Hélium -neon lézer - Helium–neon laser
A hélium-neon lézer vagy a He-Ne lézer egyfajta gázlézer, amelynek erősítő közege 10: 1 arányú hélium és neon keverékéből áll , körülbelül 1 torr össznyomáson, kis elektromos kisülésen belül . A legismertebb és legelterjedtebb He-Ne lézer 632,8 nm hullámhosszon működik, a látható spektrum vörös részén.
A He-Ne lézerfejlődés története
Az első He-Ne lézerek, amelyek 1150 nm-en infravörös sugárzást bocsátottak ki, voltak az első gázlézerek és az első lézerek folyamatos hullámkibocsátással. A látható hullámhosszakon működő lézerre azonban sokkal nagyobb igény mutatkozott, és számos más neonátmenetet is vizsgáltak, hogy azonosítsák azokat, amelyekben a populáció inverziója megvalósítható. A 633 nm-es vonalon találták a legnagyobb erősítést a látható spektrumban, így ez a legtöbb He-Ne lézer választott hullámhossza. Lehetséges azonban más látható és infravörös stimulált sugárzású hullámhossz is, és tükörbevonatok használatával, amelyek csúcsvisszaverő képessége ezen a másik hullámhosszon van; A He-Ne lézereket úgy lehet megtervezni, hogy alkalmazzák ezeket az átmeneteket, beleértve a vörös, narancs, sárga és zöld színű látható lézereket. A stimulált kibocsátás a távoli infravörös 100 μm feletti tartományától a látható 540 nm -ig ismert.
Mivel a látható átmenetek valamivel kisebb nyereséggel rendelkeznek, ezek a lézerek általában alacsonyabb kimeneti hatékonysággal rendelkeznek és drágábbak. A 3,39 μm-es átmenet nagyon erős erősítésű, de nem használható hagyományos (eltérő tervezett hullámhosszú) He-Ne lézerben, mivel az üreg és a tükrök veszteségesek ezen a hullámhosszon. Azonban a nagy teljesítményű, különösen hosszú üregű He-Ne lézereknél a 3,39 μm-es szuperlumineszcencia kellemetlenné válhat, kirabolva az erőt a kibocsátott közegből, gyakran további elnyomást igényel.
A legismertebb és legelterjedtebb He-Ne lézer 632,8 nm hullámhosszon működik , a látható spektrum vörös részén . Ezt a Bell Telephone Laboratories- ban fejlesztették ki 1962-ben, 18 hónappal az első folyamatos infravörös He-Ne gázlézer 1960 decemberi, ugyanazon laboratóriumban történt úttörő bemutatója után.
Felépítése és üzemeltetése
A lézer erősítő közege , amint azt a neve is sugallja, hélium és neongázok keveréke , körülbelül 10: 1 arányban, alacsony nyomáson, üvegburokban. A gázkeverék többnyire hélium, így a hélium atomok gerjeszthetők. A gerjesztett héliumatomok neonatomokkal ütköznek, és néhányukat a 632,8 nm -t sugárzó állapotba gerjesztik. Hélium nélkül a neonatomok többnyire alacsonyabb gerjesztett állapotokra gerjednek, amelyek a lézer nélküli vonalakért felelősek.
Hélium nélküli neonlézert lehet építeni, de ez sokkal nehezebb az energiakapcsolat ezen eszköze nélkül. Ezért egy olyan He-Ne lézer, amely eléggé elvesztette héliumát (pl. A tömítéseken vagy az üvegen keresztül történő diffúzió miatt), elveszíti lézerfunkcióit, mert a szivattyúzás hatékonysága túl alacsony lesz. A lézer energiáját vagy szivattyúforrását a csövön belüli elektródák ( anód és katód ) közötti gázon keresztül vezetett nagyfeszültségű elektromos kisülés biztosítja . A CW működéshez jellemzően 3-20 mA egyenáram szükséges . A lézer optikai ürege általában két homorú tükörből vagy egy síkból és egy konkáv tükörből áll: az egyik nagyon magas (jellemzően 99,9%) fényvisszaverő képességű, és a kimeneti csatoló tükör körülbelül 1% -os átvitelt tesz lehetővé.
A kereskedelmi forgalomban kapható He-Ne lézerek viszonylag kicsi eszközök, a gázlézerek között, amelyek üreghossza általában 15–50 cm (de néha a legnagyobb teljesítmény elérése érdekében akár 1 méter is lehet), és optikai kimeneti teljesítményszintje 0,5–50 m. W .
A 633 nm-es vörös He-Ne lézerhullám tényleges vákuumhullámhossza 632,991 nm, vagyis körülbelül 632,816 nm a levegőben. A stimulált emissziós módok hullámhossza körülbelül 0,001 nm -en belül van ezen érték felett vagy alatt, és ezeknek a módoknak a hullámhossza ezen a tartományon belül változik az üreg hőtágulása és összehúzódása miatt. Frekvencia-stabilizált változat lehetővé teszi a hullámhosszon egymódusú kell megadni, ami belül az 1: 10- 8 technikájával összehasonlításával hatásköre két hosszanti mód ellentétes polarizáció. A lézer frekvenciájának (vagy hullámhosszának) abszolút stabilizálása 2,5 rész 10 11 -ig érhető el jódabszorpciós cella használatával.
A He-Ne lézerplazmában populációinverziót és fényerősítést előállító mechanizmus az energetikai elektronok rugalmatlan ütközéséből származik a gázkeverék alapállapotú héliumatomjaival. Amint azt a kísérő energiaszint diagram is mutatja, ezek az ütközések a hélium atomokat gerjesztik az alapállapotból a magasabb energiájú gerjesztett állapotokba, köztük a 2 3 S 1 és 2 1 S 0 ( LS, vagy Russell – Saunders csatolás , 2. elülső szám) hogy egy gerjesztett elektron n = 2 állapot) hosszú élettartamú metastabil állapotok. A véletlenszerű közel egybeesés miatt a két He metastabil állapot és az 5s 2 és 4s 2 ( Paschen jelölés ) neon szintjei energiaszintjei között, a hélium metastabil atomok és az alapállapotú neon atomok ütközése szelektív és hatékony gerjesztési energia átvitele a héliumból a neonba. Ezt a gerjesztési energiaátviteli folyamatot a reakcióegyenletek adják meg
- Ő*(2 3 S 1 ) + Ne 1 S 0 → Ő ( 1 S 0 ) + Ne*4s 2 + Δ E ,
- Ő*(2 1 S) + Ne 1 S 0 + Δ E → Ő ( 1 S 0 ) + Ne*5s 2 ,
ahol * gerjesztett állapotot jelent, és Δ E a két atom energia állapota közötti kicsi energiakülönbség, 0,05 eV nagyságrendű , vagy 387 cm -1 nagyságú , amelyet a mozgási energia szolgáltat. A gerjesztő-energiaátvitel sokszorosára növeli a neon 4s 2 és 5s 2 szint populációját . Amikor e két felső szint populációja meghaladja a megfelelő alsó szint, 3p 4 , amelyhez optikailag kapcsolódnak, akkor populációinverzió van jelen. A közeg alkalmassá válik amplifikálására fény egy keskeny sávot 1,15 um (megfelel a 4s 2 a 3p 4 átmenet), és egy keskeny sávot 632,8 nm (megfelel a 5s 2 a 3p 4 átmenet). A 3p 4 szintet hatékonyan üríti a gyors sugárzási bomlás a 3s állapotba, végül eléri az alapállapotot.
Az optikai erősítés hasznosításának hátralévő lépése az optikai oszcillátor létrehozásához az , hogy erősen tükröző tükröket helyezzen az erősítő közeg mindkét végébe úgy, hogy egy adott térbeli módban lévő hullám visszaverődjön önmagára, és minden egyes menetben több energiát nyerjen, mint amennyi elveszik a tükrökön és a diffrakción keresztül történő továbbításhoz. Ha ezek a feltételek teljesülnek egy vagy több hosszirányú üzemmódban , akkor ezekben az üzemmódokban a sugárzás gyorsan felhalmozódik, amíg erősítés telítettség nem következik be, ami stabil folyamatos lézersugár-kibocsátást eredményez az első (jellemzően 99% -os visszaverő) tükörön keresztül.
A He-Ne lézer erősítési sávszélességét a Doppler-szélesítés uralja, nem pedig a nyomásnövekedés az alacsony gáznyomás miatt, és így meglehetősen szűk: csak körülbelül 1,5 GHz teljes szélességben a 633 nm-es átmenethez. A tipikus 15–50 cm hosszúságú üregeknél ez körülbelül 2–8 hosszirányú üzemmód egyidejű oszcillálását teszi lehetővé (speciális alkalmazásokhoz azonban egy-hosszanti módú egységek állnak rendelkezésre). A vörös He-Ne lézer látható kimenete, hosszú koherenciahossza és kiváló térbeli minősége miatt ez a lézer hasznos forrás a holográfiában és hullámhossz-referenciaként a spektroszkópiában . A stabilizált He-Ne lézer szintén a mérőeszközök meghatározásának egyik referenciarendszere.
Az olcsó, bőséges dióda lézerek feltalálása előtt a vörös He-Ne lézereket széles körben használták a vonalkód-leolvasókban a szupermarketek pénztáraiban. A lézeres giroszkópok He-Ne lézereket használtak 633 nm-en, gyűrűs lézer konfigurációban. A He-Ne lézerek általában jelen vannak az oktatási és kutatási optikai laboratóriumokban.
Alkalmazások
A vörös He-Ne lézereknek óriási ipari és tudományos felhasználási területeik vannak. Ezek széles körben használják a laboratóriumi bemutatók terén optika miatt viszonylag olcsó és könnyű kezelhetőség, mint a többi témához lézerek termelő gerendák hasonló minőségű szempontjából térbeli koherenciáját (a egymódusú Gauss-nyaláb ) és a hosszú koherencia hossz ( azonban körülbelül 1990 óta a félvezető lézerek alacsonyabb költségű alternatívát kínálnak sok ilyen alkalmazáshoz).
1978 -tól kezdve a HeNe csöves lézereket (a Toshiba és a NEC gyártmánya ) használták a Pioneer LaserDisc lejátszókban. Ez egészen az 1984 -es modellcsaládig folytatódott, amely helyette infravörös lézerdiódákat tartalmazott . A Pioneer továbbra is lézerdiódákat használt az összes későbbi lejátszóban, amíg a formátum 2009 -ben megszűnt.