Heeliumi neoonlaserseade
Heelium-neoonlaseri töökeskkonnaks on heeliumi ja neooni segu vahekorras 5:1, mis paikneb klaaskolvis madala rõhu all (tavaliselt umbes 300 Pa). Pumba energia tarnitakse kahest kolvi otstes paiknevast elektrilaadijast pingega umbes 1000÷5000 volti (olenevalt toru pikkusest). Sellise laseri resonaator koosneb tavaliselt kahest peeglist – täiesti läbipaistmatust pirni ühelt ja teiselt poolt, läbides endast umbes 1% seadme väljundi poolel langevast kiirgusest.
Heelium-neoonlaserid on kompaktsed, tüüpilise resonaatori suurusega 15–2 m ja nende väljundvõimsus on 1–100 mW.
Heelium-neoon laser. Keskel asuv valgusvihk on elektrilahendus.
Wikimedia sihtasutus. 2010 .
heelium neoonlaser- helio neono lazeris statusas T valdkond radioelektronika vastavusmenys: angl. heelium neoon laser vok. Heelium neoonlaser, m rus. heelium neoonlaser, m pranc. laser à mélange d hélium et néon, m; laser heelium neoon, m … Radioelectronics terminų žodynas
Tuumapumbaga laser on laserseade, mille aktiivset keskkonda ergastatakse tuumakiirgusega (gamma kvantid, tuumaosakesed, tuumareaktsioonide produktid). Sellise seadme kiirguslainepikkus võib olla ... ... Wikipediast
Sellel terminil on ka teisi tähendusi, vt Laser (tähendused). Laser (NASA labor) ... Wikipedia
Kvantgeneraator, võimsa optilise kiirguse allikas (laser on lühend väljendist valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse kaudu). Laseri tööpõhimõte on sama, mis varem loodud ... ... Collier Encyclopedia
Elektromagnetilise kiirguse allikas nähtavas, infrapuna- ja ultraviolettkiirguses, mis põhineb aatomite ja molekulide stimuleeritud emissioonil (vt Stimuleeritud emissioon). Sõna "laser" koosneb sõnade algustähtedest (lühendist) ... ...
Laser gaasilise aktiivkeskkonnaga. Toru koos aktiivgaasiga asetatakse optilisse resonaatorisse, mis lihtsaimal juhul koosneb kahest paralleelsest peeglist. Üks neist on poolläbipaistev. Mingist torust eraldub ... Suur Nõukogude entsüklopeedia
Optiline kvant. gaasilise aktiivkeskkonnaga generaator. Gaas, kroonides energia arvelt vl. allikas (pump), luuakse olek kahe energiataseme (ülemine ja alumine laseritase) populatsiooni inversiooniga, mis asetatakse optilisse ... ... Füüsiline entsüklopeedia
Laser (NASA labor) Laser (inglise laser, lühend sõnadest Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation "Light amplification by stimulated emission") seade, mis kasutab stimuleeritud (stimuleeritud) ... Wikipedia
Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.
Majutatud aadressil http://www.allbest.ru/
1. Sissejuhatus
2. Laserite tööpõhimõte
3. Gaaslaserid
4. Heelium-neoon laser
5. Heelium-neoon laser tüüp LG-36a
6. Heelium-neoonlaseri rakendamine meditsiinis
7. Teave tänapäevaste heelium-neoonlaserite kohta
8. Kasutatud kirjanduse loetelu
1. Sissejuhatus
Laserid või optilised kvantgeneraatorid on kaasaegsed koherentse kiirguse allikad. Nende loomine oli 20. sajandi füüsika üks olulisemaid saavutusi. Laserid on leidnud üsna laialdast rakendust peaaegu kõigis teadusvaldkondades, samuti tehnoloogias, meditsiinis ja sõjanduses.
Sukeldume veidi ajalukku:
Mõtet uurida gaasiheitmeid 20. sajandi alguses stimuleeritud emissiooni vaatlemise huvides ei tulnud kellelegi pähe – teadlased ju ei kahtlustanud veel selle olemasolu.
1913. aastal püstitas Albert Einstein hüpoteesi, et tähtede sisemuses võib footonite forsseerimisel tekkida kiirgus. 1917. aastal avaldatud klassikalises artiklis "The Quantum Theory of Radiation" ei järeldanud Einstein mitte ainult kvantmehaanika ja termodünaamika üldpõhimõtetest sellise kiirguse olemasolu, vaid tõestas ka, et sellel on sama suund, lainepikkus, faas ja polarisatsioon. st koherentselt sundiv kiirgus. Ja kümme aastat hiljem põhjendas Paul Dirac neid järeldusi rangelt ja tegi neist kokkuvõtte.
Esimesed katsed.
Teoreetikute töö ei jäänud märkamata. 1928. aastal jälgisid Keiser Wilhelmi Seltsi Füüsikalise Keemia ja Elektrokeemia Instituudi aatomifüüsika osakonna direktor Rudolf Ladenburg ja tema õpilane Hans Kopfermann eksperimentaalselt neoontorudega tehtud katsetes populatsiooni inversiooni. Kuid stimuleeritud emissioon oli väga nõrk ja seda oli spontaanse emissiooni taustal raske eristada.
Üks laseri loomise katsetest oli üsna tõsine töö, mis oli seotud optiliste signaalide võimendamisega stimuleeritud emissiooni abil. See töö oli moskvalase Valentin Fabrikanti doktoritöö, mis avaldati 1940. aastal. 1951. aastal V.A. Fabrikant, F.A. Butaev ja M.M. Vudinsky esitas taotluse uue elektromagnetkiirguse võimendamise meetodi leiutamiseks, mis põhineb populatsiooni inversiooniga meediumi kasutamisel. Kahjuks ilmus see teos alles 8 aastat hiljem ja seda märkasid vähesed ning katsed ehitada töötavat optilist võimendit osutusid tulutuks. Selle põhjuseks oli resonaatori puudumine.
Laseri loomise tee leidsid mitte optikud, vaid raadiofüüsikud, kes on pikka aega suutnud resonaatorite ja tagasiside abil ehitada elektromagnetiliste võnkumiste generaatoreid ja võimendeid. Just nemad olid määratud kavandama esimesed koherentse kiirguse kvantgeneraatorid, ainult mitte valguse, vaid mikrolaineahju.
Sellise generaatori loomise võimaluse mõistis esmakordselt Columbia ülikooli füüsikaprofessor Charles Townes. Ta mõistis, et mitme energiatasemega molekulide kiirte abil on võimalik ehitada mikrolainegeneraator. Selleks tuleb need elektrostaatiliste väljadega eraldada ja juhtida ergastatud molekulide kiire metallõõnde, kus nad lähevad elektromagnetlaineid kiirgades madalamale tasemele. Et see õõnsus töötaks resonaatorina, peavad selle lineaarsed mõõtmed olema võrdsed kiiratavate lainete pikkusega. Towns jagas seda mõtet kraadiõppuri James Gordoni ja uurimisassistendi Herbert Zeigeriga. Nad valisid keskkonna rolliks ammoniaagi, mille molekulid kiirgavad ergastatud vibratsioonitasemelt maapinnale üleminekul 12,6 mm pikkuseid laineid. 1954. aasta aprillis käivitasid Townes ja Gordon maailma esimese mikrolaine-kvantgeneraatori. Townes nimetas seda seadet maseriks.
NSVL Teaduste Akadeemia Füüsika Instituudi võnkumiste laboris tegelesid sama teemaga vanemteadur Aleksandr Prohhorov ja tema aspirant Nikolai Basov. 1952. aasta mais tegid nad üleliidulisel raadiospektroskoopia konverentsil ettekande võimalusest luua sama ammoniaagi molekulide kiirel töötava mikrolainekiirguse kvantvõimendi. 1954. aastal, vahetult pärast Townsi, Gordoni ja Zeigeri teose avaldamist, avaldasid Prohhorov ja Basov artikli, mis andis sellise seadme toimimise teoreetilise põhjenduse. Townes, Basov ja Prokhorov pälvisid 1964. aastal oma uurimistöö eest Nobeli preemia.
Mikrolaineahjust valguseni.
Kuna valguse lainepikkusi mõõdetakse kümnendikku mikronites, oli sellise suurusega õõnsusresonaatori valmistamine ebareaalne. Tõenäoliselt mõistis makroskoopiliste avatud peegelresonaatorite abil valguse genereerimise võimaluse esmakordselt Ameerika füüsik Robert Dicke, kes vormistas selle idee 1956. aasta mais patenditaotluses. 1957. aasta septembris visandas Townes sülearvutis sellise generaatori plaani ja nimetas seda optiliseks maseriks. Aasta hiljem avaldas Towns koos Artur Šavlovi ja neist sõltumatult Prokhoroviga paberid, mis sisaldasid teoreetilisi põhjendusi koherentse valguse genereerimise meetodi kohta.
Mõiste "laser" ise tekkis palju varem. See ingliskeelne lühend Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (sõna-sõnalt tõlgitud kui "valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse emissiooniga", kuigi lasereid on ikka veel kombeks nimetada mitte võimenditeks, vaid kiirgusgeneraatoriteks, sõna võimendamine genereerimisega annab hääldamatu heli). kombinatsioon lgser), tuli Columbia ülikooli doktorandi Gordon Gouldiga, kes viis iseseisvalt läbi üksikasjaliku analüüsi optilise vahemiku stimuleeritud emissiooni saamiseks.
Esimene töötav laser pärines Hughes Aircraft Corporationi töötaja Theodor Meimani käest, kes valis aktiivseks kandjaks rubiini. Meiman mõistis, et suurte vahedega eraldatud kroomiaatomid ei saa "sära" mitte halvemini kui gaasiaatomid. Optilise resonantsi saamiseks asetas ta sünteetilise rubiini silindri poleeritud paralleelsetele otstele õhukese hõbedakihi. Silindri valmistas Union Carbide eritellimusel, mille valmimiseks kulus viis kuud. Meiman asetas rubiinist kolonni spiraaltorusse, mis annab eredaid valgussähvatusi. 16. mail 1960 tulistas maailma esimene laser oma esimese kiire. Ja sama aasta detsembris käivitati Bell Labsis Ali Javani, William Bennetti ja Donald Harrioti loodud heelium-neoonlaser.
Laserite teaduslik väärtus ja praktiline kasutus oli nii ilmne, et tuhanded teadlased ja insenerid erinevatest riikidest võtsid need kohe kasutusele. 1961. aastal lasti turule esimene neodüümklaasist laser, viie aasta jooksul töötati välja pooljuhtlaserdioodid, orgaaniliste värvainete laserid, keemilised laserid ja süsinikdioksiidi laserid. 1963. aastal töötasid Zhores Alferov ja Herbert Kremer iseseisvalt välja pooljuhtide heterostruktuuride teooria, mille põhjal loodi hiljem palju lasereid.
Nagu eespool mainitud, sisenesid laserid meie ellu ja asusid seal üsna hästi, hõivates hea positsiooni paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades.
Kaasaegsete laserite töökehadena kasutatakse erinevas agregatsiooniseisundis aineid: gaasid, vedelikud, tahked ained.
Tahan keskenduda gaasilaseritele ja uurida täpsemalt laserit, mille aktiivne keskkond on heeliumi ja neooni segu.
toime heelium neoon laserravim
2. Laserite tööpõhimõte
Teame, et kui maapinnal W 1 asuvale aatomile antakse energiat, võib see minna ühele ergastatud tasanditest (joonis 1a). Vastupidi, ergastatud aatom võib spontaanselt (spontaanselt) minna ühele madalamatest tasemetest, kiirgades samal ajal teatud osa energiast valguskvanti kujul (joonis 1b). Kui valguse emissioon toimub aatomi üleminekul energiatasemelt W m energiatasemele W n, siis kiirgava (või neelduva) valguse sagedus
n mn \u003d (W m - W n) / h.
Need spontaansed kiirgusprotsessid toimuvad kuumutatud kehades ja helendavates gaasides. Kuumutamine või elektrilahendus viib osa aatomeid ergastatud olekusse; minnes madalamatesse olekutesse, kiirgavad nad valgust. Spontaansete üleminekute käigus kiirgavad aatomid valgust üksteisest sõltumatult. Valguskvante kiirgavad aatomid juhuslikult lainerongidena. Rongid ei ole omavahel õigeaegselt kooskõlastatud, s.t. on erinev faas. Seetõttu on spontaanne emissioon ebajärjekindel.
Ergastatud aatomi spontaanse emissiooni kõrval toimub stimuleeritud (või indutseeritud) emissioon: ergastatud aatomid kiirgavad välise kiiresti muutuva elektromagnetvälja, näiteks valguse, toimel. Selgub, et välise elektromagnetlaine toimel kiirgab aatom sekundaarlainet, mille sagedus, polarisatsioon, levimise suund ja faas langevad täielikult kokku aatomile mõjuva välislaine parameetritega. Tekib omamoodi välislaine kopeerimine (joonis 1c). Stimuleeritud emissiooni mõiste tõi füüsikasse A. Einstein aastal 1916. Stimuleeritud emissiooni fenomen võimaldab elektromagnetlainete abil juhtida aatomite emissiooni ning seeläbi genereerida ja võimendada koherentset valgust.
Et see juhtuks, peavad olema täidetud kolm tingimust.
1. Vaja on resonantsi - langeva valguse sageduse kokkulangevus aatomi spektri ühe sagedusega h mn. Resonantstingimuse täitmise eest hoolitses loodus ise, sest identsete aatomite emissioonispektrid on absoluutselt identsed.
2. Teine tingimus on seotud erineva tasemega elanikkonnaga. Koos ülemise tasandi W m aatomite poolt stimuleeritud valguse emissiooniga toimub resonantsneeldumine ka madalama taseme Wn aatomite poolt. Madalamal tasemel W n asuv aatom neelab valguskvanti, liikudes samal ajal ülemisele tasemele W m .
Resonantsneeldumine takistab valguse teket.
See, kas aatomite süsteem tekitab valgust või mitte, sõltub sellest, milliseid aatomeid on aines rohkem. Generatsiooni toimumiseks on vajalik, et aatomite arv ülemisel tasemel N m oleks suurem kui aatomite arv madalamal tasemel N n, mille vahel üleminek toimub.
Muidugi saate kasutada ainult seda taseme paari, mille vahel on üleminek võimalik, sest mitte kõik üleminekud kahe tasandi vahel pole looduse poolt lubatud. Looduslikes tingimustes on kõrgemal tasemel igal temperatuuril vähem osakesi kui madalamal tasemel. Seetõttu on igas kehas, ükskõik kui tugevalt kuumutatud, sunnitud üleminekute ajal valguse neeldumine kiirguse üle ülekaalu.
Koherentse valguse tekitamiseks on vaja võtta erimeetmeid, et kahest valitud tasemest ülemine oleks rohkem asustatud kui alumine. Aine olekut, milles aatomite arv ühel kõrgema energiaga tasanditest on suurem kui madalama energiaga tasandi aatomite arv, nimetatakse aktiivseks olekuks või populatsiooni inversiooni (pöördumise) olekuks.
Seega on koherentse valguse genereerimise ergastamiseks vajalik tasandite paari jaoks populatsiooni inversioon, mille vaheline üleminek vastab genereerimise sagedusele.
3. Kolmas probleem, mis laseri loomiseks tuleb lahendada, on tagasiside probleem. Selleks, et valgus saaks aatomite emissiooni juhtida, on vaja, et osa kiirgavast valgusenergiast jääks alati töötava aine sisse, nii-öelda "paljunemiseks", põhjustades valguse sundkiirgust üha uute aatomite poolt. Seda tehakse peeglite abil. Lihtsamal juhul asetatakse tööaine kahe peegli vahele, millest ühe peegeldustegur on umbes 99,8% ja teise (väljund) - umbes 97-98%, mida saab saavutada ainult dielektriliste kattekihtide kasutamisega. . Aatomi spontaanse ülemineku tulemusena suvalises kohas kiirgav valguslaine võimendub stimuleeritud emissiooni tõttu, kui see levib läbi töötava aine. Väljundpeeglini jõudes läbib valgus sellest osaliselt. Seda osa valgusenergiast kiirgab laser väljast ja seda saab kasutada. Osa valgust, mis peegeldub poolläbipaistvast väljundpeeglist, tekitab uue footonite laviini. See laviin ei erine stimuleeritud emissiooni omaduste tõttu eelmisest.
Sel juhul, nagu iga resonaatori puhul, on resonantstingimus täidetud ainult nende lainete puhul, mille jaoks resonaatori sees olevale topeltoptilisele teele mahub täisarv lainepikkusi. Kõige soodsamad tingimused tekivad piki resonaatori telge levivatele lainetele, mis tagab laserkiirguse ülikõrge suunatavuse.
Kirjeldatud tingimuste täitmine on lasergenereerimiseks endiselt ebapiisav. Valguse tekkeks peab toimeaine kasum olema piisavalt suur. See peab ületama teatud väärtuse, mida nimetatakse läveks. Tõepoolest, peegeldugu osa väljundpeeglile langevast valgusvoost tagasi. Võimendus peeglite kahekordse vahemaa korral (üks läbimine) peaks olema selline, et väljundpeeglisse tagastatav valgusenergia ei oleks väiksem kui eelmisel korral. Alles siis hakkab valguslaine kasvama läbipääsust teise. Kui see nii ei ole, siis teisel läbimisel saavutab väljundpeegel madalama energia kui eelmisel hetkel, kolmandal - veelgi madalamal jne. Sumbumise protsess jätkub, kuni valgusvoog on täielikult kustunud. On selge, et mida väiksem on väljundpeegli peegelduskoefitsient, seda suurem peab olema tööaine võimenduslävi. Seega on peeglid kahjuallikate nimekirjas esikohal.
Niisiis, sõnastagem lühidalt tingimused, mis on vajalikud koherentse valguse allika loomiseks:
· vaja on pöördpopulatsiooniga töötavat ainet. Ainult siis on võimalik saada sundüleminekute tõttu valguse võimendus;
· töötav aine tuleks asetada peeglite vahele, mis annavad tagasisidet;
· tööaine poolt antud võimendus, mis tähendab, et ergastatud aatomite või molekulide arv tööaines peab olema suurem kui läviväärtus, mis sõltub väljundpeegli peegeldustegurist.
Kui need kolm tingimust on täidetud, saame süsteemi, mis on võimeline genereerima koherentset valgust ja mida nimetatakse laseriks.
3. Gaaslaserid
Edasi. Võrreldes tahkete ja vedelikega on gaasidel oluliselt väiksem tihedus ja suurem homogeensus. Seetõttu on valgusvihk gaasis vähem moonutatud ja hajutatud. See muudab laserkiirguse lahknemise difraktsioonipiiri saavutamise lihtsamaks. Madala tiheduse korral iseloomustab gaase spektrijoonte Doppleri laiendus, mille väärtus on kondenseerunud keskkonnas luminestsentsjoone laiusega võrreldes väike. See muudab gaasilaserite kiirguse kõrge monokromaatilisuse saavutamise lihtsamaks.
Teatavasti peab iseergastuse tingimuste täitmiseks ühe laserresonaatori läbimise käigus tekkiv võimendus aktiivses keskkonnas ületama kadusid. Gaasides hõlbustab selle tingimuse täitmist mitteresonantse energiakadude puudumine otse aktiivses keskkonnas. Tehniliselt on keeruline valmistada peegleid, mille kaod on oluliselt alla 1%. Seetõttu peab võimendus olema suurem kui 1%. Selle nõude täitmise suhteline lihtsus gaasides, näiteks aktiivse keskkonna pikkuse suurendamise kaudu, seletab suure hulga gaasilaserite olemasolu laias lainepikkuste vahemikus.
Elektriväljaga kiirendatud elektronid kannavad heeliumi aatomeid erinevatesse ergastatud olekutesse. Ergastatud aatomite normaalsel kaskaadrelaksatsioonil põhiolekusse akumuleeruvad paljud neist pikaealistele metastabiilsetele tasemetele 2(3)S 2(1)S, mille eluiga on vastavalt 10 -4 ja 5*10 -6 sekundit. Kuna need metastabiilsed tasemed langevad energia poolest peaaegu kokku Ne 2S ja 3S tasemetega, võivad nad ergastuse Ne aatomitele üle kanda. Põhiseisundis olemine ja nendega energiavahetus. Väike energiaerinevus (2S taseme puhul?400 cm -1) muundub pärast kokkupõrget aatomi kineetiliseks energiaks. See on He-Ne süsteemi peamine pumpamismehhanism.
1. Tekkimine lainepikkusel 0,6328 μm. Ülemine lasernivoo on üks 3S neoontasanditest, alumine aga kuulub 2P rühma. Madalam 2P tase laguneb kiirguslikult ajakonstandiga umbes 10-8 s. pikaealise 1S olekusse. See aeg on palju lühem kui ülemise 3S lasertaseme eluiga (10-7 s). Seega on populatsiooni inversiooni tingimus 3S–2P üleminekus täidetud.
Tase 1S on oluline. Aatomid jäävad sellel kiirgusüleminekute ajal madalamalt 2P lasertasemelt selle nivoo pika eluea tõttu. 1S olekus olevad aatomid põrkuvad tühjenduselektronidega ja ergastuvad tagasi madalamale 2P laseri tasemele. See vähendab inversiooni. 1S oleku aatomid lõdvestuvad tagasi põhiolekusse peamiselt kokkupõrkel väljalasketoru seinaga. Sel põhjusel suureneb võimendus 0,6328 µm üleminekul toru läbimõõdu vähenemisega.
3. Tekkimine lainepikkusel 3,39 μm. See on tingitud 3S-3P üleminekutest neoonaatomites. Nüüd on laseri ülemine tase sama, mis genereerimise ajal, lainepikkusel 0,6328 μm. Sellel üleminekul jõuab väikese signaali 1 optiline võimendus umbes 50 dB/m. See suur kasum on osaliselt seletatav 3P taseme lühikese elueaga, mis võimaldab luua suure inversiooni. Selle ülemineku suure võimenduse tõttu takistab genereerimine lainepikkusel 3,39 µm genereerimist lainepikkusel 0,6328 µm. Seda seetõttu, et 3,39 µm ülemineku puhul saavutatakse esmalt lävitingimused. Kui see juhtub, hakkab võimenduse küllastumine segama 3S-taseme populatsiooni edasist suurenemist. 0,6328 μm lainepikkusega laserites võideldakse selle vastu lisaelementide lisamisega optilisse kiirtesse, näiteks klaasist või kvartsist Brewsteri aknad, mis neelavad tugevalt kiirgust lainepikkusega 3,39 μm ja edastavad alates 0,6328 μm. Sel juhul muutub pumpamise lävi n=3,39 μm võrra kõrgemaks kui laseritase 0,6328 μm võrra.
Toru on valmistatud kvaliteetsest klaasist või kvartsist. Tootmisvõimsus sõltub oluliselt toru läbimõõdust. Läbimõõdu suurenemine toob kaasa töösegu mahu suurenemise, mis aitab kaasa tootmisvõimsuse suurenemisele. Toru läbimõõdu suurenedes aga plasma elektronide temperatuur langeb, mis toob kaasa gaasiaatomeid ergutada võimeliste elektronide arvu vähenemise. Mis lõppkokkuvõttes vähendab tootmisvõimsust. Kadude vähendamiseks suletakse gaaslahendustoru otsad tasapinnaliste paralleelsete plaatidega, mis ei asu toru teljega risti, vaid nii, et selle plaadi normaal moodustab nurga i B \u003d arctg n (n on plaadimaterjali murdumisnäitaja), mida nimetatakse Brewsteri nurgaks. Lasertehnoloogias kasutatakse laialdaselt elektromagnetlaine peegeldumise eripära erinevate meediumite vahelisest liidesest nurga i B all. Lahtri väljumisakende seadistamine aktiivse keskkonnaga Brewsteri nurga all määrab unikaalselt laserkiirguse polarisatsiooni. Langemistasandil polariseeritud kiirguse korral on kaod resonaatoris minimaalsed. Loomulikult on laseris see lineaarselt polariseeritud kiirgus, mis on valdav.
Gaaslahendustoru asetatakse optilisse resonaatorisse, mille moodustavad interferentsi kattega peeglid. Peeglid on fikseeritud äärikutesse, mille konstruktsioon võimaldab reguleerimise ajal reguleerimiskruvisid keerates peegleid pöörata kahes üksteisega risti asetsevas tasapinnas. Gaasisegu ergastamiseks rakendatakse toiteallikast elektroodidele kõrgsageduslikku pinget. Toiteallikaks on kõrgsagedusgeneraator, mis tekitab elektromagnetilisi võnkumisi sagedusega umbes 30 MHz mitmekümne vatise võimsusega.
Gaaslasereid varustatakse laialdaselt alalisvooluga pingega 1000-2000 V, mis saadakse stabiliseeritud alaldid. Sel juhul on gaaslahendustoru varustatud kuumutatud või külma katoodiga ja anoodiga. Torus oleva tühjenemise süütamiseks kasutatakse elektroodi, millele rakendatakse umbes 12 kV impulsspinget. See pinge saadakse 1-2 mikrofaradi kondensaatori tühjendamisel läbi impulsstrafo primaarmähise.
Heelium-neoonlaserite eelisteks on nende kiirguse koherentsus, madal energiatarve (8-10 W) ja väiksus. Peamised puudused on madal efektiivsus (0,01-0,1%) ja madal väljundvõimsus, mis ei ületa 60 mW. Need laserid võivad töötada ka impulssrežiimis, kui ergastamiseks kasutatakse suure amplituudiga impulsspinget, mille kestus on mõni mikrosekund.
Lasereid on meditsiinis kasutatud üle 20 aasta. Selle aja jooksul on laserkiirgust kasutanud uuringud kujunenud biomeditsiiniteaduse spetsialiseeritud valdkonnas, mis hõlmab kahte peamist valdkonda: patoloogiliste fookuste kudede hävitamine suhteliselt võimsa laserkiirgusega ja biostimulatsiooniefektid madala energiaga kiirgusega.
Uuringud on näidanud, et heelium-neoonlaser mõjub elusorganismile ergutavalt, aitab puhastada haavu mikroorganismidest ja kiirendab epitelisatsiooni, parandab kesknärvisüsteemi funktsionaalseid parameetreid ja ajuvereringet hüpertensiooniga patsientidel; põhjustab valu lakkamist või vähenemist lülisamba osteokondroosiga patsientidel.
Vaatleme üksikasjalikumalt meditsiiniteaduste kandidaadi, dotsent T.I. Dolmatova, G.L. Shreiber, bioloogiateaduste kandidaat, dotsent N.I. Ülevenemaalise kehakultuuri uurimisinstituudi Moskva Riikliku Kehakultuuri Akadeemia kaksik. Nad toimisid lokaalselt laserkiirega kehapinna bioloogiliselt aktiivsetele punktidele (BAP). Spordis kasutati PVT-l heelium-neoonlaserit, et uurida taastumisprotsesse pärast füüsilist pingutust ja kiirguse tagajärgi. Laserkiirgus viidi läbi aparaadiga AG-50, mille lainepikkus oli 632 A, kiirgusvõimsus 10 mV, kiirituspindala 0,5 cm2; kiirituspunktid - "he-gu" 2 , "ju-san-li", kokkupuuteaeg - 2,0 minutit iga sümmeetrilise punkti kohta, kogu kokkupuuteaeg - 10 minutit, protseduuri viidi läbi iga päev 10 päeva jooksul.
Sportlasi kiiritati enne treeningut heelium-neoonlaseriga. 5. päeval täheldasid nad paremat taastumist pärast treeningut, samuti talusid nad paremini suurte raskustega treenimist. Heelium-neoonlaseriga kokkupuute 10. päevaks püsis sportlaste tervis hea, treeniti mõnuga ja taluti koormusi hästi. Laseriga tegutseti ka taastumisperioodil, vahetult peale treeningut, uuringud näitasid, et taastumine, lõdvestus, hea uni tekkis kiiremini kui ilma kiirguseta, esines pulsisageduse langus ning maksimaalse ja minimaalse vererõhu langus.
Tehase seadistus ja mõõdud; vererakkude loendamine ja analüüs; meditsiiniline juhendamine ja jälgimine operatsioonide ajal (suure võimsusega laserite puhul); kõrge eraldusvõimega printimine, skaneerimine ja digiteerimine; vöötkoodiskannerid; häirete metroloogia ja kiiruse mõõtmine; mittekontaktsed mõõtmised ja monitooring; üldoptika ja holograafia; laseretendused; Laser Disk ja muud andmekandjad.
Heelium-neoonlaseri üldomadused, selle konstrueerimine ja põhiparameetrite arvutamine: aktiivkeskkonna võimendus, optimaalne vool, õõnsuse pikkus, kiire vööraadius, efektiivne kiire ristlõikepindala, pumba võimsus ja kasutegur.
test, lisatud 24.07.2013
Laserite tööpõhimõtte alus. Laserite klassifikatsioon ja nende peamised omadused. Laseri kasutamine kaupade märgistamisel. Toimeaine ergastamise meetod. Laserkiire lahknevus. Lainepikkuse vahemik. Laseri kasutusalad.
loovtöö, lisatud 24.02.2015
Aatomabsorptsiooni mõõtmise teooria: valguse emissioon ja neeldumine, neeldumisjoone ja neeldumisteguri mõiste, neeldumisjoone kontuur. Laseri tööpõhimõte. Heelium-neoonlaseri töö kirjeldus. Laserid orgaanilistel värvainetel.
abstraktne, lisatud 03.10.2007
Optilise kvantgeneraatori ehk laseri loomine on suur avastus füüsikas. Laserite tööpõhimõte. Stimuleeritud ja spontaanne emissioon. Gaas, pidev pooljuht, gaasidünaamiline, rubiinlaser. Laserite kasutusvaldkonnad.
esitlus, lisatud 13.09.2016
Laseri loomise ajalugu. Laseri tööpõhimõte. Mõned laserkiirguse ainulaadsed omadused. Laserite rakendamine erinevates tehnoloogilistes protsessides. Laserite kasutamine juveelitööstuses, arvutitehnoloogias. Laserkiirte võimsus.
abstraktne, lisatud 17.12.2014
Laser on kvantgeneraator, mis kiirgab nähtavat ja infrapunakiirgust. Laserseadme skeem ja selle tööpõhimõte. Seadme ajutised töörežiimid, energiavarustuse sagedus. Laserite kasutamine erinevates teadus- ja tehnikaharudes.
abstraktne, lisatud 28.02.2011
Laserite kontseptsioon, klassifikatsioon omaduste järgi, põhiparameetrite omadused, nende eelised. Peeglite välise paigutusega laserite kavandamise põhjused. Gaasiheites toimuvate füüsikaliste protsesside kirjeldus, mis aitavad kaasa aktiivse keskkonna loomisele.
abstraktne, lisatud 13.01.2011
Pooljuhtmaterjalide ja kiirgusallikate omadused. Allika ühendamine kiuduga. Ühemoodiliste laserite konstruktsioonid, DBR laserite omadused. Fabry-Perot resonaatoriga mitmemoodilise laseri parameetrite arvutamine. Valgusdioodid (LED).
abstraktne, lisatud 11.06.2011
Lihtsaima tahkislaseri seade ja eesmärk; nende valmistamine rubiinidest, molübdaatidest, granaatidest. Tutvumine kristallide optiliste omaduste ja valguse tekke iseärasustega. Impulsslaseri energiaomaduste määramine.
abstraktne, lisatud 12.10.2011
Tutvumine elektromagnetilise kiirguse generaatorite loomise ajalooga. Elektriahela kirjeldus ja pooljuhtlaseri tööpõhimõtete uurimine. Laseri kasutamise meetodite käsitlemine aine mõjutamisel ja info edastamisel.
1) toimeaine; 2) pumpamisallikas, mis viib toimeaine ergastatud olekusse; 3) optiline resonaator, mis koosneb kahest üksteisega paralleelsest peeglist (joon. 20)
Riis. 20.
Heelium-neoonlaser on laser, mille aktiivne keskkond on heeliumi ja neooni segu. Heelium-neoonlasereid kasutatakse sageli laborikatsetes ja optikas. Selle töölainepikkus on 632,8 nm, mis asub nähtava spektri punases osas.
Heeliumi neoonlaserseade
Heelium-neoonlaseri töökeskkonnaks on heeliumi ja neooni segu vahekorras 5:1, mis paikneb klaaskolvis madala rõhu all (tavaliselt umbes 300 Pa). Pumba energiat varustatakse kahest umbes 1000-5000-voldise pingega (olenevalt toru pikkusest) elektrilaadijast, mis asuvad kolvi otstes. Sellise laseri resonaator koosneb tavaliselt kahest peeglist – täiesti läbipaistmatust pirni ühelt ja teiselt poolt, läbides endast umbes 1% seadme väljundi poolel langevast kiirgusest.
Heelium-neoonlaserid on kompaktsed, tüüpiline õõnsuse suurus on 15 cm kuni 2 m, nende väljundvõimsus varieerub 1 kuni 100 mW.
Tööpõhimõte
Heelium-neoon laser. Keskel asuv valguskiir on elektrilahendus.
Heeliumi ja neooni segu gaaslahenduses moodustuvad mõlema elemendi ergastatud aatomid. Selgub, et heeliumi 1 S 0 metastabiilse taseme ja neooni 2p 5 5s I kiirgustaseme energiad on ligikaudu võrdsed vastavalt 20,616 ja 20,661 eV. Ergastuse ülekandmine nende kahe oleku vahel toimub järgmises protsessis:
Ta* + Ne + DE Ta + Ne*
ja selle kasutegur osutub väga suureks (kus (*) tähistab ergastatud olekut ja DE on kahe aatomi energiatasemete erinevus.) Puuduv 0,05 eV võetakse aatomite liikumise kineetilisest energiast. 2p 5 5s I neoontaseme populatsioon suureneb ja muutub teatud hetkel suuremaks kui aluseks oleva 2p 5 3p I taseme populatsioon. Algab tasemepopulatsiooni inversioon – keskkond muutub lasergenereerimiseks võimeliseks.
Kui neoonaatom läheb 2p 5 5s I olekust 2p 5 3p I olekusse, kiirgub kiirgus lainepikkusega 632,816 nm. Neoonaatomi 2p 5 3p I olek on samuti lühikese elueaga kiirgav ja seetõttu ergastub see olek kiiresti 2p 5 3s tasemesüsteemi ja seejärel 2p 6 põhiolekusse kas resonantskiirguse (kiirguse) emissiooni tõttu. 2p 5 3s süsteemi tasemed) või seintega kokkupõrke tõttu (2p 5 3s süsteemi metastabiilsed tasemed).
Lisaks on resonaatorpeeglite õige valikuga võimalik saada laserit ka muudel lainepikkustel: sama 2p 5 5s I tase võib minna 2p 5 4p I nivooga footoni lainepikkusega 3,39 μm ja 2p 5 4s I tase, mis tekib kokkupõrkel teise metastabiilse heeliumi tasemega, võib minna tasemele 2p 5 3p I, kiirgades footoni lainepikkusega 1,15 μm. Samuti on võimalik saada laserkiirgust lainepikkustel 543,5 nm (roheline), 594 nm (kollane) või 612 nm (oranž).
Ribalaius, milles laseri töökeha kiirgusvõimenduse mõju säilib, on üsna kitsas ja on umbes 1,5 GHz, mis on seletatav Doppleri nihke olemasoluga. See omadus muudab heelium-neoonlaserid heaks kiirgusallikaks kasutamiseks holograafias, spektroskoopias ja ka vöötkoodilugejates.
rubiinlaser
Laser koosneb kolmest põhiosast: aktiivsest (töötavast) ainest, resonantssüsteemist, mis kujutab endast kahte paralleelset plaati, millele on ladestunud peegeldav kate, ja ergastus- (pumpamis)süsteemist, milleks on tavaliselt jõuallikaga ksenoonvälklamp.
Rubiin on alumiiniumoksiid, milles osa alumiiniumi aatomitest on asendatud kroomiaatomitega (Al2O3*Cr2O3). Toimeainena on kroomioonid Cr 3+. Kristalli värvus sõltub kroomi sisaldusest kristallis. Tavaliselt kasutatakse kahvaturoosa rubiini, mis sisaldab umbes 0,05% kroomi. Rubiinkristalli kasvatatakse spetsiaalsetes ahjudes, seejärel saadud toorik lõõmutatakse ja töödeldakse, andes sellele varda kuju. Varda pikkus varieerub 2–30 cm, läbimõõt on 0,5–2 cm.Lamedad otsad on tehtud rangelt paralleelselt, lihvitakse ja poleeritakse suure täpsusega. Mõnikord ei rakendata peegeldavaid pindu mitte peegeldavate plaatide eraldamiseks, vaid otse rubiinvarda otstele. Otste pinnad on hõbetatud ja ühe otsa pind on täielikult peegeldav, teine - osaliselt peegeldav. Tavaliselt on teise otsa valguse läbilaskvus umbes 10--25%, kuid see võib olla erinev.
Rubiinvarras asetatakse spiraalsesse ksenoonvälklampi, mille mähised katavad seda igast küljest. Lambi välk kestab millisekundeid. Selle aja jooksul kulutab lamp mitu tuhat džauli energiat, millest suurem osa kulub seadme soojendamisele. Teise, väiksema osa, sinise ja rohelise kiirguse kujul, neelab rubiin. See energia annab kroomiioonide ergastamise.
Normaalses ergastamata olekus on kroomioonid alumisel tasemel 1. Kui rubiini kiiritatakse ksenoonlambi valgusega, mis sisaldab spektri rohelist osa, ergastuvad kroomi aatomid ja lähevad ülemisele tasemele 3, mis vastab valguse neeldumine lainepikkusega 5600 A. Selle taseme neeldumisriba laius on umbes 800 A.
Alates 3. tasemest naaseb osa ergastatud kroomi aatomeid taas põhitasemele 1 ja osa 2. tasemele. See on nn mittekiirguslik üleminek, mille käigus kroomiioonid loovutavad osa oma energiast kristallvõrele. soojuse vorm. Tõenäosus jõuda tasemelt 3 tasemele 2 on 200 korda suurem ja tasemelt 2 tasemele 1 300 korda väiksem kui tasemelt 3 tasemele 1. Selle tulemusena on 2. tase rohkem asustatud kui tase 1. Teisisõnu, aastal teisisõnu, populatsioon osutub pöördvõrdeliseks ja intensiivseteks indutseeritud üleminekuteks luuakse vajalikud tingimused.
Selline süsteem on äärmiselt ebastabiilne. Spontaansete üleminekute tõenäosus igal ajahetkel on väga suur. Esimene footon, mis ilmnes spontaanse ülemineku käigus, vastavalt indutseeritud kiirguse seadusele, lööb naaberaatomilt välja teise footoni, viies kiirgava aatomi põhiolekusse. Siis löövad need kaks footonit välja veel kaks, pärast seda on neli jne. Protsess koguneb peaaegu silmapilkselt. Esimene kiirguslaine, mis on jõudnud peegelduspinnale, pöördub tagasi ja põhjustab indutseeritud üleminekute arvu ja kiirguse intensiivsuse edasist suurenemist. Peegeldus resonaatori peegelpindadelt kordub mitu korda ja kui peegeldumisel kaob võimsuskaod, mis on põhjustatud peegeldavate katete ebatäiuslikkusest, samuti varda ühe otsa läbipaistvus, mille kaudu kiirgusvoog välja pääseb. juba genereerimise alguses ei ületa alustava genereerimise tulemusel omandatud võimsust, laservarras moodustuv kiir, siis generatsioon suureneb ja võimsus suureneb kuni enamuse ergastatud osakeste aktiivsest. aine (kroomioonid) loovutavad ergastamise hetkel omandatud energia. Väga suure intensiivsusega tala murdub läbi varda osaliselt hõbetatud otsa. Kiire suund on rubiini teljega rangelt paralleelne.
Need footonid, mille levimise suund nende esinemise alguses ei langenud kokku varda teljega, väljuvad läbi varda külgseinte, põhjustamata märgatavat teket.
Just moodustunud valguslaine korduv läbimine resonaatori otsaseinte vahel ilma olulise kõrvalekaldeta varda teljest annab kiirele range suunatavuse ja tohutu väljundvõimsuse.
Tutvumine heelium-neoonlaseri tööpõhimõttega ja laserkiirguse omaduste uurimisega.Antud gaasisegu puhul on resonantsenergia ülekande tingimused tasemete jaoks täidetud
2 1s (He) → 3s (Ne) , 2 3s (He) → 2s (Ne)
Gaaslahenduse tulemusena asustatud tasemed 2 1 s ja 2 3 s elektronlöökidega. Ergastatud heeliumi aatomite mitteelastsetes kokkupõrgetes neoonaatomitega ergastuvad viimased ja asustatud metastabiilsed tasemed 2s ja 3s:
Ta * + Ne → Ta + Ne * (2s) + Ne * (3s)
Kuigi neooni 2p ja 3p tasemed on asustatud ka elektronide mõjudega, mis vähendab populatsiooni erinevust 2s, 3s ja 2p, 3p tasemete vahel, on selle protsessi efektiivsus võrreldes protsessiga (7.11) madal. See saavutatakse sellega, et neooni osarõhk (~10 Pa) on palju väiksem kui heeliumi osarõhk (~100 Pa), millega seoses ületab heeliumi kontsentratsioon oluliselt neooni kontsentratsiooni.
Taseme energiadefekti (2 1 s → 2s) tõttu, mis ületab oluliselt kT, ei ole protsessi (7.11) tulemus kaugeltki soovitav. Seda kompenseerib aga ergastatud Ne aatomite pikem eluiga 2s ja 3s tasemel, mis koosnevad neljast alamtasemest, võrreldes 2p ja 3p tasemetega. Näiteks neooni eluiga 2s 2 tasemel on 9,6 * 10 -8 s ja 2p 4 tasemel 1,2 x 10 -8 s.
Kui toimub 2s ja 3s taseme pöördpopulatsioon, toimuvad kiirgusüleminekud 2p ja 3p tasemetele järgmiste lainepikkustega:
2s 2 → 3p 4 λ 2 = 3,39 µm
3s 2 → 2p 4 λ 3 = 0,6328 µm
"Kulutatud" aatomid läbivad spontaanse emissiooni tasemetelt 3p ja 2p metastabiilsele tasemele 1s. Osakeste valamu 1s tasemelt tagatakse peamiselt difusiooni teel seintele.
Gaaslaseri konstruktsiooni skeem on näidatud joonisel fig. 7.6.
Kuna tühjenemise käigus tekivad suvalise sagedusega footonid, siis leidub ka footoneid lainepikkustega λ 1 , λ 2 ja λ 3, mis langevad kokku vastavate üleminekute lainepikkustega. Need põhjustavad indutseeritud üleminekut samade lainevektorite k "sageduste, faaside ja suundadega footonite moodustumisega. Kui laine ilmub sagedusega, näiteks ω 3 \u003d c / λ 3, levib see mööda toru ja peegeldub peeglist Peeglite vaheline kaugus valitakse poole lainepikkuse kordsena, mis tagab resonaatori (optilises vahemikus võnkeahel) ergastuse sellel konkreetsel lainepikkusel.
Peeglitelt peegelduv laine jõuab antud punkti primaarsega samas faasis, pakkudes positiivset ühendust. Toimub footonite akumulatsioon, see tähendab monokromaatilise laine energia. Ahela kõrge kvaliteediteguri tõttu, ulatudes kümnete tuhandete ühikuteni, muutub võnkeamplituud üsna suureks. Brewsteri nurga all paiknevate gaaslahendustoru väljundakende olemasolu eristab lainete lineaarset polarisatsiooni teatud tasapinnal ja seetõttu ei läbi erineva polarisatsiooniga lained poolläbipaistvat peeglit 2, mis edastab ainult 4 -5% kiirguse intensiivsusest ja ülejäänud 96% läheb genereerimisprotsessi säilitamiseks.
Kiirguskadude suurenemine λ 2 lainel (võimendus 2s 2 → 3p 1 üleminekul on suur võrreldes võimendusega üleminekul 3s 2 → 2p 4) saavutatakse nii Brewsteri nurga all asuvate akende kasutamisega kui ka sobival viisil. resonaatori detuunimine. Selle kiirguse olemasolu aga vähendab laseri efektiivsust nähtavas optilises piirkonnas.
Kiirguse lainepikkus määratakse peamiste difraktsioonimaksimumide seisundi järgi
Difraktsiooninurk arvutatakse valemiga
φ = arctg h i / l
Siin on kaugus ekraani ja difraktsioonvõre vahel,
h i - nulli ja i-nda maksimumi vaheline kaugus (i = 1, 2,...).
Valemi (7.12) järgi arvutatakse kiirguse lainepikkus.
Laserkiire väikest nurkdivergentsi saab hinnata, asetades ekraanid laserist erinevatele kaugustele (joon. 7.9) ja mõõtes kiirguspunkti raadiust.Teades ekraanide vahelist kaugust l ja ekraanidel olevate valgustäppide läbimõõtu d, on võimalik valemiga määrata valgusvihu nurkdivergents
I \u003d I o * cos 2 α
Lugege teavet labori tabelil (punkt 1). Lülitage laser sisse õpetaja või laborandi juuresolekul.
Ühendage toiteplokk 3 (vt joonis 7.7). Seadke toiteallika lülituslüliti "võrk" asendisse "sees". Ekraanile 12 peaks ilmuma hele koht. 7-10 minuti pärast on laser töövalmis.
Heelium-neoonlaser - koos dioodi või pooljuhiga - on spektri nähtava piirkonna jaoks üks levinumaid ja taskukohasemaid lasereid. Seda tüüpi, peamiselt kaubanduslikuks otstarbeks mõeldud lasersüsteemide võimsus jääb vahemikku 1 mW kuni mitukümmend mW. Eriti populaarsed on väiksema võimsusega He-Ne laserid suurusjärgus 1 mW, mida kasutatakse peamiselt tsiteerimisseadmetena, aga ka muude mõõtetehnika valdkonna probleemide lahendamiseks. Infrapuna- ja punases vahemikus asendatakse heelium-neoonlaser üha enam dioodlaseriga. He-Ne laserid on võimelised kiirgama lisaks punastele joontele ka oranže, kollaseid ja rohelisi jooni, mis saavutatakse tänu sobivatele selektiivpeeglitele.
Energiataseme diagramm
Heeliumi ja neooni energiatasemed, mis on He-Ne laserite toimimiseks kõige olulisemad, on näidatud joonistel fig. 1. Laseri üleminekud toimuvad neooni aatomis, kusjuures kõige intensiivsemad jooned tulenevad üleminekutest lainepikkustega 633, 1153 ja 3391 (vt tabel 1).
Neooni elektrooniline konfiguratsioon põhiolekus näeb välja järgmine: 1 s 2 2s 2 2lk 6 ja esimene kest ( n= 1) ja teine kest ( n= 2) on täidetud vastavalt kahe ja kaheksa elektroniga. Kõrgemad olekud vastavalt joonisele fig. 1 tekivad selle tulemusena, et on olemas 1 s 2 2s 2 2lk 5 on kest ja helendav (optiline) elektron ergastatakse vastavalt skeemile: 3 s, 4s, 5s,..., Z R, 4R,... jne. Me räägime seega üheelektroni olekust, mis teostab ühenduse kestaga. LS-skeemis (Russell-Saunders) on neooni energiatasemete jaoks näidatud üheelektroni olek (näiteks 5 s), samuti saadud orbitaalmomenti L (= S, P, D...). Tähistuses S, P, D, ... näitab alumine indeks orbiidi kogumomenti J ja ülemine indeks kordsust 2S + 1, näiteks 5 s 1 P 1 . Sageli kasutatakse Pascheni järgi puhtfenomenoloogilist tähistust (joon. 1). Sel juhul loetakse ergastatud elektrooniliste olekute alamtasemeid 2 kuni 5 (s-olekute puhul) ja 1 kuni 10 (p-olekute puhul).
Ergastus
Heelium-neoonlaseri aktiivaine on gaasisegu, millele elektrilahendusena antakse vajalik energia. Ülemised laseri nivood (Pascheni järgi 2s ja 2p) asustatakse valikuliselt metastabiilsete heeliumi aatomitega (2 3 S 1, 2 1 S 0) kokkupõrgete alusel. Nende kokkupõrgete käigus ei toimu mitte ainult kineetilise energia vahetus, vaid ka energia ülekandmine ergastatud heeliumi aatomitelt neoonaatomitele. Seda protsessi nimetatakse teist tüüpi kokkupõrkeks:
Ta* + Ne -> Ta + Ne* + ΔE, (1)
kus tärn (*) sümboliseerib erutatud olekut. Energiaerinevus 2s taseme ergastuse korral on: &DeltaE=0,05 eV. Kokkupõrkel muudetakse olemasolev erinevus kineetiliseks energiaks, mis seejärel soojuse kujul jaotub. 3-tasemel toimuvad identsed suhted. Selline resonantsenergia ülekanne heeliumist neoonile on peamine pumpamisprotsess populatsiooni inversiooni loomisel. Sel juhul avaldab metastabiilse seisundi He pikk eluiga soodsat mõju ülemise lasertaseme populatsiooni selektiivsusele.
He-aatomite ergastamine toimub elektronide kokkupõrke alusel, kas otse või täiendavate kaskaadüleminekute kaudu kõrgematelt tasanditelt. Pikaealiste metastabiilsete olekute tõttu on heeliumi aatomite tihedus nendes olekutes väga kõrge. Ülemised laseri nivood 2s ja 3s võivad – vastavalt elektriliste Doppleri üleminekute valikureeglitele – üle minna ainult madalamatele p-tasemetele. Laserkiirguse edukaks genereerimiseks on äärmiselt oluline, et s-olekute eluiga (ülemine laseritase) = ligikaudu 100 ns ületaks p-olekute eluea (alumine laseritase) = 10 ns.
Lainepikkused
Järgmisena käsitleme üksikasjalikumalt kõige olulisemaid laseri üleminekuid, kasutades joonist fig. 1 ja andmed tabelist 1. Tuntuim joon spektri punases piirkonnas (0,63 μm) on tingitud üleminekust 3s 2 → 2p 4 . Alumine tase jaguneb spontaanse emissiooni tulemusena 10 ns jooksul 1s tasemeks (joonis 1). Viimane on vastupidav elektridipoolkiirgusest tingitud lõhenemisele, mistõttu on sellel pikk loomulik eluiga. Seetõttu on aatomid koondunud sellesse olekusse, mis osutub väga asustatud. Gaaslahenduses põrkuvad selles olekus aatomid elektronidega ning seejärel ergastuvad taas 2p ja 3s tasemed. Sel juhul populatsiooni inversioon väheneb, mis piirab laseri võimsust. Ls-oleku ammendumine toimub heelium-neoonlaserites peamiselt kokkupõrgete tõttu gaaslahendustoru seinaga ja seetõttu täheldatakse toru läbimõõdu suurenemisel võimenduse ja efektiivsuse vähenemist. Seetõttu on praktikas läbimõõt piiratud umbes 1 mm-ga, mis omakorda piirab He-Ne laserite väljundvõimsust mitmekümne mW-ni.
Laseri üleminekus osalevad elektroonilised konfiguratsioonid 2s, 3s, 2p ja 3p on jagatud arvukateks alamtasanditeks. See viib näiteks edasiste üleminekuteni spektri nähtavas piirkonnas, nagu on näha tabelist 2. He-Ne laseri kõigi nähtavate joonte puhul on kvantefektiivsus suurusjärgus 10%, mis ei ole väga kõrge. Tasemediagramm (joonis 1) näitab, et laseri ülemised nivood on ligikaudu 20 eV põhiolekust kõrgemal. Punase laserkiirguse energia on vaid 2 eV.
Tabel 2. He-Ne laseri lainepikkused λ, väljundvõimsused ja joone laiused Δ ƒ (Pascheni ülemineku tähis)
| Värv | λ nm |
Üleminek (Pasheni järgi) |
Võimsus mW |
Δ ƒ MHz |
Kasu %/m |
| Infrapuna | 3 391 | 3s 2 → 3lk 4 | > 10 | 280 | 10 000 |
| Infrapuna | 1 523 | 2s 2 → 2lk 1 | 1 | 625 | |
| Infrapuna | 1 153 | 2s 2 → 2lk 4 | 1 | 825 | |
| Punane | 640 | 3s 2 → 2lk 2 | |||
| Punane | 635 | 3s 2 → 2lk 3 | |||
| Punane | 633 | 3s 2 → 2lk 4 | > 10 | 1500 | 10 |
| Punane | 629 | 3s 2 → 2lk 5 | |||
| Oranž | 612 | 3s 2 → 2lk 6 | 1 | 1 550 | 1.7 |
| Oranž | 604 | 3s 2 → 2lk 7 | |||
| Kollane | 594 | 3s 2 → 2lk 8 | 1 | 1 600 | 0.5 |
| Kollane | 543 | 3s 2 → 2lk 10 | 1 | 1 750 | 0.5 |
Umbes 1,157 µm infrapunakiirguse ulatus tekib üleminekute 2s → 2p kaudu. Sama kehtib ka veidi nõrgema joone kohta umbes 1,512 µm. Mõlemad infrapunaliinid leiavad kasutust kaubanduslikes laserites.
Iseloomulik joon IR-vahemikus 3,391 μm juures on suur võimendus. Nõrkade signaalide piirkonnas, st nõrkade valgussignaalide ühekordse läbimise korral, on see umbes 20 dB / m. See vastab 1 meetri pikkuse laseri tegurile 100. Laseri ülemine tase on sama, mis teadaoleva punase ülemineku korral (0,63 µm). Ühest küljest on kõrge võimenduse põhjuseks äärmiselt lühike eluiga madalamal 3p tasemel. Teisest küljest on selle põhjuseks suhteliselt pikk lainepikkus ja vastavalt ka kiirguse madal sagedus. Tavaliselt suureneb stimuleeritud ja spontaansete emissioonide suhe madalatel sagedustel ƒ. Nõrkade signaalide g võimendus on reeglina võrdeline g ~ƒ 2 -ga.
Ilma selektiivsete elementideta kiirgaks He-Ne laser joonel 3,39 µm ja mitte punases piirkonnas 0,63 µm juures. Infrapunajoone ergastamist takistab kas selektiivne õõnsuspeegel või neeldumine gaaslahendustoru Brewsteri akendes. Tänu sellele saab laseri genereerimise läve tõsta 3,39 μm kiirguse jaoks piisava tasemeni, nii et siia tekib vaid nõrgem punane joon.
Disain
Ergastamiseks vajalikud elektronid moodustuvad gaaslahenduses (joonis 2), mida saab kasutada ca 12 kV pingega voolude 5-10 mA juures. Tüüpiline tühjenemise pikkus on 10 cm või rohkem, tühjenduskapillaaride läbimõõt on umbes 1 mm ja vastab väljastatava laserkiire läbimõõdule. Gaaslahendustoru läbimõõdu suurenedes efektiivsus väheneb, kuna ls taseme tühjendamiseks on vaja kokkupõrkeid toru seinaga. Optimaalse väljundvõimsuse saavutamiseks kasutatakse kogu täitmisrõhku (p): p·D = 500 Pa·mm, kus D on toru läbimõõt. He/Ne segu suhe sõltub soovitud laserjoonest. Tuntud punase joone jaoks on He: Ne = 5:l ja infrapunajoone jaoks umbes 1,15 µm - He:Ne = 10:l. Oluline aspekt on ka voolutiheduse optimeerimine. 633 nm joone kasutegur on umbes 0,1%, kuna ergastusprotsess pole sel juhul eriti tõhus. Heelium-neoonlaseri kasutusiga on umbes 20 000 töötundi.
|
Riis. 2. He-Ne laseri projekteerimine polariseeritud kiirguse jaoks vahemikus mW
Nendes tingimustes on võimendus g=0,1 m -1, seega on vaja kasutada tugevalt peegeldavaid peegleid. Laserkiirest väljumiseks paigaldatakse sinna ainult ühele küljele osaliselt läbilaskev (poolläbipaistev) peegel (näiteks R = 98%) ja teisele poole võimalikult suure peegeldusvõimega (~ 100%) peegel. Teiste nähtavate üleminekute võimendus on palju väiksem (vt tabel 2). Kaubanduslikel eesmärkidel on need jooned saadud alles viimastel aastatel peeglite abil, mis eristuvad äärmiselt väikeste kadude poolest.
Varem kinnitati heelium-neoonlaseris tühjendustoru väljundaknad epoksüvaiguga ja peeglid paigaldati väljapoole. See põhjustas heeliumi difundeerumise läbi liimi ja veeauru sisenes laserisse. Tänapäeval kinnitatakse need aknad metalli otse keevitamise teel klaasile, mis vähendab heeliumi leket umbes 1 Pa-ni aastas. Väikeste masstoodanguna toodetud laserite puhul kantakse peegelkate otse väljundakendele, mis lihtsustab oluliselt kogu disaini.
Tala omadused
Polarisatsiooni suuna valimiseks on gaaslahenduslamp varustatud kahe kaldu paigutatud aknaga või, nagu on näidatud joonisel fig. 2, resonaatorisse sisestatakse Brewsteri plaat. Peegeldusvõime optilisel pinnal kaob, kui valgus langeb nn Brewsteri nurga all ja polariseerub langemistasandiga paralleelselt. Seega läbib selle polarisatsioonisuunaga kiirgus Brewsteri aknast kadudeta. Samal ajal on langemistasandiga risti polariseeritud komponendi peegeldusvõime üsna kõrge ja see on laseris alla surutud.
Polarisatsiooni suhe (kraad) (polarisatsioonisuunalise võimsuse ja selle suunaga risti oleva võimsuse suhe) on tavapäraste kommertssüsteemide puhul 1000:1. Kui laser töötab ilma sisepeeglitega Brewsteri plaatideta, tekib polariseerimata kiirgus.
Laser genereerib tavaliselt põikisuunalises TEM 00 režiimis (madalaima järjekorra režiim) ja korraga moodustub mitu pikisuunalist (aksiaalset) režiimi. Kui peeglite vaheline kaugus (laserresonaatori pikkus) L = 30 cm, on intermode sagedusvahemik Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. Kesksagedus on tasemel 4,7·10 14 Hz. Kuna valguse võimendus võib toimuda vahemikus Δ ƒ = 1500 MHz (Doppleri laius), kiirgatakse kolm erinevat sagedust L = 30CM juures: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. Kui kasutada väiksemat vahemaad peeglite vahel (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.
Umbes 10 mW heelium-neoonlasereid kasutatakse sageli interferomeetrias või holograafias. Selliste masstoodanguna toodetud laserite koherentsuspikkus on 20–30 cm, mis on väikeste objektide holograafiaks täiesti piisav. Suuremad koherentsuse pikkused saadakse jadasagedusselektiivsete elementide abil.
Kui peeglitevaheline optiline kaugus termiliste või muude mõjude mõjul muutub, nihkuvad laserresonaatori aksiaalsed omasagedused. Ühesagedusliku genereerimisega ei saavutata siin stabiilset kiirgussagedust - see liigub kontrollimatult 1500 MHz joonelaiuse vahemikus. Täiendava elektroonilise juhtimisega saab sageduse stabiliseerida just liini keskel (kommertssüsteemide sageduse stabiilsus võib olla mitu MHz). Uurimislaborites on mõnikord võimalik heelium-neoonlaserit stabiliseerida vahemikku alla 1 Hz.
Sobivate peeglite abil saab laservalguse tekitamiseks ergutada tabelis 4.2 toodud erinevaid jooni. Kõige sagedamini kasutatav nähtav joon on umbes 633 nm, mille tüüpiline võimsus on mitu millivatti. Pärast umbes 633 nm intensiivse laserjoone mahasurumist võivad selektiivpeeglite või prismade kasutamise tõttu resonaatorisse ilmuda teised nähtavas piirkonnas olevad jooned (vt tabel 2). Nende liinide väljundvõimsused on aga vaid 10% raske liini väljundvõimsusest või isegi vähem.
Kaubanduslikud heeliumi neoonlaserid on saadaval erinevate lainepikkustega. Lisaks neile on olemas ka laserid, mis genereerivad paljudel liinidel ja on võimelised kiirgama mitme lainepikkusega laineid erinevates kombinatsioonides. Häälestatavate He-Ne laserite puhul tehakse ettepanek valida vajalik lainepikkus prismat keerates.
