11.3.1. Гелий-неоновый лазер

Гелий-неоновые лазеры, излучающие непрерывное излучение в красном диапазоне видимого спектра  = 0,6328 мкм находят широкое применения:

• для юстировки лазерной и оптической аппаратуры,

• в разнообразных интерференционных измерениях,

• в медицине для терапии низко интенсивным лазерным излучением,

• для демонстрации явлений дифракции, интерференции и других оптических явлений в учебных целях.

Период колебаний излучения специального одночастотного гелий-неонового лазера, стабилизированного по частоте, служит эталоном времени, а длина волны его излучения – эталоном длины. Независимые измерения частоты и длины волны излучения такого лазера дают самое точное из известных значение важнейшей фундаментальной физической константы – скорости света в вакууме (с = ).

Рис. 11.2. Схема первого гелий-неонового лазера, созданного Джаваном с сотрудниками [1].

В первом гелий-неоновом лазере, генерирующем непрерывное излучение и созданном в 1961 г., (через несколько месяцев после создания первого рубинового лазера), газовый разряд возбуждался напряжением высокой частоты около 30 МГц. Разрядная трубка длиной около метра была заполнена гелием и неоном под общим давлением около 1 мм рт.ст. Цилиндрические электроды, присоединенные к генератору высокой частоты, размещались снаружи трубки. Два плоские диэлектрические зеркала имели коэффициент отражения близкий к 1 на рабочей длине волны 1.15 микрона. Возможность юстировки внутренних зеркал лазерного резонатора обеспечивало крепление держателей герметично закрепленных зеркал к газоразрядной трубке с помощью сильфонов.

Позднее на гелий-неоновой смеси была получена генерация на 0,63 и 3,39 мкм, а также на ряде других длин волн.

Рис. 11.3. Схема гелий-неонового лазера первого поколения.

Чтобы электроды газоразрядной трубки не перекрывали световой луч, их выносят в сторону от оптической оси трубки. При использовании в лазере внешних зеркал резонатора для устранения потерь на окошках газоразрядной трубки их располагают под углом Брюстера. При этом условие генерации выполняется для световых волн, напряженность электрической составляющей поля которых линейно поляризована в плоскости рисунка.

Световые потери на брюстеровских окошках возрастают в результате осаждения на оптических поверхностях пыли и загрязнений из воздуха. Это приводит к уменьшению мощности генерации или даже к ее прекращению, так как усиление активной среды составляет всего несколько процентов за один проход. Поэтому поверхности зеркал резонатора и брюстеровские окошки газоразрядной трубки в промышленно выпускаемых лазерах герметизируют.

Газоразрядные трубки типа показанного на рис. 11.3 не отличаются высокой долговечностью. Постепенно гелий улетучивается через стенки трубки и оптимальное соотношение гелия и неона нарушается, что приводит к уменьшению оптического усиления и лазер перестает генерировать, хотя тлеющий разряд в трубке продолжает поддерживаться.

В современных конструкциях гелий-неоновых лазеров вернулись к газоразрядным трубкам с внутренними зеркалами, которые после юстировки крепятся к ее торцам с помощью герметика. Для повышения долговечности трубки объем газа в ней увеличивают. Для этого активный элемент лазера изготавливают в виде двойной цилиндрической трубки. Внутренняя трубка имеет оптимальный диаметр. Внешняя трубка значительно большего диаметра содержит балластный объем газовой смеси.

Генерация на длине волны 3,39 мкм происходит при переходах атомов неона между уровнями 3S и 3p. Верхний уровень для этого перехода и для перехода 0,63 мкм совпадает (см. рис. 11.4). Коэффициент усиления активной среды на 3,39 мкм значительно превосходит усиление на 0,63 мкм. Поэтому, если не принимать специальных мер, генерация начинается на линии 3,39 мкм, препятствуя возникновению генерации на красной линии. Для подавления этой паразитной генерации, опустошающей верхний лазерный уровень, необходимо увеличивать потери лазерного резонатора на длине волны 3,39 мкм. Для лазеров с относительно малой длиной газоразрядной трубки достаточные потери вносят стеклянные или кварцевые брюстеровские окошки, поглощающие свет с длиной волны 3,39 мкм. При этом порог генерации на 3,39 мкм становится выше, чем на 0,63 мкм.

Для подавления генерации на длине волны 3,39 мкм в лазерах с внутренними зеркалами следует использовать специальные покрытия для зеркал, обладающие малым коэффициентом отражения на этой длине волны и высоким коэффициентом отражения на рабочей длине волны 0,63 мкм.

Рис. 11.4. Схема энергетических уровней неона и гелия, участвующих в процессах лазерной генерации.

В гелий-неоновом лазере генерация происходит на переходах между возбужденными уровнями нейтральных атомов неона, показанных на рис.11.4. Давление буферного газа – гелия устанавливают примерно в 10 раз выше давления неона при общем давлении ~ 1 мм рт. ст. Инверсия населенностей в гелий-неоновой смеси возникает, когда скорость заселения верхних рабочих уровней превышает скорость заселения нижних уровней в тлеющем газовом разряде. Решающим фактором при этом является резонансная передача энергии от гелия к неону. Неупругие столкновения атомов гелия и неона приводят к возбуждению верхних лазерных уровней неона. Этот процесс обусловлен:

• метастабильностью возбужденных состояний S гелия (дипольные переходы между S – состояниями гелия запрещены, в результате чего в разряде поддерживается высокая концентрация возбужденных атомов гелия);

• перекрытием спектральных линий гелия и неона;

• малой вероятностью обратной передачи возбуждения от неона к гелию из-за низкой концентрации атомов неона по сравнению с гелием.

Из диаграммы энергетических уровней гелия и неона, показанной на рис.11.4 видно, что лазерные переходы происходят между высоко расположенными возбужденными уровнями неона. Поэтому эффективность накачки лазера на этой смеси невысока и составляет всего доли процента.

Спонтанные переходы в основное состояние из полос S в неоне запрещены в дипольном приближении. Релаксация нижних лазерных уровней p происходит за счет излучательных переходов в полосу 1S. Атомы, находящиеся в состоянии 1S, сталкиваясь с электронами разряда, возвращаются обратно на нижний лазерный уровень 2р, уменьшая уровень инверсной населенности. Этот процесс ограничивает коэффициент усиления активной среды при генерации на линиях 1,15 и 0,63 мкм, для которых уровень 2р является нижним лазерным.

Релаксация уровня 1S происходит в основном за счет столкновений атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Именно поэтому мощность генерации гелий-неонового лазера обратно пропорциональна диаметру газоразрядной трубки. Существует оптимальный диаметр газоразрядной трубки. Он определяется конкуренцией двух факторов: при уменьшении диаметра трубки возрастает коэффициент усиления, однако при этом возрастают и дифракционные потери резонатора. Оптимальный диаметр газоразрядной трубки гелий-неонового лазера, работающего на красной линии 0,63 мкм, составляет ~ 1 мм.

Наиболее популярная длина волны гелий-неоновых лазеров, используемых на практике, лежит в красном диапазоне видимого спектра – 0,6328 мкм. Коэффициент усиления гелий-неоновой смеси в оптимальных условиях составляет ~ 10^-3 см^-1. Поэтому лазеры этого типа генерируют сравнительно низкую мощность излучения, а резонатор должны образовывать зеркала с максимально высоким коэффициентом отражения: глухое зеркало - 99,8% , а выходное зеркало резонатора - 98%. Мощность генерации лазера на этой длине волны с длиной газоразрядной трубки 50… 70 см обычно составляет ~ 20 мВт. Для получения более высокой мощности (до 100 мВт) длину газоразрядной трубки надо увеличивать до 1,5 … 2 м. КПД гелий неонового лазера не превышает 0,1%.

Другие длины волн, которые генерируют гелий-неоновые лазеры, 1,15 и 3,39 мкм находятся в инфракрасном диапазоне. Для наблюдения и регистрации излучения на этих длинах волн необходима специальная аппаратура, поэтому лазеры, генерирующие эти длины волн, используют лишь в специальных целях.

Стандартные промышленные гелий неоновые лазеры, работающие на красной линии 0,63 мкм, генерирует многочастотное излучение, спектр которого в зависимости от длины резонатора L содержит от 2 до 12 дискретных эквидистантных частот. Общая ширина огибающей спектра – 1,5 ГГц определяется шириной спектрального контура усиления неона. Ширина спектрального контура отдельной спектральной линии спектра составляет порядка 100 кГц.

Для получения одночастотного режима генерации интервал между дискретными частотами спектра, равный с/2L должен превышать 1,5 ГГц – ширину спектрального контура усиления активной среды. Такому частотному интервалу соответствует длина резонатора менее ~ 15 см. Гелий-неоновый лазер с такой короткой газоразрядной трубкой обладает малым усилением и генерирует слишком малую мощность, которая недостаточна для большинства практических применений. Резонатор малой длины используют лишь в одночастотных лазерах со стабилизацией частоты излучения, где мощность генерации не столь важна.

Для генерации более 5 мВт световой мощности длина газоразрядной трубки должна превышать 30 см. При этом спектр лазера будет содержать две или более дискретные частоты, отстоящие друг от друга на расстоянии с/2L.

При интерференционных измерениях существенна длина когерентности излучения. Если разность хода интерферирующих лучей превышает длину когерентности излучения лазера, то интерференционные измерения становятся невозможными.

Длину когерентности измеряют с помощью интерферометра Майкельсона. Длина когерентности это расстояние, на которое надо сдвинуть зеркало интерферометра, чтобы видность интерференционных полос уменьшилась от 1 до 0,5.

Зависимость сигнала на выходе интерферометра от разности хода лучей в интерферометре называют автокорреляционной функцией (АКФ). АКФ представляет собой осциллирующую функцию. Быстро изменяющаяся составляющая АКФ связана с прохождением интерференционных полос, мимо фотоприемника. Интерференционные полосы на выходе интерферометра сдвигаются при смещении одного из зеркал интерферометра относительно его оптической оси. Быстро изменяющаяся составляющая АКФ находится под некоторой огибающей, так как амплитуды интерференционных полос и видность интерференционной картины в общем случае уменьшаются при сдвиге зеркала относительно положения с нулевой разностью хода лучей в интерферометре Майкельсона.

Полуширина огибающей АКФ и определяет длину когерентности излучения. Полуширина АКФ одночастотного гелий-неонового лазера составляет многие километры. Огибающая автокорреляционной функция многочастотного лазерного излучения периодически изменяется с ростом разности хода лучей в интерферометре Майкельсона, с помощью которого эта функция измеряется. Период АКФ равен двойной длине лазерного резонатора. Период АКФ, деленный на число дискретных частот в спектре излучения лазера, равен длине когерентности. Таким образом, длина когерентности не зависит от длины лазерного резонатора, а определяется шириной спектрального контура излучения лазера. Произведение времени когерентности на ширину спектра излучения равно константе примерно равной 1.

Для стандартных гелий-неоновых лазеров длина когерентности, измеренная в пределах одного максимума АКФ, равна ~ 20 см. Однако, при использовании стандартных многочастотных лазеров интерференционные измерения могут осуществляться и при значительно больших разностях хода интерферирующих лучей, составляющих километры вследствие периодичности АКФ. Единственное ограничение заключается в том, что при проведении измерений разность хода интерферирующих лучей, должна быть примерно кратной двойной длине лазерного резонатора.