Гелий-неоновый лазер

Ге́лий-нео́новый ла́зер — лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона. Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.

Устройство гелий-неонового лазера

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000—5000 вольт (в зависимости от длины трубки), 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 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.

Принцип действия

Гелий-неоновый лазер. Светящийся объём на оси трубки — свечение электрического разряда

Гелий-неоновый лазер с кольцевым резонатором

В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбуждённые атомы обоих элементов. При этом оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия ¹S₀ и излучательного уровня неона 2p⁵5s²[1/2] оказываются примерно равными — 20,616 и 20,661 эВ соответственно. Передача возбуждения между двумя этими состояниями происходит в следующем процессе:

He* + Ne + ΔE → He + Ne*

и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE — различие энергетических уровней двух атомов.) Недостающие 0,05 эВ берутся из кинетической энергии движения атомов. Заселённость уровня неона 2p⁵5s²[1/2] возрастает и в определённый момент становится больше чем у нижележащего уровня 2p⁵3p²[3/2]. Наступает инверсия заселённости уровней — среда становится способной к лазерной генерации.

При переходе атома неона из состояния 2p⁵5s²[1/2] в состояние 2p⁵3p²[3/2] испускается излучение с длиной волны 632,816 нм. Состояние 2p⁵3p²[3/2] атома неона также является излучательным с малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней 2p⁵3s, а затем и в основное состояние 2p⁶ — либо за счёт испускания резонансного излучения (излучающие уровни системы 2p⁵3s), либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p⁵3s).

Кроме того, при правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других длинах волн: тот же уровень 2p⁵5s²[1/2] может перейти на 2p⁵4p²[1/2] с излучением фотона с длиной волны 3.39 мкм, а уровень 2p⁵4s²[3/2], возникающий при столкновении с другим метастабильным уровнем гелия, может перейти на 2p⁵3p²[3/2], испустив при этом фотон с длиной волны 1,15 мкм. Также возможно получить лазерное излучение на длинах волн 543,5 нм (зелёный), 594 нм (жёлтый) или 612 нм (оранжевый).

Спектральная ширина полосы излучения гелий-неонового лазера довольно мала и составляет около 1,5 ГГц. Её значение определяется главным образом доплеровским уширением излучения атомов неона, происходящим вследствие проявления эффекта Доплера. Узость спектра генерации делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения для использования в интерферометрии, голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрихкодов.

История открытия

Первый газовый лазер, работавший на смеси гелия и неона, был продемонстрирован Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Д. Р. Херриоттом (англ. D.R. Herriott) в 1960 году и испускал излучение на длине волны 1,15 мкм (инфракрасный диапазон). Два года спустя Алан Дейвид Уайт и Дейн Ригден (англ. Dane Rigden) показали, что гелий-неоновый лазер может давать излучение на длине волны 632,8 нм, то есть в видимом диапазоне спектра. Именно этот непрерывный лазер видимого диапазона нашёл впоследствии широкое применение.

См. также

• Виды лазеров