Helium -neonlaser - Helium–neon laser
En helium-neonlaser eller He-Ne-laser , är en typ av gaslaser vars förstärkningsmedium består av en blandning av 10: 1 förhållande helium och neon vid ett totalt tryck på cirka 1 torr inuti en liten elektrisk urladdning . Den mest kända och mest använda He-Ne-lasern fungerar vid en våglängd på 632,8 nm, i den röda delen av det synliga spektrumet.
Historien om He-Ne laserutveckling
De första He-Ne-lasrarna som sändes infraröd vid 1150 nm var de första gaslasrarna och de första lasrarna med kontinuerlig vågutgång. En laser som fungerade vid synliga våglängder var dock mycket mer efterfrågad, och ett antal andra neonövergångar undersöktes för att identifiera sådana där en befolkningsinversion kan uppnås. 633 nm-linjen befanns ha den högsta förstärkningen i det synliga spektrumet, vilket gör detta till den valda våglängden för de flesta He-Ne-lasrar. Andra synliga och infraröda stimulerade emissionsvåglängder är emellertid möjliga, och genom att använda spegelbeläggningar med sin toppreflektans vid dessa andra våglängder; He-Ne-lasrar kan konstrueras för att använda dessa övergångar, inklusive synliga lasrar som visas röda, orange, gula och gröna. Stimulerade utsläpp är kända från över 100 μm i fjärranfrarött till 540 nm i det synliga.
Eftersom synliga övergångar har något lägre förstärkning har dessa lasrar i allmänhet lägre effekteffektivitet och är dyrare. Övergången på 3,39 μm har en mycket hög förstärkning, men förhindras att användas i en vanlig He-Ne-laser (med en annan avsedd våglängd) eftersom hålrummet och speglarna går förlorade vid den våglängden. I högeffekts-He-Ne-lasrar med ett särskilt långt hålrum kan emellertid superluminescens vid 3,39 μm bli en olägenhet, som rånar kraft från det stimulerade emissionsmediet, vilket ofta kräver ytterligare undertryckning.
Den mest kända och mest använda He-Ne-lasern fungerar vid en våglängd på 632,8 nm , i den röda delen av det synliga spektrumet . Den utvecklades vid Bell Telephone Laboratories 1962, 18 månader efter den banbrytande demonstrationen vid samma laboratorium för den första kontinuerliga infraröda He-Ne-gaslasern i december 1960.
Konstruktion och drift
Laserens förstärkningsmedium , som antyds av dess namn, är en blandning av helium- och neongaser , i ungefär 10: 1 -förhållande, som finns vid lågt tryck i ett glashölje. Gasblandningen är mestadels helium, så att heliumatomer kan exciteras. De upphetsade heliumatomerna kolliderar med neonatomer, spännande några av dem till det tillstånd som utstrålar 632,8 nm. Utan helium skulle neonatomerna främst upphetsas till lägre upphetsade tillstånd, som är ansvariga för icke-laserlinjer.
En neonlaser utan helium kan konstrueras, men det är mycket svårare utan detta energikopplingsmedel. Därför kommer en He-Ne-laser som har tappat tillräckligt med helium (t.ex. på grund av diffusion genom tätningarna eller glaset) att förlora sin laserfunktion eftersom pumpeffektiviteten blir för låg. Laserens energi eller pumpkälla tillhandahålls av en högspännings elektrisk urladdning som passerar genom gasen mellan elektroder ( anod och katod ) inuti röret. En likström på 3 till 20 mA krävs vanligtvis för CW -drift . Den optiska kaviteten hos lasern består vanligen av två konkava speglar eller ett plan och en konkav spegel: en som har mycket hög (typiskt 99,9%) reflektans, och utgångskopplaren spegeln tillåter cirka 1% transmission.
Kommersiell He-Ne-lasrar är relativt små enheter, bland gaslasrar, med kavitetslängder, oftast från 15 till 50 cm (men ibland upp till omkring en meter för att uppnå de högsta befogenheter), och ett utgående optiskt effektnivåer som sträcker sig från 0,5 till 50 m W .
Den röda He-Ne laservåglängden på 633 nm har en verklig vakuumvåglängd på 632,991 nm, eller cirka 632,816 nm i luft. Våglängderna för de stimulerade emissionslägena ligger inom cirka 0,001 nm över eller under detta värde, och våglängderna för dessa lägen skiftar inom detta område på grund av termisk expansion och sammandragning av kaviteten. Frekvensstabiliserade versioner gör det möjligt att specificera våglängden för ett enda läge inom 1 del av 108 genom tekniken att jämföra krafterna hos två längsgående lägen i motsatta polarisationer. Absolut stabilisering av laserns frekvens (eller våglängd) så små som 2,5 delar i 10 11 kan erhållas genom användning av en jodabsorberingscell.
Mekanismen som producerar befolkningsinversion och ljusförstärkning i en He-Ne-laserplasma har sitt ursprung i en oelastisk kollision av energiska elektroner med helstatomer i grundtillstånd i gasblandningen. Som visas i det medföljande energinivådiagrammet exciterar dessa kollisioner heliumatomer från marktillståndet till högre energi-exciterade tillstånd, bland dem 2 3 S 1 och 2 1 S 0 ( LS, eller Russell – Saunders koppling , främre nummer 2 indikerar att en upphetsad elektron är n = 2-tillstånd) är långlivade metastabila tillstånd. På grund av en slumpmässig nära slump mellan energinivåerna i de två metastabila tillstånden Han och 5s 2 och 4s 2 ( Paschen notation ) nivåer av neon, resulterar kollisioner mellan dessa heliummetastabla atomer och marktillståndsneonatomer i en selektiv och effektiv överföring av excitationsenergi från helium till neon. Denna exciteringsenergioverföringsprocess ges av reaktionsekvationerna
- 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 ,
där * representerar ett exciterat tillstånd, och Δ E är den lilla energiskillnaden mellan energitillstånden för de två atomerna, i storleksordningen 0,05 eV , eller 387 cm −1 , som levereras av rörelseenergi. Excitation-energiöverföring ökar befolkningen i neon 4s 2 och 5s 2 nivåerna många gånger. När befolkningen i dessa två övre nivåer överstiger den för motsvarande lägre nivå, 3p 4 , till vilken de är optiskt kopplade, finns befolkningsinversion. Mediet blir kapabelt att förstärka ljus i ett smalt band vid 1,15 μm (motsvarande övergången 4s 2 till 3p 4 ) och i ett smalt band vid 632,8 nm (motsvarande 5s 2 till 3p 4 -övergången). 3p 4 -nivån töms effektivt genom snabb strålningsförfall till 3s -tillståndet och så småningom når grundtillståndet.
Det återstående steget med att använda optisk förstärkning för att skapa en optisk oscillator är att placera högreflekterande speglar i varje ände av förstärkningsmediet så att en våg i ett visst rumsligt läge reflekterar tillbaka på sig själv och får mer effekt i varje pass än vad som går förlorat pga. till överföring genom speglarna och diffraktion. När dessa villkor är uppfyllda för ett eller flera längsgående lägen , kommer strålning i dessa lägen att byggas upp snabbt tills förstärkningsmättnad inträffar, vilket resulterar i en stabil kontinuerlig laserstråleutmatning genom den främre (vanligtvis 99% reflekterande) spegeln.
Förstärkningsbandbredden för He-Ne-lasern domineras av Doppler-breddning snarare än tryckbreddning på grund av det låga gastrycket och är därmed ganska smal: endast cirka 1,5 GHz full bredd för 633 nm-övergången. Med håligheter med typiska längder på 15 till 50 cm tillåter detta cirka 2 till 8 längsgående lägen att pendla samtidigt (dock är enheter med en längd i längden tillgängliga för speciella tillämpningar). Den synliga utsignalen från den röda He-Ne-lasern, lång koherenslängd och dess utmärkta rumskvalitet gör denna laser till en användbar källa för holografi och som en våglängdsreferens för spektroskopi . En stabiliserad He-Ne-laser är också ett av riktmärken för definitionen av mätaren.
Före uppfinningen av billiga, rikliga diodlasrar användes röda He-Ne-lasrar i stor utsträckning i streckkodsläsare vid snabbköpsdiskar. Lasergyroskop har använt He-Ne-lasrar som arbetar vid 633 nm i en ringlaserskonfiguration . He-Ne-lasrar finns i allmänhet i utbildnings- och forskningsoptiska laboratorier.
Ansökningar
Red He-Ne- lasrar har enorma industriella och vetenskapliga användningsområden. De används i stor utsträckning i laboratoriedemonstrationer inom optik på grund av deras relativt låga kostnad och användarvänlighet jämfört med andra synliga lasrar som producerar strålar av liknande kvalitet när det gäller rumslig koherens (en enkelmod Gauss-stråle ) och lång koherenslängd ( sedan omkring 1990 har halvledarlasare erbjudit ett billigare alternativ för många sådana applikationer).
Från och med 1978 användes HeNe -rörlasrar (tillverkade av Toshiba och NEC ) i Pioneer LaserDisc -spelare. Detta fortsatte fram till 1984 års modellutbud, som i stället innehöll infraröda laserdioder . Pioneer fortsatte att använda laserdioder i alla efterföljande spelare tills formatet avbröts 2009.