Гелий -неоновый лазер
Лазер -гелий-неоновый лазер или лазер He-ne -это тип газового лазера смеси соотношения (между 5: 1 и 20: 1 гелие , высокий энергетический среду среды состоит из чей ) (133 Па ) Внутри небольшого электрического разряда . Самый известный и наиболее широко используемый He-Ne Laser работает на длине волны 632,8 нм (в воздухе), в красной части видимого спектра.
История развития лазера He-ne
[ редактировать ]Первые лазеры He-ne испускали инфракрасные при составе 1150 нм, и были первыми газовыми лазерами и первыми лазерами с непрерывной мощностью волн. Тем не менее, лазер, который работал на видимых длинах волн, был гораздо более востребованным, и был исследован ряд других неоновых переходов для выявления тех, в которых может быть достигнута инверсия населения . Было обнаружено, что линия 633 нм имеет самый высокий прирост в видимом спектре, что делает эту длину волны выбора для большинства лазеров HE-NE. Тем не менее, возможны другие видимые и инфракрасные длина волн стимулированного эмиссии, и путем использования зеркальных покрытий с их пиковой отражением на этих других длин волн; He-ne Lasers могут быть разработаны для использования этих переходов, в том числе видимых лазеров, появляющихся красными, оранжевыми, желтыми и зелеными. [ 1 ] Стимулированные выбросы известны от более чем 100 мкМ в дальнем инфракрасном виде до 540 нм в видимом.
Поскольку видимые переходы имеют несколько более низкий прирост, эти лазеры, как правило, имеют более низкую эффективность выходных данных и являются более дорогостоящими. Переход 3,39 мкм имеет очень высокий усиление, но предотвращается использование в обычном лазере HE-NE (другой предполагаемой длины волны), потому что полость и зеркала являются потерями на этой длине волны. Тем не менее, у мощных лазеров HE-NE, имеющих особенно длинную полость, суперлюминесценция при 3,39 мкм может стать неприятностью, лишивая власть от стимулированной среды излучения, часто требуя дополнительного подавления.
Самый известный и наиболее широко используемый He-Ne Laser работает на длине волны 632,8 нм , в красной части видимого спектра . Он был разработан в Bell Telephone Laboratories в 1962 году, [ 2 ] [ 3 ] Спустя 18 месяцев после новаторской демонстрации в той же лаборатории первой непрерывной инфракрасной газовой лазер HE-NE в декабре 1960 года. [ 4 ]
Строительство и эксплуатация
[ редактировать ]Усиная среда лазера, как предполагалось по его названию, представляет собой смесь гелия и неоновых газов, примерно в соотношении 10: 1, содержащейся при низком давлении в стеклянной оболочке. Газовая смесь в основном гелий, так что атомы гелия могут быть возбуждены. Взволнованные атомы гелия сталкиваются с неоновыми атомами, захватывая некоторые из них в состояние, которое излучает 632,8 нм. Без гелия неоновые атомы были бы возбуждены в основном для снижения возбужденных состояний, ответственных за не лазерные линии.
Неоновый лазер без гелия может быть построен, но он гораздо сложнее без этих средств энергии. Следовательно, лазер He-ne, который потерял достаточно своего гелия (например, из-за диффузии через уплотнения или стекло) потеряет свою лазерную функциональность, поскольку эффективность накачки будет слишком низкой. [ 5 ] Источник энергии или насоса лазера обеспечивается высоковольтным электрическим разрядом, проходящим через газ между электродами ( анодом и катодом ) в трубе. Ток постоянного тока от 3 до 20 мА обычно требуется для работы CW . Оптическая полость лазера обычно состоит из двух вогнутых зеркал или одного плоскости и одного вогнутого зеркала: одно, имеющее очень высокое (обычно 99,9%) отражательную способность, и зеркало выходного соединителя, позволяющее примерно 1% передачи.
Коммерческие лазеры He-ne представляют собой относительно небольшие устройства по сравнению с другими газовыми лазерами, имеющие длину полости, обычно от 15 до 50 см (но иногда до около 1 метра для достижения самых высоких мощностей) и уровни оптической выходной мощности в диапазоне от 0,5 до 50 М.
Точная длина волны красных лазеров He-ne составляет 632,991 нм в вакууме, который преломляется до 632,816 нм в воздухе. Длина волн стимулированных режимов излучения лежат в пределах 0,001 нм над или ниже этого значения, и длина волн этих мод смещается в этом диапазоне из -за теплового расширения и сокращения полости. Стабилизированные частоты версии включают длину волны одного режима быть указанной в 1 часть в 10 8 методом сравнения способностей двух продольных мод в противоположных поляризациях. [ 6 ] Абсолютная стабилизация частоты лазера (или длины волны) как нормально, как 2,5 частей в 10 11 можно получить с помощью использования ячейки йода поглощения. [ 7 ]
Механизм, производящий инверсию населения и усиление света в лазерной плазме HE-NE [ 4 ] происходит с неупругим столкновением энергетических электронов с атомами гелиевого гелиевого состояния в газовой смеси. Как показано на сопроводительной диаграмме энергетического уровня, эти столкновения возбуждают атомы гелия из основного состояния в более высокие энергии, среди них 2 3 S 1 и 2 1 S 0 ( LS или Russell-Saunders Coupling , передний номер 2 указывает на то, что возбужденный электрон составляет n = 2 состояния), являются долгоживущими метастабильными состояниями. Из-за случайного усадки между уровнями энергетики двух метастабильных состояний и 5S 2 и 4S 2 ( пашен нотация [ 8 ] ) Уровни неоновых, столкновения между этими метастабильными гелиевыми атомами и наземными неоновыми атомами приводят к селективному и эффективному переносу энергии возбуждения от гелия в неоновый. Этот процесс передачи энергии возбуждения определяется уравнениями реакции
- Он*(2 3 S 1 ) + Ne 1 S 0 → он ( 1 S 0 ) + Ne*4s 2 + Δ E ,
- Он*(2 1 S) + Ne 1 S 0 + Δ E → He ( 1 S 0 ) + Ne*5s 2 ,
где * представляет возбужденное состояние, а Δ e - небольшая разница в энергии между энергетическими состояниями двух атомов, порядка 0,05 эВ или 387 см. −1 , который поставляется кинетической энергией. Передача энергии в энергии увеличивает популяцию уровней Neon 4S 2 и 5S 2 многократно. Когда популяция этих двух верхних уровней превышает население соответствующего более низкого уровня, 3p 4 , к которому они оптически связаны, присутствует инверсия населения. Среда становится способной усилить свет в узкой полосе при 1,15 мкм (соответствует переходу 4S от 2 до 3p 4 ) и в узкой полосе при 632,8 нм (соответствует переходу 5S от 2 с 3 до 4 ). Уровень 3P 4 эффективно опорожняется быстрому радиационному распаду до состояния 3S, в конечном итоге достигая основного состояния.
Оставшийся шаг в использовании оптического усиления для создания оптического генератора состоит в том, чтобы разместить высокие отражающие зеркала на каждом конце усиливающей среды, чтобы волна в определенном пространственном режиме снова отразилась на себе, набирая больше мощности в каждом проходе, чем теряется. передавать через зеркала и дифракция. Когда эти условия выполняются для одного или нескольких продольных режимов , то излучение в этих режимах будет быстро нарастать до тех пор , пока не произойдет насыщение усиления , что приведет к стабильной непрерывной мощности лазерного луча через переднее (обычно 99% отражающее зеркало).
В полосе пропускания усиления лазера HE-NE преобладает расширение доплеровского , а не расширение давления из-за низкого давления газа, и, таким образом, довольно узкая: только около 1,5 ГГц полной ширины для перехода 633 нм. [ 6 ] [ 9 ] С полосами, имеющими типичные длины от 15 до 50 см, это позволяет одновременно колебаться от 2 до 8 продольных режимов (однако, для специальных применений доступны для специальных применений). Видимый выход красного лазера He-Ne, длинная длина когерентности и его превосходное пространственное качество, делает этот лазер полезным источником для голографии и в качестве эталона длины волны для спектроскопии . Стабилизированный лазер He-ne также является одной из контрольных систем определения счетчика. [ 7 ]
До изобретения дешевых, обильных диодных лазеров , красные лазеры He-Ne широко использовались в сканерах штрих-кода на прилавках оформления супермаркета. He-Ne Лазеры, как правило, присутствуют в образовательных и исследовательских оптических лабораториях. Они также непревзойдены для использования в нанопозициях в таких приложениях, как полупроводниковое изготовление устройства . Высокие лазерные гироскопы использовали лазеры HE-NE, работающие на 633 нм в конфигурации кольцевого лазера .
Приложения
[ редактировать ]
He-ne Красные лазеры имеют огромное количество промышленных и научных применений. Они широко используются в лабораторных демонстрациях в области оптики из-за их относительно низкой стоимости и простоты работы по сравнению с другими видимыми лазерами, производящими балки с аналогичным качеством с точки зрения пространственной когерентности (одномодовый гауссовый луч ) и длинной длины когерентности ( Тем не менее, примерно с 1990 года полупроводниковые лазеры предложили более дешевую альтернативу для многих таких приложений).
Начиная с 1978 года, Hene Tube Lasers (изготовленные Toshiba и NEC ) использовали у игроков Pioneer Laserdisc . Это продолжалось до модельной линейки 1984 года, в которой вместо этого содержались инфракрасные лазерные диоды . Pioneer продолжал использовать лазерные диоды во всех последующих игроках, пока не прекратится формат в 2009 году.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Виллет, CS (1974). Введение в газовые лазеры . Pergamon Press. С. 407–411.
- ^ Белый, ad; Ригден, JD (1962). «Переписка: непрерывная эксплуатация газового мастера в видимом» . Материалы IRE . 50 (7). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1697. DOI : 10.1109/jrproc.1962.288157 . ISSN 0096-8390 .
- ^ Белый, объявление (октябрь 2011 г.). «Воспоминания первого непрерывного видимого лазера» . Новости оптики и фотоники . Тол. 22, нет. 10. С. 34–39.
- ^ Jump up to: а беременный Javan, A.; Беннетт, WR; Херриотт, доктор (1 февраля 1961 г.). «Инверсия популяции и непрерывное оптическое колебание мастера в газовом разряде, содержащее смесь HE -ne» . Письма о физическом обзоре . 6 (3). Американское физическое общество (APS): 106–110. Bibcode : 1961 phrvl ... 6..106j . doi : 10.1103/physrevlett.6.106 . ISSN 0031-9007 .
- ^ «Сэм-лазерные часто задаваемые вопросы-гелиевые лазеры» . K3pgp.org .
- ^ Jump up to: а беременный Niebauer, TM; Фаллер, Джеймс Э.; Годвин, HM; Холл, Джон Л.; Баргер, Р.Л. (1988-04-01). «Измерения стабильности частоты на стабилизированных поляризационных лазерах HE-NE». Прикладная оптика . 27 (7). Оптическое общество: 1285–1289. Bibcode : 1988Popt..27.1285n . doi : 10.1364/ao.27.001285 . ISSN 0003-6935 . PMID 20531556 .
- ^ Jump up to: а беременный Йод-стабилизированный гелий-неоновый лазер . Национальный институт стандартов и технологий (NIST). Музей NIST (отчет). Министерство торговли США. Архивировано из оригинала 21 июля 2006 года.
- ^ «Примечания о нотации Пасхен» . Архивировано из оригинала 2012-06-18.
- ^ "Laser FAQ Сэма" . Repairfaq .
| Базы данных управления авторитетом : национальный |
|---|
