Laser heliu-neon - Helium–neon laser
Un laser cu heliu-neon sau cu laser He-Ne , este un tip de laser cu gaz al cărui mediu de câștig constă dintr-un amestec de 10: 1 raport de heliu și neon la o presiune totală de aproximativ 1 torr în interiorul unei descărcări electrice mici . Cel mai cunoscut și mai utilizat laser He-Ne funcționează la o lungime de undă de 632,8 nm, în partea roșie a spectrului vizibil.
Istoria dezvoltării laserului He-Ne
Primele lasere He-Ne emise în infraroșu la 1150 nm au fost primele lasere cu gaz și primele lasere cu undă continuă. Cu toate acestea, un laser care a funcționat la lungimi de undă vizibile a fost mult mai solicitat și s-au investigat o serie de alte tranziții de neon pentru a identifica cele în care se poate realiza o inversare a populației . S-a constatat că linia de 633 nm are cel mai mare câștig din spectrul vizibil, făcând din aceasta lungimea de undă aleasă pentru majoritatea laserelor He-Ne. Cu toate acestea, sunt posibile alte lungimi de undă cu emisii stimulate vizibile și în infraroșu și prin utilizarea acoperirilor oglinzilor cu reflectanța lor de vârf la aceste alte lungimi de undă; Laserele He-Ne ar putea fi proiectate pentru a utiliza acele tranziții, inclusiv lasere vizibile care apar roșu, portocaliu, galben și verde. Emisiile stimulate sunt cunoscute de la peste 100 μm în infraroșu îndepărtat la 540 nm în vizibil.
Deoarece tranzițiile vizibile au un câștig oarecum mai mic, aceste lasere au, în general, o eficiență de ieșire mai mică și sunt mai costisitoare. Tranziția de 3,39 μm are un câștig foarte mare, dar este împiedicată utilizarea într-un laser He-Ne obișnuit (cu o lungime de undă diferită), deoarece cavitatea și oglinzile sunt pierdute la acea lungime de undă. Cu toate acestea, la laserele He-Ne de mare putere având o cavitate deosebit de lungă, superluminescența la 3,39 μm poate deveni o pacoste, eliminând puterea mediului de emisie stimulat, necesitând adesea suprimarea suplimentară.
Cel mai cunoscut și mai utilizat laser He-Ne funcționează la o lungime de undă de 632,8 nm , în partea roșie a spectrului vizibil . A fost dezvoltat la Laboratoarele telefonice Bell în 1962, la 18 luni după demonstrația de pionierat în același laborator a primului laser cu gaz He-Ne în infraroșu continuu din decembrie 1960.
Construcție și exploatare
Mediul de câștig al laserului, așa cum sugerează numele său, este un amestec de heliu și gaze neon , într-un raport de aproximativ 10: 1, conținut la presiune scăzută într-un plic de sticlă. Amestecul de gaze este în mare parte heliu, astfel încât atomii de heliu pot fi excitați. Atomii de heliu excitați se ciocnesc cu atomii de neon, excitându-i pe unii dintre ei către starea care radiază 632,8 nm. Fără heliu, atomii de neon ar fi excitați mai ales la stări excitate mai mici, responsabile pentru liniile non-laser.
Se poate construi un laser neon fără heliu, dar este mult mai dificil fără acest mijloc de cuplare a energiei. Prin urmare, un laser He-Ne care și-a pierdut suficient din heliu (de exemplu, datorită difuziei prin etanșări sau sticlă) își va pierde funcționalitatea laserului, deoarece eficiența pompării va fi prea mică. Sursa de energie sau pompă a laserului este asigurată de o descărcare electrică de înaltă tensiune trecută prin gaz între electrozi ( anod și catod ) din interiorul tubului. Un curent continuu de 3 până la 20 mA este de obicei necesar pentru funcționarea CW . Cavitatea optică a laserului obicei , este format din două oglinzi concave sau un plan și o oglindă concavă: unul care are foarte mare ( de obicei , 99,9%) de reflexie, iar ieșirea de cuplare oglindă care permite transmiterea de aproximativ 1%.
Laserele He-Ne comerciale sunt dispozitive relativ mici, printre lasere cu gaz, având lungimi ale cavității de obicei cuprinse între 15 și 50 cm (dar uneori până la aproximativ 1 metru pentru a atinge cele mai mari puteri) și niveluri de putere de ieșire optică cuprinse între 0,5 și 50 m W .
Lungimea de undă a laserului He-Ne roșu de 633 nm are o lungime de undă reală de 632,991 nm, sau aproximativ 632,816 nm în aer. Lungimile de undă ale modurilor de emisie stimulate se află la aproximativ 0,001 nm peste sau sub această valoare, iar lungimile de undă ale acestor moduri se schimbă în acest interval datorită expansiunii termice și contracției cavității. Versiunile stabilizate în frecvență permit ca lungimea de undă a unui singur mod să fie specificată la o parte din 10 8 prin tehnica comparării puterilor a două moduri longitudinale în polarizări opuse. Stabilizarea absolută a frecvenței (sau lungimii de undă) a laserului la fel de fină ca 2,5 părți în 10 11 poate fi obținută prin utilizarea unei celule de absorbție a iodului.
Mecanismul care produce inversiunea populației și amplificarea luminii într-o plasmă cu laser He-Ne are la bază coliziunea inelastică a electronilor energetici cu atomi de heliu din starea de bază din amestecul gazos. Așa cum se arată în diagrama de nivel energetic însoțitoare, aceste coliziuni excită atomii de heliu de la starea fundamentală la stările excitate de energie mai mare, printre care cuplajul 2 3 S 1 și 2 1 S 0 ( LS sau cuplajul Russell – Saunders , numărul din față 2 indică că un electron excitat este n = 2 stare) sunt stări metastabile de lungă durată. Datorită unei coincidențe fortuite între nivelurile de energie ale celor două stări metastabile He și nivelurile de neon 5s 2 și 4s 2 ( notația Paschen ), coliziunile dintre acești atomi metastabili cu heliu și atomii de neon de la bază au ca rezultat un efect selectiv și eficient. transferul energiei de excitație de la heliu la neon. Acest proces de transfer de energie de excitație este dat de ecuațiile de reacție
- He * (2 3 S 1 ) + Ne 1 S 0 → He ( 1 S 0 ) + Ne * 4s 2 + Δ E ,
- He * (2 1 S) + Ne 1 S 0 + Δ E → He ( 1 S 0 ) + Ne * 5s 2 ,
unde * reprezintă o stare excitată și Δ E este diferența mică de energie dintre stările de energie ale celor doi atomi, de ordinul 0,05 eV , sau 387 cm -1 , care este furnizată de energie cinetică. Transferul de excitație-energie crește de multe ori populația nivelurilor de neon 4s 2 și 5s 2 . Când populația acestor două niveluri superioare o depășește pe cea a nivelului inferior corespunzător, 3p 4 , la care sunt conectate optic, este prezentă inversarea populației. Mediul devine capabil să amplifice lumina într-o bandă îngustă la 1,15 μm (corespunzătoare tranziției 4s 2 la 3p 4 ) și într-o bandă îngustă la 632,8 nm (corespunzătoare tranziției 5s 2 la 3p 4 ). Nivelul 3p 4 este golit eficient prin decădere radiativă rapidă în starea 3s, ajungând în cele din urmă la starea fundamentală.
Pasul rămas în utilizarea amplificării optice pentru a crea un oscilator optic este de a plasa oglinzi foarte reflectante la fiecare capăt al mediului de amplificare, astfel încât o undă într-un anumit mod spațial să se reflecte asupra sa, câștigând mai multă putere în fiecare trecere decât se pierde datorită la transmiterea prin oglinzi și difracție. Atunci când aceste condiții sunt îndeplinite pentru unul sau mai multe moduri longitudinale , atunci radiația din aceste moduri se va acumula rapid până când se produce saturația câștigului , rezultând o ieșire continuă stabilă a fasciculului laser prin oglinda frontală (de obicei reflectantă de 99%).
Lățimea de bandă a câștigului laserului He-Ne este dominată de lărgirea Doppler mai degrabă decât de lărgirea presiunii datorită presiunii scăzute a gazului și este astfel destul de îngustă: doar aproximativ 1,5 GHz lățime completă pentru tranziția de 633 nm. Cu cavități cu lungimi tipice de 15 până la 50 cm, acest lucru permite ca aproximativ 2 până la 8 moduri longitudinale să oscileze simultan (totuși, sunt disponibile unități cu un singur mod longitudinal pentru aplicații speciale). Ieșirea vizibilă a laserului roșu He-Ne, lungimea lungă a coerenței și calitatea sa spațială excelentă, fac din acest laser o sursă utilă pentru holografie și ca referință a lungimii de undă pentru spectroscopie . Un laser He-Ne stabilizat este, de asemenea, unul dintre sistemele de referință pentru definirea contorului.
Înainte de invenția laserelor cu diode ieftine și abundente, laserele He-Ne roșii erau utilizate pe scară largă în scanerele de coduri de bare de la ghișeele de la supermarket. Giroscopii laser au folosit lasere He-Ne care funcționează la 633 nm într-o configurație laser inelară . Laserele He-Ne sunt în general prezente în laboratoarele optice educaționale și de cercetare.
Aplicații
Laserele roșii He-Ne au utilizări industriale și științifice enorme. Acestea sunt utilizate pe scară largă în demonstrații de laborator în domeniul opticii datorită costului relativ scăzut și ușurinței de funcționare în comparație cu alte lasere vizibile care produc fascicule de calitate similară în ceea ce privește coerența spațială (un fascicul gaussian monomod ) și lungimea lungă a coerenței ( totuși, începând cu aproximativ 1990, laserele semiconductoare au oferit o alternativă la costuri mai mici pentru multe astfel de aplicații).
Începând din 1978, laserele tubulare HeNe (fabricate de Toshiba și NEC ) au fost utilizate în playere Pioneer LaserDisc . Acest lucru a continuat până la gama de modele din 1984, care conținea diode laser în infraroșu . Pioneer a continuat să utilizeze diode laser în toți jucătorii ulteriori până la întreruperea formatului în 2009.