Helium -neon laser - Helium–neon laser

Helium -neonlaser ved University of Chemnitz, Tyskland

En helium-neon laser eller He-Ne laser , er en type gaslaser, hvis forstærkningsmedium består af en blanding af 10: 1 forhold mellem helium og neon ved et samlet tryk på ca. 1  torr inde i en lille elektrisk udladning . Den mest kendte og mest udbredte He-Ne-laser opererer ved en bølgelængde på 632,8 nm i den røde del af det synlige spektrum.

Historien om He-Ne laserudvikling

De første He-Ne-lasere, der udsendte infrarød ved 1150 nm, var de første gaslasere og de første lasere med kontinuerlig bølgeudgang. En laser, der opererede ved synlige bølgelængder, var imidlertid meget mere efterspurgt, og en række andre neonovergange blev undersøgt for at identificere dem, hvor en befolkningsinversion kan opnås. 633 nm-linjen viste sig at have den højeste forstærkning i det synlige spektrum, hvilket gør dette til den valgte bølgelængde for de fleste He-Ne-lasere. Imidlertid er andre synlige og infrarøde stimulerede emissionsbølgelængder mulige, og ved at anvende spejlbelægninger med deres højeste refleksion ved disse andre bølgelængder; He-Ne-lasere kunne konstrueres til at anvende disse overgange, herunder synlige lasere, der fremstår som røde, orange, gule og grønne. Stimulerede emissioner kendes fra over 100 um i det fjerne infrarøde til 540 nm i det synlige.

Fordi synlige overgange har noget lavere forstærkning, har disse lasere generelt lavere outputeffektivitet og er dyrere. Overgangen på 3,39 μm har en meget høj forstærkning, men forhindres i at blive brugt i en almindelig He-Ne-laser (med en anden tilsigtet bølgelængde), fordi hulrummet og spejlene taber ved den bølgelængde. I kraftfulde He-Ne-lasere med et særligt langt hulrum kan superluminescens ved 3,39 μm imidlertid blive til gene, og stjæle strøm fra det stimulerede emissionsmedium, der ofte kræver yderligere undertrykkelse.

Den mest kendte og mest udbredte He-Ne-laser opererer ved en bølgelængde på 632,8  nm i den røde del af det synlige spektrum . Det blev udviklet på Bell Telephone Laboratories i 1962, 18 måneder efter den banebrydende demonstration på samme laboratorium for den første kontinuerlige infrarøde He-Ne gaslaser i december 1960.

Konstruktion og drift

Laserens forstærkningsmedium , som antydet ved dets navn, er en blanding af helium- og neongasser i et forhold på cirka 10: 1 indeholdt ved lavt tryk i en glashylster. Gasblandingen er for det meste helium, så heliumatomer kan ophidses. De ophidsede heliumatomer kolliderer med neonatomer, spændende nogle af dem til den tilstand, der udstråler 632,8 nm. Uden helium ville neonatomerne mest begejstrede for at sænke ophidsede tilstande, der er ansvarlige for ikke-laserlinjer.

En neonlaser uden helium kan konstrueres, men det er meget vanskeligere uden dette middel til energikobling. Derfor vil en He-Ne-laser, der har mistet nok af sit helium (f.eks. På grund af diffusion gennem tætningerne eller glasset) miste sin laserfunktionalitet, fordi pumpeeffektiviteten vil være for lav. Laserens energi eller pumpekilde tilvejebringes af en højspændings elektrisk udladning, der passerer gennem gassen mellem elektroder ( anode og katode ) inde i røret. En jævnstrøm på 3 til 20 mA er typisk påkrævet for CW -drift . Laserens optiske hulrum består sædvanligvis af to konkave spejle eller et plan og et konkavt spejl: et med meget høj (typisk 99,9%) reflektans, og output -koblingsspejlet tillader cirka 1% transmission.

Skematisk diagram af en helium -neon laser

Commercial He-Ne-lasere er relativt små enheder, blandt gaslasere, der kavitetslængder sædvanligvis spænder fra 15 til 50 cm (men nogle gange op til ca. 1 meter at opnå de højeste beføjelser), og optiske output power niveauer i området fra 0,5 til 50 m W .

Den røde He-Ne laserbølgelængde på 633 nm har en faktisk vakuumbølgelængde på 632,991 nm eller cirka 632,816 nm i luft. Bølgelængderne for de stimulerede emissionstilstande ligger inden for ca. 0,001 nm over eller under denne værdi, og bølgelængderne for disse tilstande skifter inden for dette område på grund af termisk ekspansion og sammentrækning af hulrummet. Frekvensstabiliserede versioner gør det muligt at specificere bølgelængden for en enkelt tilstand inden for 1 del i 108 ved hjælp af teknikken til at sammenligne kræfterne i to langsgående tilstande i modsatte polarisationer. Absolut stabilisering af laserens frekvens (eller bølgelængde) helt ned til 2,5 dele i 10 11 kan opnås ved anvendelse af en jodabsorberingscelle.

Energiniveauer i en He-Ne Laser
Ring He-Ne Laser

Mekanismen, der producerer befolkningsinversion og lysforstærkning i et He-Ne-laserplasma, stammer fra en uelastisk kollision af energiske elektroner med helbredsatomer i jordtilstand i gasblandingen. Som vist i det ledsagende energiniveau diagram, ophidser disse kollisioner heliumatomer fra grundtilstanden til højere energi exciterede tilstande, blandt dem 2 3 S 1 og 2 1 S 0 ( LS eller Russell – Saunders kobling , frontnummer 2 angiver at en ophidset elektron er n  = 2 tilstand) er metastabile tilstande med lang levetid. På grund af en tilfældig nær tilfældighed mellem energiniveauerne i de to metastabile He-tilstande og 5s 2 og 4s 2 ( Paschen notation ) niveauer af neon, resulterer kollisioner mellem disse heliummetastabile atomer og grundstat neonatomer i et selektivt og effektivt overførsel af excitationsenergi fra helium til neon. Denne excitationsenergioverførselsproces er givet ved reaktionsligningerne

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 ,

hvor * repræsenterer en ophidset tilstand, og Δ E er den lille energiforskel mellem energitilstandene for de to atomer i størrelsesordenen 0,05  eV eller 387 cm −1 , som tilføres af kinetisk energi. Overførsel af excitation-energi øger befolkningen i neon 4s 2 og 5s 2 niveauer mange gange. Når befolkningen på disse to øvre niveauer overstiger befolkningen på det tilsvarende lavere niveau, 3p 4 , hvortil de er optisk forbundet, er befolkningsinversion til stede. Mediet bliver i stand til at forstærke lys i et smalt bånd ved 1,15 um (svarende til 4s 2 til 3p 4 -overgangen) og i et smalt bånd ved 632,8 nm (svarende til 5s 2 til 3p 4 -overgangen). 3p 4 -niveauet tømmes effektivt ved hurtigt strålende henfald til 3'ernes tilstand og til sidst når grundtilstanden.

Det resterende trin i udnyttelse af optisk forstærkning til at skabe en optisk oscillator er at placere stærkt reflekterende spejle i hver ende af forstærkningsmediet, så en bølge i en bestemt rumlig tilstand vil reflektere tilbage på sig selv og få mere strøm i hvert pass, end der går tabt pga. til transmission gennem spejle og diffraktion. Når disse betingelser er opfyldt for en eller flere langsgående tilstande , vil stråling i disse tilstande hurtigt bygge op, indtil forstærkningsmætning forekommer, hvilket resulterer i en stabil kontinuerlig laserstråleudgang gennem frontspejlet (typisk 99% reflekterende).

Spektrum af en helium -neonlaser, der illustrerer dens meget høje spektrale renhed (begrænset af måleudstyret). 0,002 nm båndbredde for det stimulerede emissionsmedium er godt overstået10 000 gange smallere end spektralbredden på en lysemitterende diode (se dens spektrum for sammenligning), hvor båndbredden i en enkelt langsgående tilstand stadig er meget smallere.

Forstærkningsbåndbredden for He-Ne-laseren domineres af Doppler-udvidelse frem for trykudvidelse på grund af det lave gastryk og er således ret snæver: kun ca. 1,5 GHz fuld bredde til 633 nm-overgangen. Med hulrum med typiske længder på 15 til 50 cm tillader dette, at ca. 2 til 8  langsgående tilstande kan oscillere samtidigt (dog er der enheder med enkel længde til rådighed til specielle anvendelser). Det synlige output af den røde He-Ne-laser, den lange kohærenslængde og dens fremragende rumlige kvalitet gør denne laser til en nyttig kilde til holografi og som en bølgelængde-reference til spektroskopi . En stabiliseret He-Ne-laser er også et af benchmark-systemerne til definition af måleren.

Forud for opfindelsen af ​​billige, rigelige diodelasere blev røde He-Ne-lasere meget udbredt i stregkodescannere ved supermarkedskassetællere. Lasergyroskoper har anvendt He-Ne-lasere, der opererer ved 633 nm i en ringlaserkonfiguration . He-Ne-lasere er generelt til stede i uddannelses- og forskningsoptiske laboratorier.

Ansøgninger

Røde He-Ne- lasere har enorme industrielle og videnskabelige anvendelser. De er meget udbredt i laboratoriedemonstrationer inden for optik på grund af deres relativt lave omkostninger og brugervenlighed sammenlignet med andre synlige lasere, der producerer stråler af lignende kvalitet med hensyn til rumlig kohærens (en enkelt-mode- gaussisk stråle ) og lang kohærenslængde ( siden omkring 1990 har halvlederlasere imidlertid tilbudt et billigere alternativ til mange sådanne applikationer).


Fra 1978 blev HeNe -rørlasere (fremstillet af Toshiba og NEC ) brugt i Pioneer LaserDisc -afspillere. Dette fortsatte indtil 1984 line -up, der i stedet indeholdt infrarøde laserdioder . Pioneer fortsatte med at bruge laserdioder i alle efterfølgende spillere indtil formatets ophør i 2009.

Se også

Referencer