Принцип работы гелий-неонового лазера
Гелий-неоновый лазер (He-Ne лазер) представляет собой один из первых типов газовых лазеров, в котором активной средой служит смесь инертных газов — гелия (He) и неона (Ne), заключённая в стеклянный резонатор. Генерация излучения в этом лазере осуществляется за счёт резонансной передачи энергии между атомами гелия и неона.
Основу механизма возбуждения составляет неон, именно его атомы излучают когерентный свет. Однако прямая накачка неона в условиях газового разряда неэффективна. Поэтому используется энергия, передаваемая от возбужденных атомов гелия, которые легче возбуждаются при столкновениях с электронами в разряде. Это становится возможным благодаря близости энергетических уровней возбуждения: метастабильные уровни гелия (2¹S и 2³S) совпадают по энергии с верхними лазерными уровнями неона (3s), что делает вероятность резонансной передачи энергии при столкновениях достаточно высокой. После захвата энергии атомы неона переходят на верхние лазерные уровни, откуда осуществляется спонтанное или индуцированное излучение фотонов на характерной длине волны.
Конструкция и состав активной среды
Активная среда представляет собой смесь гелия и неона в определённой пропорции, обычно около 5:1 по давлению (например, 1 торр гелия и 0,2 торра неона). Такая пропорция обеспечивает оптимальный баланс между эффективной передачей энергии и временем жизни возбуждённых состояний атомов неона. Давление газа, как и длина резонатора, подбираются исходя из условий устойчивости генерации и минимальных потерь.
Разрядная трубка обычно выполнена из боросиликатного стекла или кварца, с впаянными электродами из инертных материалов (например, молибдена), чтобы избежать загрязнения газа. Внутри трубки создаётся тлеющий разряд постоянного тока, обеспечивающий непрерывную накачку активной среды.
Энергетическая схема и переходы
Ключевые энергетические уровни в He-Ne лазере связаны с переходом между возбужденными состояниями атома неона: из уровня 3s (верхний лазерный уровень) на уровень 2p (нижний лазерный уровень), с последующим переходом на основной уровень. Наиболее широко используется переход 3s₂ → 2p₄, соответствующий длине волны 632.8 нм — в красной области спектра. Это излучение является доминирующим в коммерческих гелий-неоновых лазерах.
Также возможна генерация на других длинах волн, например:
Однако такие длины волн требуют более сложной селекции мод и использования специальных зеркал, и используются в специализированных исследованиях или устройствах.
Роль оптического резонатора
Резонатор He-Ne лазера формируется двумя зеркалами, одно из которых полностью отражающее, а второе — частично прозрачное (выходное). Обычно используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, высоко отражающие на длине волны 632.8 нм и поглощающие на остальных длинах волн. Расстояние между зеркалами (длина резонатора) подбирается так, чтобы обеспечить устойчивый резонанс и поддержку нужной поперечной моды (обычно TEM₀₀).
Резонатор не только усиливает излучение за счёт многократного прохождения фотонов через активную среду, но и определяет спектральные и пространственные характеристики пучка. С помощью пространственных фильтров и апертур можно добиться селекции по модам и сформировать гауссов пучок высокой степени когерентности.
Коэффициент усиления и потери
Коэффициент усиления в He-Ne лазерах невелик — порядка 0.1% на проход. Поэтому потери в системе должны быть минимизированы: это касается качества зеркал, чистоты газа, геометрии трубки и качества покрытия внутренних стенок. В связи с этим гелий-неоновые лазеры требуют высокой точности изготовления и герметичности конструкции. Типичная длина активной трубки — 15–50 см, что обусловлено необходимостью достичь условия, при которых усиление превышает потери.
Спектральные и пространственные характеристики излучения
He-Ne лазеры генерируют излучение с чрезвычайно узкой спектральной линией — около 1.5 Гц для стабилизированных систем и порядка нескольких сотен кГц в обычных лабораторных установках. Это обусловлено как высокой добротностью резонатора, так и однородностью активной среды. Пространственная когерентность излучения также очень высокая, что позволяет использовать He-Ne лазеры в голографии, интерферометрии, прецизионной оптике и метрологии.
Излучение формируется в виде гауссового пучка TEM₀₀, обладающего хорошей фокусируемостью и минимальной расходимостью. Угловая дивергенция пучка — порядка 1 мрад или менее, что делает возможным его использование на больших расстояниях без существенных потерь в плотности энергии.
Стабильность и шумовые характеристики
He-Ne лазеры известны своей высокой стабильностью, как по интенсивности, так и по частоте. Однако для сверхточных приложений требуется термостабилизация корпуса и использование частотно-селективных элементов в резонаторе. Частотная стабилизация осуществляется с помощью эффектов дисперсии или модовой интерференции, таких как метод стабилизации по нулю производной сигнала поглощения в дополнительной ячейке.
Флуктуации интенсивности (релаксационные колебания) подавляются за счёт оптимального соотношения между временем жизни верхнего лазерного уровня и временем прохождения фотонов в резонаторе. В типичной конфигурации He-Ne лазера шум составляет менее 0.5% от средней интенсивности, что делает его пригодным для точных измерений.
Области применения
Гелий-неоновые лазеры находят широкое применение благодаря своей простоте, надёжности и высоким характеристикам излучения:
Преимущества и ограничения
К числу основных преимуществ He-Ne лазеров относятся:
Однако имеются и ограничения:
Тем не менее, гелий-неоновые лазеры остаются незаменимыми в ряде научных и технологических приложений и продолжают использоваться несмотря на появление новых твердотельных и полупроводниковых источников. Их высокая стабильность и предсказуемость делают их эталонным источником когерентного света во многих областях физики.