1. Устройство Ne - He лазера

Основным элементом Ne - He лазера непрерывного действия является газоразряд­ная трубка, наполненная смесью неона и гелия в соотношении 1:10 при давлении 130 Па. Концы трубки могут быть закрыты непосредственно зеркалами, или закрыты плоскими стеклянными пластинами, ориентированными под углом Брюстера к оси разряда (рис. 18).

Линейно поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер данной конструк­ции генерирует линейно поляризованное излучение.

В загнутых концах трубки располагаются анод и катод. Тлеющий разряд в трубке возникает при напряжении 1,5 – 3 кВ от высоковольтного блока и токе 10 – 50 мА. Балласт­ное сопротивление R_бал служит для стабилизации газового разряда, который, как извест­но, имеет "падающую" вольтамперную характеристику (отрицательное дифференциаль­ное сопротивление). Зеркала, образующие резонатор, имеют многослойное (9–18 слоев) диэлектрическое покрытие, обеспечивающее высокий коэффициент отражения > 99% (для данной длины волны). Оба зеркала закреплены в юстировочном устройстве (точ­ность юстировки до нескольких угловых секунд) и соединяются между собой конструк­цией из материала, имеющего низкий температурный коэффициент линейного расшире­ния (например, тремя инваровыми стержнями).

Рис. 18. Блок-схема Ne - He лазера.

2. Механизм образования инверсии в Ne - He лазере.

В неон-гелиевом лазере исполь­зуется принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) ос­новному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия приведена на рис. 19.

Рис. 19. Диаграмма энергетических уровней Ne и Не

Условие резонансной передачи энергии выполняется для уровней

2¹S (He) → 3S (Ne), 2³S (He) → 2S (Ne).

В результате газового разряда уровни 2¹S и 2³S гелия заселяются за счет электронных ударов. При неупругих столкновениях возбужденных атомов гелия с ато­мами неона происходит возбуждение атомов неона и заселение метастабильных уровней 3S и 2S:

He* + Ne → He + Ne*(2S) + Ne*(3S) (1)

Уровни 2Р и 3Р неона также заселяются за счет электронных ударов. Этот процесс уменьшает разность населенности 2S, 3S и 2Р, 3Р. Однако эффектив­ность этого процесса мала по сравнению с процессом передачи энергии от гелия, так как концентрация неона значительно меньше, чем концентрация гелия. За счет дефекта энергий уровней (2¹S→3S, 2³S→2S), значительно превышающего величину кТ, резуль­тат процесса (1) далек от желаемого. Однако малая эффективность процесса возбужде­ния атомов Ne в какой-то мере компенсируется большим временем жизни возбуждения атомов Ne на уровнях 2S и (10^-7 с) по сравнению с уровнями 2Р и 3Р (10^-8 с).

При осуществлении инверсной населенности уровней 2S и 3S происходят излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Длины волн излучения составляют:

2S₂ → 2Р₄ - 1,15 мкм (ИК-диапазон),

3S₂ → 3Р₄ - 3,39 мкм (ИК-диапазон),

3S₂ → 2Р₄ - 0,6328 мкм (красный свет).

Наименьшим усилением обладает переход 3S - 3Р, наибольшим - 3S₂ - 2Р₄. Излуче­ние на волне λ=3,39 мкм называется в данном случае конкурирующим, обедняющим уро­вень 3S₂ и уменьшающим генерацию на волне λ=0,63 мкм.

«Отработавшие» атомы переходят за счет спонтанного излучения с уровней 3Р и 2Р на метастабильный уровень 1S. Для генерации очень важно, чтобы эти уровни были заселены как можно меньше. «Сток» частиц с уровня 1S обеспечивается в ос­новном за счет соударений со стенками трубки (диффузия к стенкам).

Чем меньше радиус газоразрядной трубки, тем больше вероятность объединения уровня 1S и следовательно, уровней 2Р и 3Р. Этим объясняется наблюдающаяся на практике обратно пропорциональная зависимость коэффициента усиления Ne - He -лазера от радиуса разрядной трубки.