциальных давлений 5-15, общее давление 1 - 2 Торр, ток 25-50 мА.

Наличие оптимума по диаметру обусловлено конкуренцией двух факторов. Во-первых, при увеличении поперечного сечения активной среды лазера при прочих равных условиях происходит увеличения вероятности распада на стенке капилляра метастара капилляра газоразрядной трубки увеличивает коэффициент усиления пропорционально . Последнее происходит как из-за - увеличения вероятности распада на стенке капилляра метаста-бильного состояния неона так и из-за увеличения количества возбужденного гелия (и тем самым неона), а значит, и коэффициента усиления при сохранении постоянным произведения т. е. при выполнении условия подобия тлеющих разрядов при изменении диаметра газоразрядной трубки.

Наличие оптимальной плотности тока разряда обусловлено возникновением при больших токах каскадных процессов типа

приводящих к уменьшению инверсии (см. рис. 13.2 и 13.3). Процессы такого рода могут становиться существенными также при увеличении давления неона, что, в свою очередь, обусловливает наличие оптимума по давлению.

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни милливатт в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений гелия и неона.

Остановимся теперь на вопросе конструирования резонатбров гелий-неонового лазера. Большая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро портятся в разряде. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка, снабженная окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, помещается внутрь резонатора. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал и облегчается их смена,

появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т. п.

В квантовой электронике важным является вопрос о ширине линии рабочего перехода (см. лекцию вторую). Для газовых лазеров существенны естественное, столкновительное и доплеровское уширения. В случае гелий-неонового лазера формула (2.8) (где под надо понимать - естественное время жизни р-состояния неона, а под - время т., относящееся к s-состояпию) дает значение естественной ширины линии МГц. Столкновительное уширение (формулы (2.31) и определяется давлением газа. Для атомов неона в предположении, что сечение соответствующего столкновительного процесса равно газокинетическому, при давлении порядка МГц. Доплеровская ширина линии (формулы (2.28) и определяется, в частности, длиной волны излучения. Для линии 0,63 мкм при 400 К эти формулы дают что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из сказанного видно, что в случае гелий-неонового лазера основным механизмом, вызывающим уширение линии излучения, является эффект Доплера. Уширение это относительно невелико и при такой линии можно получить генерацию на одной продольной моде, т. е. одночастотную генерацию при хотя и малой, но физически вполне реализуемой длине резонатора 15 см. (формула (10.21)).

Гелий-неоновый лазер является наиболее представительным примером газовых лазеров. В его излучении отчетливо проявляются все характерные свойства этих лазеров, в частности лэмбовский провал, обсуждавшийся в лекции одиннадцатой. Ширина этого провала близка к ширине одной из тех однородно уширенных линий, совокупность которых образует неоднородно уширенную доплеровскую линию. В случае гелий-неонового лазера такой однородной шириной является естественная ширина . Так как , то положение лэмбовского провала (см. рис. 11.6) очень точно показывает положение центра линии рабочего перехода. Кривая, представленная на рис. 11.6, для лэмбовского провала экспериментально получается путем плавного изменения длины резонатора одномодового лазера. Следовательно, положение минимума провала может быть использовано при соответствующей обратной связи, управляющей длиной резонатора, для стабилизации частоты генерации лазера. Так получена относительная стабильность и воспроизводимость частоты, равная . Отметим, однако, что более высокая стабильность достигается, когда провал выжигается не в линии усиления активной среды, а в линии поглощения резонансного газа. Для линии генерации таким газом является метан.

Подчеркнув в заключение, что существует целый ряд газовых лазеров на нейтральных атомах, в том числе на атомах благородных газов, отметим, что промышленность выпускает гелий-неоновые лазеры в широком ассортименте.