www.wikidata.uk-ua.nina.az

Гелій неоновий лазер або HeNe лазер тип газового лазера активне середовище якого містить суміш 85 гелію та 15 неону в не

Гелій-неоновий лазер

Гелій-неоновий лазер або HeNe лазер — тип газового лазера, активне середовище якого містить суміш 85% гелію та 15% неону в невеликій капілярній трубці. Зазвичай цей лазер збуджується електричним розрядом прямого струму. Найбільше відомі та найбільше використовуються HeNe лазери, що працюють на довжині хвилі 632,8 нм, у червоній частині видимого спектра.

Гелій-неоновий лазер у лабораторії Хемніцього університету, Німеччина

Історія розробки Редагувати

Перші HeNe лазери випромінювали інфрачервоне світло з довжиною хвилі 1,15 мкм. Вони були першими газовими лазерами. Однак, на лазер, що працював би у видимому діапазоні, мав більший попит, і було досліджено різні переходи в атомі неону, шукаючи ті, які могли б забезпечити інверсію заселеності. Перехід із довжиною хвилі 633 нм виявився найперспективнішим, він давав найбільше підсилення, що й зумовило вибір цієї частоти для HeNe лазерів. Однак можливі й інші довжини хвиль вимушеного випромінювання як у видимому так й інфрачервоному діапазонах, а використовуючи дзеркальні покриття з піковим відбиттям на цих довжинах хвилі, можна сконструювати HeNe лазери, що працювали б на цих переходах: червоні, оранжеві, жовті та зелені. Переходи, що підтримують вимушене випромінювання відомі в широкому діапазоні від 100 мкм в далекому інфрачервоному до 540 нм у видимому. Оскільки видимі переходи мають дещо менше підсилення, лазери, які їх використовують, загалом менш ефективні та дорожчі. Перехід з довжиною хвилі 3,39 мкм забезпечує дуже добре підсилення, але на заваді стають великі втрати в резонаторі та дзеркалах на цій довжині хвилі. Однак у дуже потужних HeNe лазерах із довгими резонаторами на довжині хвилі 3,39 мкм виникає суперлюмінісценція, що заважає роботі лазера, відбираючи в активного середовища енергію і потребуючи придушення. Найбільше відомі і найчастіше використовуються HeNe лазери, що працюють на довжині хвилі 632,8 нм, у червоній частині видимого спектра. Цей лазер розробили в Bell Telephone Laboratories у 1962 році через 18 місяців після піонерської демонстрації у тій же лабораторії першого інфрачервоного гелій-неонового газового лазера у грудні 1960-го.


Будова і принцип дії Редагувати

Схематична діаграма гелій-неонового лазера

Активне середовище лазера є сумішшю гелію та неону в газовому стані у співвідношенні приблизно 10:1 у скляній посудині з низьким тиском. В основному суміш містить гелій, і збуджуються в першу чергу саме атоми гелію. Збуджені атоми гелію стикаються з атомами неону й передають збудження частині з них, змушуючи їх випромінювати світло з довжиною хвилі 632,8 нм. Без гелію атоми неону збуджувалися б здебільшого в стани з низькою енергією, що відповідають лініям, які не годяться для лазера. Неоновий лазер без гелію сконструювати можна, але без такого шляху передачі енергії це набагато складніше. Тому HeNe лазер, що втратив гелій (наприклад, через дифузію крізь спайку в склі), утратить функціональність як лазер, тому що ефективність накачування стане надто малою. Енергію або накачування лазер отримує від високовольтного газового розряду, що проходить через газ між поміщеними в трубку електродами (анодом та катодом). Для функціонування лазера потрібен постійний струм, типово від 3 до 20 мА . Резонатор лазера зазвичай складається з двох увігнутих дзеркал, або одного плоского й одного увігнутого, що мають дуже високий (типово 99.9%) коефіцієнт відбиття. Вихідне дзеркало дозволяє приблизно 1% пропускання світла.


Комерційні HeNe лазери порівняно невеликі, серед газових лазерів, вони мають типову довжину від 15 см до 50 см (але іноді до 1 метра, коли потрібна велика потужність) та потужність від 0,5 to 50 міліват.

Енергетичні рівні гелій-неонового лазера

Довжина хвилі червоного HeNe лазера — 633 нм, у вакуумі, власне, 632,991 нм, в повітрі 632,816 нм. Довжина хвилі мод вимушеного випромінювання лежить в діапазоні 0,001 нм вище та нижче цього значення, але довжини хвиль цих мод плавають в межах діапазону через теплове розширення та стискання резонатора. Стабілізовані по частоті варіанти дозволяють закріпити довжину хвилі окремої моди з точністю 1 до 108. Для цього використовується метод порівняння двох поздовжніх мод з різною поляризацією. Стабілізація частоти лазера з точністю до 2,5 на 1011 можлива при використанні комірки поглинання з йодом.

Механізм, що забезпечує інверсну заселеність та підсилення світла в плазмі HeNe лазера опирається на непружні зіткнення енергетичних електронів з атомами гелію в основному стані. Як показано на діаграмі рівнів, ці зіткнення переводять атоми гелію з основного стану в збуджені метастабільні стани з великим часом життя: 23S1 та 21S0 (число 2 попереду позначення елемента показує, що його електрон перебуває в стані з квантовим числом n = 2). Завдяки вдалому збігові між енергетичними рівнями двох метастабільних станів гелію та 5s2 і 4s2 (нотація Пашена) рівнями атома неону, зіткнення між цими метастабільними атомами гелію та атомами неону в основному стані призводить до селективної й ефективної передачі енергії збудження від гелію до неону. Цей процес передачі енергії збудження задається рівняннями реакції:

де (*) позначає збуджений стан, а ΔE є малою різницею між енергіями стану двох атомів, порядку 0,05 еВ або 387 см−1, що береться з кінетичної енергії. Передача енергії збудження збільшує заселеність 4s2 та 5s2 рівнів неону на порядки. Коли заселеність цих двох рівнів перевищує заселеність відповідного рівня в неоні з нижчою енергію , 3p4, з яким у них існує оптичний зв'язок, виникає інверсна заселеність. Середовище готове до підсилення світла у вузькій смузі навколо 1,15 мкм (ця смуга відповідає переходу 4s2 → 3p4) та у вузькій смузі на 632,8 нм (ця смуга відповідає переходу 5s2 → 3p4). Рівень 3p4 ефективно спорожнюється швидким випромінюванням у стан 1s, і атом зрештою переходить в основний стан.

Залишається тільки використати оптичне підсилення, створивши оптичний осцилятор, поміщаючи на кінцях активного середовища дзеркала й змушуючи хвилю пробігати туди-сюди й набирати з кожним пробігом потужності, що перевищувала б дифракційні втрати та на дзеркалах. Коли ці умови виконуються для однієї або кількох поздовжніх мод, випромінювання на частотах цих мод швидко наростає доти, доки не досягне насичення. Як наслідок утворюється стабільний неперервний лазерний промінь, що виривається на світ божий через переднє дзеркало (зазвичай із 99%-им відбиттям).

Спектр гелій-неонового лазера, що ілюструє високу спектральну чистоту (обмежену роздільністю детектора). Смуга вимушеного випромінювання шириною 0,002 нм більш ніж 10 000 разів вужча ніж спектральна ширина світлодіода (спектр якого показано тут для порівняння), а ширина смуги однієї поздовжньої моди ще менша.

Ширина смуги підсилення HeNe лазера визначається в основному доплерівським розширенням, а не уширенням, зв'язаним із тиском, який у газі малий. Тому вона доволі вузька: тільки приблизно 1,5 ГГц для переходу з довжиною хвилі 633 нм. Резонатор з типовою довжиною від 15 см до 50 см дозволяє одночасно від 2 до 8 поздовжніх мод (однак існують одномодові лазери, що використовуються для особливих потреб). Вимий діапазон, велика довжина когерентності та висока якість світла роблять гелій-неонові лазери корисним джерелом для голографії та стандартом довжини хвилі для спектроскопії. Стабілізований HeNe лазер також корисний стандарт для точного визначення метра.

Застосування Редагувати

Червоні гелій-неонові лазери знайшли численні застосування в промисловості та науці. До винаходу дешевих лазерних діодів червоні HeNe лазери широко використовувалися для зчитування штрих кодів у супермаркетах. Лазерні гіроскопи використовували HeNe лазери в кільцевій конфігурації. Іншим колишнім застосуванням були програвачі Laserdisc фірми Pioneer.

HeNe лазери продовжують працювати в освітніх та дослідницьких лабораторіях. Перевагами цих лазерів є відносна дешевизна та простота обслуговування порівняно з іншими лазерами видимого діапазону, що мають аналогічні вихідні промені високої просторової когерентності.

Виноски Редагувати

  1. C. S. Willet «An Introduction to Gas Lasers» Pergamon Press 1974, pages 407—411
  2. A.D. White and J.D. Rigden, «Continuous Gas Maser Operation in the Visible». Proc IRE vol. 50, p1697: July 1962.
  3. A. D. White, «Recollections of the First Continuous Visible Laser». Optics and Photonics News vol. 22, p34-39: October 2011.
  4. Javan, A., Bennett, W.R. and Herriott, D.R.: «Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture». Phys. Rev. Lett. 63, 106—110 (1961).
  5. . Архів оригіналу за 8 жовтня 2017. Процитовано 6 червня 2017. 
  6. ↑ Niebauer, TM: Frequency stability measurements on polarization-stabilized He-Ne lasers, Applied Optics, 27(7) p.1285
  7. ↑ Iodine-stabilized helium–neon laser [ 21 липня 2006 у Wayback Machine.] at the NIST museum site
  8. Javan, A., Bennett, W. R. and Herriott, D. R.: "Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture". Phys. Rev. Lett. 6 3, 106–110 (1961).
  10. . Архів оригіналу за 7 червня 2017. Процитовано 6 червня 2017. 
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Gelij neonovij lazer abo HeNe lazer tip gazovogo lazera aktivne seredovishe yakogo mistit sumish 85 geliyu ta 15 neonu v nevelikij kapilyarnij trubci Zazvichaj cej lazer zbudzhuyetsya elektrichnim rozryadom pryamogo strumu Najbilshe vidomi ta najbilshe vikoristovuyutsya HeNe lazeri sho pracyuyut na dovzhini hvili 632 8 nm u chervonij chastini vidimogo spektra Gelij neonovij lazer u laboratoriyi Hemnicogo universitetu Nimechchina Zmist 1 Istoriya rozrobki 2 Budova i princip diyi 3 Zastosuvannya 4 VinoskiIstoriya rozrobki RedaguvatiPershi HeNe lazeri viprominyuvali infrachervone svitlo z dovzhinoyu hvili 1 15 mkm Voni buli pershimi gazovimi lazerami Odnak na lazer sho pracyuvav bi u vidimomu diapazoni mav bilshij popit i bulo doslidzheno rizni perehodi v atomi neonu shukayuchi ti yaki mogli b zabezpechiti inversiyu zaselenosti Perehid iz dovzhinoyu hvili 633 nm viyavivsya najperspektivnishim vin davav najbilshe pidsilennya sho j zumovilo vibir ciyeyi chastoti dlya HeNe lazeriv Odnak mozhlivi j inshi dovzhini hvil vimushenogo viprominyuvannya yak u vidimomu tak j infrachervonomu diapazonah a vikoristovuyuchi dzerkalni pokrittya z pikovim vidbittyam na cih dovzhinah hvili mozhna skonstruyuvati HeNe lazeri sho pracyuvali b na cih perehodah chervoni oranzhevi zhovti ta zeleni 1 Perehodi sho pidtrimuyut vimushene viprominyuvannya vidomi v shirokomu diapazoni vid 100 mkm v dalekomu infrachervonomu do 540 nm u vidimomu Oskilki vidimi perehodi mayut desho menshe pidsilennya lazeri yaki yih vikoristovuyut zagalom mensh efektivni ta dorozhchi Perehid z dovzhinoyu hvili 3 39 mkm zabezpechuye duzhe dobre pidsilennya ale na zavadi stayut veliki vtrati v rezonatori ta dzerkalah na cij dovzhini hvili Odnak u duzhe potuzhnih HeNe lazerah iz dovgimi rezonatorami na dovzhini hvili 3 39 mkm vinikaye superlyuminiscenciya sho zavazhaye roboti lazera vidbirayuchi v aktivnogo seredovisha energiyu i potrebuyuchi pridushennya Najbilshe vidomi i najchastishe vikoristovuyutsya HeNe lazeri sho pracyuyut na dovzhini hvili 632 8 nm u chervonij chastini vidimogo spektra Cej lazer rozrobili v Bell Telephone Laboratories u 1962 roci 2 3 cherez 18 misyaciv pislya pionerskoyi demonstraciyi u tij zhe laboratoriyi pershogo infrachervonogo gelij neonovogo gazovogo lazera u grudni 1960 go 4 Budova i princip diyi Redaguvati nbsp Shematichna diagrama gelij neonovogo lazeraAktivne seredovishe lazera ye sumishshyu geliyu ta neonu v gazovomu stani u spivvidnoshenni priblizno 10 1 u sklyanij posudini z nizkim tiskom V osnovnomu sumish mistit gelij i zbudzhuyutsya v pershu chergu same atomi geliyu Zbudzheni atomi geliyu stikayutsya z atomami neonu j peredayut zbudzhennya chastini z nih zmushuyuchi yih viprominyuvati svitlo z dovzhinoyu hvili 632 8 nm Bez geliyu atomi neonu zbudzhuvalisya b zdebilshogo v stani z nizkoyu energiyeyu sho vidpovidayut liniyam yaki ne godyatsya dlya lazera Neonovij lazer bez geliyu skonstruyuvati mozhna ale bez takogo shlyahu peredachi energiyi ce nabagato skladnishe Tomu HeNe lazer sho vtrativ gelij napriklad cherez difuziyu kriz spajku v skli utratit funkcionalnist yak lazer tomu sho efektivnist nakachuvannya stane nadto maloyu 5 Energiyu abo nakachuvannya lazer otrimuye vid visokovoltnogo gazovogo rozryadu sho prohodit cherez gaz mizh pomishenimi v trubku elektrodami anodom ta katodom Dlya funkcionuvannya lazera potriben postijnij strum tipovo vid 3 do 20 mA Rezonator lazera zazvichaj skladayetsya z dvoh uvignutih dzerkal abo odnogo ploskogo j odnogo uvignutogo sho mayut duzhe visokij tipovo 99 9 koeficiyent vidbittya Vihidne dzerkalo dozvolyaye priblizno 1 propuskannya svitla Komercijni HeNe lazeri porivnyano neveliki sered gazovih lazeriv voni mayut tipovu dovzhinu vid 15 sm do 50 sm ale inodi do 1 metra koli potribna velika potuzhnist ta potuzhnist vid 0 5 to 50 milivat nbsp Energetichni rivni gelij neonovogo lazeraDovzhina hvili chervonogo HeNe lazera 633 nm u vakuumi vlasne 632 991 nm v povitri 632 816 nm Dovzhina hvili mod vimushenogo viprominyuvannya lezhit v diapazoni 0 001 nm vishe ta nizhche cogo znachennya ale dovzhini hvil cih mod plavayut v mezhah diapazonu cherez teplove rozshirennya ta stiskannya rezonatora Stabilizovani po chastoti varianti dozvolyayut zakripiti dovzhinu hvili okremoyi modi z tochnistyu 1 do 108 Dlya cogo vikoristovuyetsya metod porivnyannya dvoh pozdovzhnih mod z riznoyu polyarizaciyeyu 6 Stabilizaciya chastoti lazera z tochnistyu do 2 5 na 1011 mozhliva pri vikoristanni komirki poglinannya z jodom 7 Mehanizm sho zabezpechuye inversnu zaselenist ta pidsilennya svitla v plazmi HeNe lazera 8 opirayetsya na nepruzhni zitknennya energetichnih elektroniv z atomami geliyu v osnovnomu stani Yak pokazano na diagrami rivniv ci zitknennya perevodyat atomi geliyu z osnovnogo stanu v zbudzheni metastabilni stani z velikim chasom zhittya 23S1 ta 21S0 chislo 2 poperedu poznachennya elementa pokazuye sho jogo elektron perebuvaye v stani z kvantovim chislom n 2 Zavdyaki vdalomu zbigovi mizh energetichnimi rivnyami dvoh metastabilnih staniv geliyu ta 5s2 i 4s2 notaciya Pashena 9 rivnyami atoma neonu zitknennya mizh cimi metastabilnimi atomami geliyu ta atomami neonu v osnovnomu stani prizvodit do selektivnoyi j efektivnoyi peredachi energiyi zbudzhennya vid geliyu do neonu Cej proces peredachi energiyi zbudzhennya zadayetsya rivnyannyami reakciyi He 23S1 Ne1S0 He 1S0 Ne 4s2 DE ta He 21S Ne1S0 DE He 1S0 Ne 5s2 de poznachaye zbudzhenij stan a DE ye maloyu rizniceyu mizh energiyami stanu dvoh atomiv poryadku 0 05 eV abo 387 sm 1 sho beretsya z kinetichnoyi energiyi Peredacha energiyi zbudzhennya zbilshuye zaselenist 4s2 ta 5s2 rivniv neonu na poryadki Koli zaselenist cih dvoh rivniv perevishuye zaselenist vidpovidnogo rivnya v neoni z nizhchoyu energiyu 3p4 z yakim u nih isnuye optichnij zv yazok vinikaye inversna zaselenist Seredovishe gotove do pidsilennya svitla u vuzkij smuzi navkolo 1 15 mkm cya smuga vidpovidaye perehodu 4s2 3p4 ta u vuzkij smuzi na 632 8 nm cya smuga vidpovidaye perehodu 5s2 3p4 Riven 3p4 efektivno sporozhnyuyetsya shvidkim viprominyuvannyam u stan 1s i atom zreshtoyu perehodit v osnovnij stan Zalishayetsya tilki vikoristati optichne pidsilennya stvorivshi optichnij oscilyator pomishayuchi na kincyah aktivnogo seredovisha dzerkala j zmushuyuchi hvilyu probigati tudi syudi j nabirati z kozhnim probigom potuzhnosti sho perevishuvala b difrakcijni vtrati ta na dzerkalah Koli ci umovi vikonuyutsya dlya odniyeyi abo kilkoh pozdovzhnih mod viprominyuvannya na chastotah cih mod shvidko narostaye doti doki ne dosyagne nasichennya Yak naslidok utvoryuyetsya stabilnij neperervnij lazernij promin sho virivayetsya na svit bozhij cherez perednye dzerkalo zazvichaj iz 99 im vidbittyam nbsp Spektr gelij neonovogo lazera sho ilyustruye visoku spektralnu chistotu obmezhenu rozdilnistyu detektora Smuga vimushenogo viprominyuvannya shirinoyu 0 002 nm bilsh nizh 10 000 raziv vuzhcha nizh spektralna shirina svitlodioda spektr yakogo pokazano tut dlya porivnyannya a shirina smugi odniyeyi pozdovzhnoyi modi she mensha Shirina smugi pidsilennya HeNe lazera viznachayetsya v osnovnomu doplerivskim rozshirennyam a ne ushirennyam zv yazanim iz tiskom yakij u gazi malij Tomu vona dovoli vuzka tilki priblizno 1 5 GGc dlya perehodu z dovzhinoyu hvili 633 nm 6 10 Rezonator z tipovoyu dovzhinoyu vid 15 sm do 50 sm dozvolyaye odnochasno vid 2 do 8 pozdovzhnih mod odnak isnuyut odnomodovi lazeri sho vikoristovuyutsya dlya osoblivih potreb Vimij diapazon velika dovzhina kogerentnosti ta visoka yakist svitla roblyat gelij neonovi lazeri korisnim dzherelom dlya golografiyi ta standartom dovzhini hvili dlya spektroskopiyi Stabilizovanij HeNe lazer takozh korisnij standart dlya tochnogo viznachennya metra 7 Zastosuvannya RedaguvatiChervoni gelij neonovi lazeri znajshli chislenni zastosuvannya v promislovosti ta nauci Do vinahodu deshevih lazernih diodiv chervoni HeNe lazeri shiroko vikoristovuvalisya dlya zchituvannya shtrih kodiv u supermarketah Lazerni giroskopi vikoristovuvali HeNe lazeri v kilcevij konfiguraciyi Inshim kolishnim zastosuvannyam buli progravachi Laserdisc firmi Pioneer HeNe lazeri prodovzhuyut pracyuvati v osvitnih ta doslidnickih laboratoriyah Perevagami cih lazeriv ye vidnosna deshevizna ta prostota obslugovuvannya porivnyano z inshimi lazerami vidimogo diapazonu sho mayut analogichni vihidni promeni visokoyi prostorovoyi kogerentnosti Vinoski Redaguvati C S Willet An Introduction to Gas Lasers Pergamon Press 1974 pages 407 411 A D White and J D Rigden Continuous Gas Maser Operation in the Visible Proc IRE vol 50 p1697 July 1962 A D White Recollections of the First Continuous Visible Laser Optics and Photonics News vol 22 p34 39 October 2011 Javan A Bennett W R and Herriott D R Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He Ne Mixture Phys Rev Lett 63 106 110 1961 Sam s Laser FAQ Helium Neon Lasers Arhiv originalu za 8 zhovtnya 2017 Procitovano 6 chervnya 2017 a b Niebauer TM Frequency stability measurements on polarization stabilized He Ne lasers Applied Optics 27 7 p 1285 a b Iodine stabilized helium neon laser Arhivovano 21 lipnya 2006 u Wayback Machine at the NIST museum site Javan A Bennett W R and Herriott D R Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He Ne Mixture Phys Rev Lett 6 3 106 110 1961 Notes on the Paschen notation Sam s Laser FAQ Arhiv originalu za 7 chervnya 2017 Procitovano 6 chervnya 2017 Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Gelij neonovij lazer amp oldid 40097921