Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер.
Основным элементом гелий-неонового лазера непрерывного
действия является трубка 2 (рис.3), наполненная смесью гелия и неона с парциальными давлениями порядка 1 и 0,1 мм.рт.ст., соответственно. Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными пластинами 3, установленными под углом Брюстера к ее оси.
Накачка в газовом лазере осуществляется за счет энергии источника питания, поддерживающего тлеющий разряд между катодом 4 и анодом 5. Разряд в трубке возникает при 1,5-2,0 кВ. Разрядный ток трубки составляет десятки миллиампер.
Рабочими атомами гелий-неонового лазера являются атомы
неона, излучающие красные фотоны (λ =632,8 нм), На рис. 4 приведена упрощенная схема уровней атомов неона и гелия.
В чистом неоне заселение состояний 3S при накачке малоэффективно, поскольку этот уровень имеет малое время жизни, и атом неона спонтанно переходит в состояние 2Р.
Ситуация меняется, когда к неону добавляют гелий. Энергия уровня 2S гелия равна энергии уровня 3S неона. Уровень же энергии 2S гелия является долгоживущим и эффективно заселяется при накачке. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона энергия передается атомам неона. В результате создается инверсная заселенность рабочего уровня 3S неона.
18,6
Рис.4
После этого в активной среде происходят многочисленные акты спонтанных переходов 3S→2P, появляющиеся фотоны (λ=632,8 нм) приводят к вынужденным переходам. Те фотоны, которые движутся под некоторым углом к оси трубки, не участвуют в получении луча лазера. Формирование луча лазера идет только за счет фотонов, испускаемых вдоль оси трубки.
Усиление луча идет значительно быстрее, если свет возвращать обратно в активную среду, где он снова будет усиливаться за счет вынужденных переходов. О такой ситуации говорят как об обратной связи. Для создания положительной обратной связи в лазерах используют оптический резонатор, который представляет собой два зеркала 1 (рис.3).
Нарастание интенсивности вынужденного излучения происходит лавинообразно, и она становится существенно больше интенсивности спонтанного излучения, которое в дальнейшем можно не учитывать.
Генерация луча лазера начинается в тот момент, когда увеличение энергии излучения за счет вынужденных переходов превосходит потери энергии за каждый проход резонатора. Для вывода луча из резонатора одно из зеркал 1 делается полупрозрачным. Поверхности обоих зеркал покрыты пленками, толщина которых подбирается таким образом, чтобы отражались волны нужной длины волны, а все другие гасились.
Прозрачность зеркал резонатора обычно меньше 1%.
Характеристики лазерного излучения.
Когерентность излучения
Высокая когерентность лазерного излучения обусловлена свойствами вынужденного излучения: возникающие новые фотоны согласованы с падающими по фазе. Таким образом, волны, излученные разными атомами, оказываются согласованными по фазе, т.е. когерентными.