Helium -neon laser - Helium–neon laser

Helium -neonlaser ved University of Chemnitz, Tyskland

En helium-neon-laser eller He-Ne-laser , er en type gasslaser hvis forsterkningsmedium består av en blanding av 10: 1-forholdet mellom helium og neon ved et totaltrykk på omtrent 1  torr inne i en liten elektrisk utladning . Den mest kjente og mest brukte He-Ne-laseren opererer ved en bølgelengde på 632,8 nm, i den røde delen av det synlige spekteret.

Historien om He-Ne laserutvikling

De første He-Ne-laserne som ble sendt ut infrarød ved 1150 nm var de første gasslaserne og de første laserne med kontinuerlig bølgeutgang. Imidlertid var en laser som opererte ved synlige bølgelengder mye mer etterspurt, og en rekke andre neonoverganger ble undersøkt for å identifisere de der en populasjonsinversjon kan oppnås. 633 nm-linjen ble funnet å ha den høyeste forsterkningen i det synlige spekteret, noe som gjorde dette til den valgte bølgelengden for de fleste He-Ne-lasere. Imidlertid er andre synlige og infrarøde stimulerte utslippsbølgelengder mulige, og ved å bruke speilbelegg med sin topprefleksjon ved disse andre bølgelengdene; He-Ne-lasere kan konstrueres for å bruke disse overgangene, inkludert synlige lasere som fremstår som røde, oransje, gule og grønne. Stimulerte utslipp er kjent fra over 100 μm i langt infrarødt til 540 nm i det synlige.

Fordi synlige overganger har noe lavere forsterkning, har disse laserne generelt lavere effekteffektivitet og er mer kostbare. Overgangen på 3,39 μm har en veldig høy forsterkning, men forhindres i bruk i en vanlig He-Ne-laser (med en annen tiltenkt bølgelengde) fordi hulrommet og speilene går tapt ved den bølgelengden. I høyeffekts-He-Ne-lasere med et spesielt langt hulrom kan imidlertid superluminescens på 3,39 μm bli en plage, og frarøve kraft fra det stimulerte utslippsmediet, som ofte krever ytterligere undertrykkelse.

Den mest kjente og mest brukte He-Ne-laseren opererer ved en bølgelengde på 632,8  nm , i den røde delen av det synlige spekteret . Den ble utviklet ved Bell Telephone Laboratories i 1962, 18 måneder etter den banebrytende demonstrasjonen på samme laboratorium for den første kontinuerlige infrarøde He-Ne-gasslaseren i desember 1960.

Bygging og drift

Laserens forsterkningsmedium , som antydet av navnet, er en blanding av helium- og neongasser i et forhold på omtrent 10: 1, inneholdt ved lavt trykk i en glasshylster. Gassblandingen er stort sett helium, slik at heliumatomer kan eksiteres. De eksiterte heliumatomene kolliderer med neonatomer, og spenner noen av dem til tilstanden som utstråler 632,8 nm. Uten helium ville neonatomene være begeistret for det meste for å senke eksiterte tilstander, ansvarlig for ikke-laserlinjer.

En neonlaser uten helium kan konstrueres, men det er mye vanskeligere uten denne energikoblingen. Derfor vil en He-Ne-laser som har mistet nok av helium (f.eks. På grunn av diffusjon gjennom tetningene eller glasset) miste laserfunksjonaliteten fordi pumpeeffektiviteten vil være for lav. Energien eller pumpekilden til laseren tilføres av en høyspent elektrisk utladning som passerer gjennom gassen mellom elektroder ( anode og katode ) inne i røret. En likestrøm på 3 til 20 mA er vanligvis nødvendig for CW -drift . Det optiske hulrommet til laseren består vanligvis av to konkave speil eller ett plan og ett konkavt speil: ett med svært høy (typisk 99,9%) reflektans, og utgangskoblingsspeilet som tillater omtrent 1% overføring.

Skjematisk diagram av en helium -neon laser

Kommersiell He-Ne laser er forholdsvis små enheter, blant gasslasere, som har hulrom lengder vanligvis strekker seg fra 15 til 50 cm (men noen ganger opp til omtrent 1 meter for å oppnå de høyeste krefter), og det optiske utgangseffektnivåer som varierer fra 0,5 til 50 m W .

Den røde He-Ne laserbølgelengden på 633 nm har en faktisk vakuumbølgelengde på 632,991 nm, eller omtrent 632,816 nm i luft. Bølgelengdene til de stimulerte utslippsmodiene ligger innenfor ca. 0,001 nm over eller under denne verdien, og bølgelengdene til disse modusene skifter innenfor dette området på grunn av termisk ekspansjon og sammentrekning av hulrommet. Frekvensstabiliserte versjoner gjør at bølgelengden til en enkelt modus kan spesifiseres til 1 del i 10 8 ved teknikken for å sammenligne kreftene til to langsgående moduser i motsatte polarisasjoner. Absolutt stabilisering av laserens frekvens (eller bølgelengde) så lite som 2,5 deler i 10 11 kan oppnås ved bruk av en jodabsorberingscelle.

Energinivåer i en He-Ne Laser
Ring He-Ne Laser

Mekanismen som produserer populasjonsinversjon og lysforsterkning i et He-Ne-laserplasma, stammer fra en uelastisk kollisjon av energiske elektroner med heliumatomer i grunnstaten i gassblandingen. Som vist i det medfølgende energinivådiagrammet, eksiterer disse kollisjonene heliumatomer fra grunntilstanden til eksiterte tilstander med høyere energi, blant dem 2 3 S 1 og 2 1 S 0 ( LS, eller Russell – Saunders-koblingen , frontnummer 2 indikerer at et eksitert elektron er n  = 2 tilstand) er metastabile tilstander med lang levetid. På grunn av en tilfeldig nær tilfeldighet mellom energinivåene til de to metastabile tilstandene Han og 5s 2 og 4s 2 ( Paschen notasjon ) nivåer av neon, resulterer kollisjoner mellom disse heliummetastabile atomer og grunnstat neonatomer i et selektivt og effektivt overføring av eksitasjonsenergi fra helium til neon. Denne eksitasjonsenergioverføringsprosessen er gitt av reaksjonsligningene

Han*(2 3 S 1 ) + Ne 1 S 0 → He ( 1 S 0 ) + Ne*4s 2 + Δ E ,
Han*(2 1 S) + Ne 1 S 0 + Δ E → He ( 1 S 0 ) + Ne*5s 2 ,

hvor * representerer en eksitert tilstand, og Δ E er den lille energiforskjellen mellom energitilstandene til de to atomene, i størrelsesorden 0,05  eV , eller 387 cm −1 , som tilføres av kinetisk energi. Overføring av eksitasjon-energi øker befolkningen på neon 4s 2 og 5s 2 nivåer mange ganger. Når befolkningen på disse to øvre nivåene overstiger befolkningen på det tilsvarende lavere nivået, 3p 4 , som de er optisk knyttet til, er befolkningsinversjon til stede. Mediet blir i stand til å forsterke lys i et smalt bånd ved 1,15 um (tilsvarer 4s 2 til 3p 4 overgangen) og i et smalt bånd ved 632,8 nm (tilsvarende 5s 2 til 3p 4 overgangen). 3p 4 -nivået tømmes effektivt ved hurtig strålingsforfall til 3 -tallet og til slutt når grunntilstanden.

Det gjenværende trinnet ved bruk av optisk forsterkning for å lage en optisk oscillator er å plassere sterkt reflekterende speil i hver ende av forsterkningsmediet, slik at en bølge i en bestemt romlig modus vil reflektere tilbake på seg selv, og få mer kraft i hvert pass enn det går tapt på grunn av til overføring gjennom speilene og diffraksjon. Når disse betingelsene er oppfylt for en eller flere langsgående moduser , vil stråling i disse modusene raskt bygge seg opp til forsterkningsmetning oppstår, noe som resulterer i en stabil kontinuerlig laserstråleutgang gjennom frontspeilet (vanligvis 99% reflekterende).

Spektrum av en helium -neonlaser som illustrerer dens meget høye spektralrenhet (begrenset av måleinstrumentet). Båndbredden på 0,002 nm til det stimulerte utslippsmediet er godt over10 000 ganger smalere enn spektralbredden til en lysemitterende diode (se dens spektrum for sammenligning), med båndbredden til en enkelt langsgående modus som er mye smalere.

Forsterkningsbåndbredden til He-Ne-laseren domineres av Doppler-utvidelse fremfor trykkforstørrelse på grunn av det lave gasstrykket og er dermed ganske smal: bare ca. 1,5 GHz full bredde for 633 nm-overgangen. Med hulrom med typiske lengder på 15 til 50 cm, tillater dette omtrent 2 til 8  langsgående moduser å oscillere samtidig (men enheter med enkel langsgående modus er tilgjengelig for spesielle applikasjoner). Den synlige effekten av den røde He-Ne-laseren, den lange koherenslengden og dens utmerkede romlige kvalitet, gjør denne laseren til en nyttig kilde for holografi og som en bølgelengde-referanse for spektroskopi . En stabilisert He-Ne-laser er også et av referansesystemene for definisjonen av måleren.

Før oppfinnelsen av billige, rikelige diodelasere , ble røde He-Ne-lasere mye brukt i strekkodeskannere i supermarkedets kasseapparater. Lasergyroskop har anvendt He-Ne-laser som opererer ved 633 nm i et ringlaser- konfigurasjon. He-Ne-lasere er vanligvis til stede i utdannings- og forskningsoptiske laboratorier.

applikasjoner

Røde He-Ne- lasere har enorme industrielle og vitenskapelige bruksområder. De er mye brukt i laboratoriedemonstrasjoner innen optikk på grunn av deres relativt lave kostnader og brukervennlighet sammenlignet med andre synlige lasere som produserer bjelker av lignende kvalitet når det gjelder romlig koherens (en enkeltmodus Gauss-stråle ) og lang koherenslengde ( Siden 1990 har halvlederlasere imidlertid tilbudt et rimeligere alternativ for mange slike applikasjoner).


Fra 1978 ble HeNe -rørlasere (produsert av Toshiba og NEC ) brukt i Pioneer LaserDisc -spillere. Dette fortsatte til 1984 -modellutvalget, som i stedet inneholdt infrarøde laserdioder . Pioneer fortsatte å bruke laserdioder i alle påfølgende spillere til formatet ble avsluttet i 2009.

Se også

Referanser