Будова і принцип роботи гелій-неонового лазера

Оптичний квантовий генератор (лазер) складається із двох основних частин: активного середовища і резонатора, який в свою чергу складається із двох

Рис. 16.6

напівпрозорих дзеркал (рис. 16.6) . Активне середовище поміщається в трубку 1. Добрі дзеркала 2 для лазерів мають коефіцієнт відбивання R ³ 0,99. Ці дзеркала утворюють інтерферометр Фабрі-Перо і можуть мати різну форму (плоскі, сферичні, параболічні). Саме оптичний резо­натор забезпечує випромінюван­ню лазера його основні властивості –високу напрямленість, коге­рент­ність і монохроматичність. Дзерка­ла забез­печують багатократне проход­ження світла через активне середо­вище.

Активним середовищем гелій-нео­нового лазера є суміш газів гелію (р = 10²Па) і неону (p = 10 Па), яка міститься в скляній або кварцовій трубці. За допомогою високочастотного генератора в трубці створюється газовий розряд. В плазмі газового розряду атоми гелію і неону збуджуються при непружних зіткненнях з електронами. Імовірність збудження атома на різні рівні не однакова. В деякі стани атом переходить з більшою імовірністю; якщо більшим виявляється час їх життя в цих станах, то такі стани можна використову­вати в якості верхніх рівнів для створення інверсної населеності.

Розглянемо механізм створення інверсної населеності рівнів в гелій-неоновому лазері, в якому робочою речовиною являються нейтральні атоми неону.

Збудження здійснюється електронним розрядом. Схема енергетич­них рівнів неону наведена в правій частині (рис. 16.7). В електронному розряді при зіткненні атомів з електронами збуджуються рівні 2S, 3S, 2p і 3p. В неоні S-стани мають більші тривалості життя (вони метастабільні) , ніж p-стани. Це, взагалі кажучи, дозволяє отримувати інвер­сію на переходах 2S®2p і 3S®3p. Однак цьому заважає метастабіль­ний рівень 1s, який має достатньо тривалий час життя. Тому населяючись в зіткненнях з електро­нами цей рівень не дає спустошува­тися рівням 2p і 3p, навпаки вони заселяються за схемою 1S®2p і 1S®3p, що перешкод­жає отриманню інверсії.

Рис. 16.7

В чистому неоні створити інверсію в неперервному режимі дуже важко. Цю трудність можна обійти якщо в електронний розряд ввести додатковий газ – донора енергії збудження. В даному випадку цим газом є гелій. Енергії двох перших збуджених метастабільних рівнів гелію 2³S₁і 2¹S₀(рис.16.7) достатньо добре співпадають з енергетичними рівнями 2S, 3S неону. Тому добре реалізуються умови резонансної передачі збудження за схемою:

He*+Ne®Ne*+ He + Е _кін. (16.12)*

При правильно вибраних тисках неону і гелію, можна добитися населення одного або двох станів 2S і 3S неону, яке значно перевищує заселення цих рівнів в чистому неоні, і отримати інверсну населеність цих рівнів у відношенні до станів 2p, 3p. Історично першою була отримана генерація на переході 2S®2p (2s₂®2p₄) l = 1,15 мкм. Потім була реалізована інверсія переходів 3s®3p (3s₂®3p₄) l = 3,39 мкм і 3S®2p (3s₂®4p₄) l = 0,64 мкм. Схематично ці переходи показані на рис. 16.7.

Всi три види генерацiї вiдбуваються приблизно при однакових умовах розряду і володiють аналогiчними залежностями потужностi генерацiї вiд параметрiв i геометрiї розряду. При цьому особливо важлива конкуренцiя генерацiй на хвилях 3,39 і 0,83 мкм, яким вiдповiдають переходи iз спiльним верхнiм рiвнем 3S. Тому генерацiя на однiй iз цих хвиль послаблює генерацiю на iншiй. Справа ускладнюється ще й тим, що переходу 3s₂®3p₄(l = 3,39 мкм) вiдповiдає пiдсилення в 20 дБ/м, i тому на ньому легко досягається генерацiя в простих, наприклад, металiчних дзеркалах, а переходу 3s₂®2p₄(l = 0,69 мкм) вiдповiдає невелике пiдсилення в 5–6 %/м. Тому для отримання генерацiй у видимiй областi гелiй-неоновий лазер обладнується багатоша­ровими дiелектрич­ними iнтерференцiйними дзеркалами, якi володiють високим коефiцiєнтом вiдбиття тiльки на потрiбнiй довжинi хвилi. Переходу 2s₂®2p₄(l = 1,15 мкм) вiдповiдає пiдсилення 10–20 %, генерацiя досягається за допомогою дiелектричних дзеркал.

Рис. 16 8

Iнший цiкавий шлях отримання генерацiй на рiзних довжинах хвиль iлюструється на рис. 16.8. Iз-за дисперсiї призми генерацiя в резонаторi, як показано на рис. 16.8, може виникати тiльки на певнiй довжинi хвилi. Повертаючи призму навколо осi, пер­пендикулярної до площини рисунка, можна змiнити довжину хвилi l₁. У випадку гелiй-нео­нового лазера цей метод дозволяє отри­мувати генера­цiю для великого числа лiнiй – вiд жовтої (l = 0,59 мкм) до далекої черво­ної (l = 0,73 мкм).

Це пов’язано з тим, що в Не–Nе лазерi iснує значно бiльше лазерних переходiв, нiж це зображено на рис. 16.7. Кожен iз показаних на цiй схемi енергетичних станів неону розщеплюється на декiлька пiдрiвнiв; в свою чергу, кожен із підрівнів може служити початковим або кiнцевим рiвнем для декiлькох лазерних переходiв. Всього в неонi стимульоване випромiнювання спосте­рiгається бiльше нiж на 130 лiнiях.

Порядок виконання роботи

1. Перед виконанням роботи необхiдно уважно ознайомитися з iнструкцiєю по експлуатацiї газового лазера i перевiрити надiйнiсть заземлення. Iз-за використання високої напруги (до 5000 В) слiд бути гранично уважним i акуратним: така напруга небезпечна для життя. Включення лазера проводиться в строгiй послiдовностi з iнструкцiєю, яка додається до даного опису. ОКГ-дуже точне джерело монохроматич­ного випромiнювання i вимагає обережного і акуратного обходження з ним в процесi експлуатацiї.

2. Встановити всi прилади на однаковiй висотi таким чином, щоб випромiнювання лазера направлялось вздовж загальної оптичної осi установки.

3. За допомогою дифракцiйної решiтки отримати на екранi дифракцiйну картину. Стала дифракційної решітки визначається як d=1/n.

4. Вимiряти необхiднi величини для розрахунку кутів дифракцiї i занести їх до звiтньої таблицi.

5. Розрахувати кути дифракцiї j_кі за формулою kl = dsinj_кзнайти довжину хвилi l. Вимiрювання провести для декiлькох (3-4) порядкiв k дифракцiї i знайти середнє значення l.

6. Визначити абсолютну i вiдносну похибки визначення довжини хвилi.

7. Визначити ступiнь поляризацiї випромiнювання Не-Nе лазера.

n	d	k	L, мм	ℓ, мм	sin φ= ℓ/L	λ, нм	λc, нм

Контрольнi запитання

1. Опишiть механiзм отримання спонтанного та вимушеного випромiнювання. Якi їх основнi характеристики? Хто i коли постулював iснування вимушеного випромiнювання?

2. З‘ясуйте фiзичну суть генерацiї Не-Nе лазера.

3. Якi функцiї в лазерi виконують активне середовище i резонатор?

4. Якими факторами визначається частота лазерного випромiню­вання?

5. Якими умовами визначається порогове пiдсилення?

6. Якi процеси ведуть до встановлення стацiонарного режиму генерацiй у випадку перевищення коефiцiєнта пiдсилення над його пороговим значенням?

7. З’ясуйте методи, за допомогою яких можливо видiлити одну генерацiю iз багатьох можливих лазерних переходiв, якi можливi в Не-Nе лазeрi.

8. Чому практично неможливо створити лазер на середовищi, яке характеризується дворiвневою схемою? Чим характерний лазер, який працює за чотирирiвневою схемою?

9. Якi ви знаєте типи лазерiв? Що ви можете сказати про лазери в рентгенiвському дiапазонi хвиль та гамма-лазери?

10. Назвiть основнi сфери застосування лазерiв?