2.3. Будова і принцип роботи гелій-неонового лазера

Оптичний квантовий генератор (лазер) складається із двох основних частин: активного середовища і резонатора, який в свою чергу складається із двох

Рис. 16.6

напівпрозорих дзеркал (рис. 16.6) . Активне середовище поміщається в трубку 1. Добрі дзеркала 2 для лазерів мають коефіцієнт відбивання R  0,99. Ці дзеркала утворюють інтерферометр Фабрі-Перо і можуть мати різну форму (плоскі, сферичні, параболічні). Саме оптичний резо­натор забезпечує випромінюван­ню лазера його основні властивості – високу напрямленість, коге­рент­ність і монохроматичність. Дзерка­ла забез­печують багатократне проход­ження світла через активне середо­вище.

Активним середовищем гелій-нео­нового лазера є суміш газів гелію (р = 10² Па) і неону (p = 10 Па), яка міститься в скляній або кварцовій трубці. За допомогою високочастотного генератора в трубці створюється газовий розряд. В плазмі газового розряду атоми гелію і неону збуджуються при непружних зіткненнях з електронами. Імовірність збудження атома на різні рівні не однакова. В деякі стани атом переходить з більшою імовірністю; якщо більшим виявляється час їх життя в цих станах, то такі стани можна використову­вати в якості верхніх рівнів для створення інверсної населеності.

Розглянемо механізм створення інверсної населеності рівнів в гелій-неоновому лазері, в якому робочою речовиною являються нейтральні атоми неону.

Збудження здійснюється електронним розрядом. Схема енергетич­них рівнів неону наведена в правій частині (рис. 16.7). В електронному розряді при зіткненні атомів з електронами збуджуються рівні 2S, 3S, 2p і 3p. В неоні S-стани мають більші тривалості життя (вони метастабільні) , ніж p-стани. Це, взагалі кажучи, дозволяє отримувати інвер­сію на переходах 2S2p і 3S3p. Однак цьому заважає метастабіль­ний рівень 1s, який має достатньо тривалий час життя. Тому населяючись в зіткненнях з електро­нами цей рівень не дає спустошува­тися рівням 2p і 3p, навпаки вони заселяються за схемою 1S2p і 1S3p, що перешкод­жає отриманню інверсії.

Рис. 16.7

В чистому неоні створити інверсію в неперервному режимі дуже важко. Цю трудність можна обійти якщо в електронний розряд ввести додатковий газ – донора енергії збудження. В даному випадку цим газом є гелій. Енергії двох перших збуджених метастабільних рівнів гелію 2³S₁ і 2¹S₀ (рис.16.7) достатньо добре співпадають з енергетичними рівнями 2S, 3S неону. Тому добре реалізуються умови резонансної передачі збудження за схемою:

He^*+NeNe^*+ He + Е _кін. (16.12)*

При правильно вибраних тисках неону і гелію, можна добитися населення одного або двох станів 2S і 3S неону, яке значно перевищує заселення цих рівнів в чистому неоні, і отримати інверсну населеність цих рівнів у відношенні до станів 2p, 3p. Історично першою була отримана генерація на переході 2S2p (2s₂2p₄) ^= 1,15 мкм. Потім була реалізована інверсія переходів 3s3p (3s₂3p₄) = 3,39 мкм і 3S2p (3s₂4p₄) ^= 0,64 мкм. Схематично ці переходи показані на рис. 16.7.

Всi три види генерацiї вiдбуваються приблизно при однакових умовах розряду і володiють аналогiчними залежностями потужностi генерацiї вiд параметрiв i геометрiї розряду. При цьому особливо важлива конкуренцiя генерацiй на хвилях 3,39 і 0,83 мкм, яким вiдповiдають переходи iз спiльним верхнiм рiвнем 3S. Тому генерацiя на однiй iз цих хвиль послаблює генерацiю на iншiй. Справа ускладнюється ще й тим, що переходу 3s₂3p₄ (= 3,39 мкм) вiдповiдає пiдсилення в 20 дБ/м, i тому на ньому легко досягається генерацiя в простих, наприклад, металiчних дзеркалах, а переходу 3s₂2p₄ (= 0,69 мкм) вiдповiдає невелике пiдсилення в 5–6 %/м. Тому для отримання генерацiй у видимiй областi гелiй-неоновий лазер обладнується багатоша­ровими дiелектрич­ними iнтерференцiйними дзеркалами, якi володiють високим коефiцiєнтом вiдбиття тiльки на потрiбнiй довжинi хвилi. Переходу 2s₂2p₄ (^= 1,15 мкм) вiдповiдає пiдсилення 10–20 %, генерацiя досягається за допомогою дiелектричних дзеркал.

Рис. 16 8

Iнший цiкавий шлях отримання генерацiй на рiзних довжинах хвиль iлюструється на рис. 16.8. Iз-за дисперсiї призми генерацiя в резонаторi, як показано на рис. 16.8, може виникати тiльки на певнiй довжинi хвилi. Повертаючи призму навколо осi, пер­пендикулярної до площини рисунка, можна змiнити довжину хвилi ₁. У випадку гелiй-нео­нового лазера цей метод дозволяє отри­мувати генера­цiю для великого числа лiнiй – вiд жовтої (= 0,59 мкм) до далекої черво­ної (^= 0,73 мкм).

Це пов’язано з тим, що в Не–Nе лазерi iснує значно бiльше лазерних переходiв, нiж це зображено на рис. 16.7. Кожен iз показаних на цiй схемi енергетичних станів неону розщеплюється на декiлька пiдрiвнiв; в свою чергу, кожен із підрівнів може служити початковим або кiнцевим рiвнем для декiлькох лазерних переходiв. Всього в неонi стимульоване випромiнювання спосте­рiгається бiльше нiж на 130 лiнiях.