Articles

15.6: laserul cu heliu-Neon

laserul He-Ne a fost primul laser cu undă continuă (cw) inventat. La câteva luni după ce Maiman și-a anunțat invenția laserului cu rubin pulsat, Ali Javan și asociații săi W. R. Bennet și D. R. Herriott au anunțat crearea unui laser CW He-Ne. Acest laser cu gaz este un laser pe patru niveluri care utilizează atomi de heliu pentru a excita atomii de neon. Tranzițiile atomice din neon sunt cele care produc lumina laser. Cea mai frecvent utilizată tranziție de neon în aceste lasere produce lumină roșie la 632,8 nm. Dar aceste lasere pot produce, de asemenea, lumină verde și galbenă în vizibil, precum și UV și IR (primul he-Ne al lui Javan a funcționat în IR la 1152,3 nm). Prin utilizarea oglinzilor foarte reflectorizante concepute pentru una dintre aceste multe tranziții posibile lasing, o ieșire dată a lui He-Ne este făcută să funcționeze la o singură lungime de undă.

laserele He-Ne produc de obicei câteva până la zeci de mW (milli-Watt, sau \(10^{-3}\) W) de putere. Nu sunt surse de lumină laser de mare putere. Probabil una dintre cele mai importante caracteristici ale acestor lasere este că sunt foarte stabile, atât în ceea ce privește lungimea lor de undă (stabilitatea modului), cât și intensitatea luminii lor de ieșire (jitter scăzut la nivel de putere). Din aceste motive, laserele He-Ne sunt adesea folosite pentru a stabiliza alte lasere. Ele sunt, de asemenea, utilizate în aplicații, cum ar fi holografia, unde stabilitatea modului este importantă. Până la mijlocul anilor 1990, laserele He-Ne erau tipul dominant de lasere produse pentru aplicații cu putere redusă – de la găsirea gamei la scanare la transmisie optică, la indicatoare laser etc. Recent, cu toate acestea, alte tipuri de lasere, mai ales lasere semiconductoare, par să fi câștigat competiția din cauza costurilor reduse.

diagrama nivelului de energie de mai sus arată cele două stări excitate ale atomului de heliu, 2 3S și 2 1s, care se populează ca urmare a pompării electromagnetice în descărcare. Ambele stări sunt metastabile și nu permit de-excitații prin tranziții radiative. În schimb, atomii de heliu își degajă energia atomilor de neon prin excitație colizională. În acest fel, nivelurile 4S și 5S din neon se populează. Acestea sunt cele două niveluri superioare lasing, fiecare pentru un set separat de tranziții lasing. Dezintegrarea radiativă de la nivelurile 5s la 4S este interzisă. Deci, nivelurile 4P și 3p servesc ca niveluri inferioare de lasing și se descompun rapid în nivelul 3S metastabil. În acest fel inversarea populației este ușor de realizat în He-Ne. Tranziția laser de 632,8 nm, de exemplu, implică nivelurile 5s și 3p, așa cum se arată mai sus.

în majoritatea laserelor He-Ne, gazul, un amestec de 5 părți heliu la 1 parte neon, este conținut într-un tub de sticlă sigilat cu un alezaj îngust (cu diametrul de 2 până la 3 mm) care este conectat la un tub de dimensiuni mai mari numit balast, așa cum se arată mai sus. De obicei, oglinzile cu cavitate optică ale laserului, reflectorul înalt și cuplajul de ieșire, formează cele două capace de etanșare pentru tubul cu alezaj îngust. Electrozii de înaltă tensiune creează o descărcare electrică îngustă de-a lungul lungimii acestui tub, care duce apoi la fasciculul îngust de lumină laser. Funcția balastului este de a menține amestecul de gaze dorit. Deoarece unii dintre atomi pot fi încorporați în sticlă și/sau electrozi pe măsură ce accelerează în descărcare, în absența unui balast, tubul nu va dura foarte mult. Pentru a prelungi și mai mult durata de viață a tubului, unele dintre aceste lasere folosesc, de asemenea, „getters”, adesea metale precum titanul, care absorb impuritățile din gaz.

fotografia de mai sus prezintă un tub comercial He-Ne. Cilindrul mai gros cel mai apropiat de contorul-stick (prezentat pentru scară) este balastul. Tubul mai subțire găzduiește cavitatea rezonantă în cazul în care are loc lasing. Observați cele două oglinzi care sigilează cele două capete ale găurii. Din motive de stabilitate a modului, aceste oglinzi sunt concave; ele servesc ca cuplaj de ieșire și reflector înalt.

Un He-Ne tipic disponibil comercial produce aproximativ câțiva mW de lumină de 632,8 nm cu o lățime a fasciculului de câțiva milimetri la o eficiență globală de aproape 0,1%. Aceasta înseamnă că pentru fiecare 1 Watt de putere de intrare de la sursa de alimentare, se produce 1 mW de lumină laser. Totuși, datorită duratei lor lungi de funcționare de 20.000 de ore sau mai mult și a costului lor relativ scăzut de fabricație, laserele He-Ne sunt printre cele mai populare lasere cu gaz.