Гелий-неоновый лазер
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Ге́лий-нео́новый ла́зер — небольшой лазер, часто используемый в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.
Рабочим телом гелий-неонового лазера служит, как понятно их названия, смесь двух газов — гелия и неона в пропорции 5:1, расположенной в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000 вольт, расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства.
Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 0,5 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.
[править] Принцип действия
Процесс работы гелий-неонового лазера начинается со столкновения электронов, полученных при электрическом разряде, с атомами гелия. Это заставляет атомы гелия перейти с нижнего энергетического уровня в метастабильное возбуждённое состояние 23S1 и 21S0. После столкновения возбуждённых атомов гелия с атомами неона энергия передаётся к ним, переводя атомы неона в возбуждённое состояние 2s и 3s. Этот процесс объясняется совпадением энергетических уровней атомов двух газов.
Описанную реакцию можно представить следующим выражением:
- He* + Ne → He + Ne* + ΔE
где (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE — небольшое различие энергетических уровней двух атомов, составляющее примерно 0,05 эВ.
Количество атомов неона, перешедших в возбуждённое состояние, увеличивается после новых столкновений с атомами гелия, вызывая процесс инверсии населённостей между состояниями 3s и 2s, а также между 3p и 2p. Спонтанный переход электронов между уровнями 3s и 2p даёт излучение с длиной волны 632,8 нм — типичным значением для гелий-неонового лазера.
В дальнейшем происходит быстрое понижение энергетического уровня атомов с 2p до 1s, а затем и до самого нижнего уровня благодаря их столкновениям со стенками колбы. Так как этот процесс крайне важен для работы лазера, колбу нельзя сделать очень большой, что ограничивает максимальную мощность гелий-неоновых лазеров на небольшом уровне.
Если правильно подойти к выбору зеркал резонатора, от гелий-неонового лазера можно получить излучение с другими длинами волн, помимо основного значения. Переходы 3s→3p и 2s→2p дают инфракрасное излучение с длиной волны 3,39 мкм и 1,15 мкм, а используя различные переходы 2s→1s можно получить зелёный (543,5 нм), жёлтый (594 нм) или оранжевый (612 нм) свет.
Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим телом лазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием допплеровского смещения. Это свойство делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения для использования в голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрих-кодов.
