Laser cu heliu-neon

Laser demonstrativ heliu-neon

Laserul cu heliu-neon , numit și laser HeNe , este un tip mic de laser cu gaz .

Laserele HeNe au multe utilizări industriale și științifice și sunt adesea utilizate în demonstrații de optică de laborator. În funcționarea lor normală, acestea operează la o lungime de undă de 632,8 nm , în partea roșie a spectrului vizibil.

Operațiune

Diagrama tubului unui laser HeNe

Mediul de amplificare cu laser, așa cum sugerează și numele, este un amestec de heliu și gaz neon în proporții cuprinse între 5: 1 și 20: 1, conținut într-un tub de sticlă la o presiune variabilă în funcție de dimensiunea tubului în sine., Aproximativ egală cu 50 Pa pe centimetru lungime a rezonatorului ^[1] conținut în tubul de sticlă.

Energia sursei de pompare cu laser derivă dintr-o descărcare electrică de aproximativ 1000 V între un anod și un catod situat la capetele tubului de sticlă și cu curenți variind de la 5 la 100 miliamperi în funcționare normală cu undă continuă. ^[2]

Cavitatea optică a laserului constă de obicei dintr-o oglindă foarte reflectorizantă la un capăt și un cuplaj (oglindă semireflectorizantă) la celălalt capăt, cu o transmisivitate exterioară de aproximativ 1%. Laserele cu heliu-neon sunt de obicei mici, cu tuburi laser variind de la 15 la 50 cm și puteri de ieșire optice de la 1 la 100 de miliți.

Fenomenul laser începe în acest tip de dispozitiv cu coliziunea electronilor cu atomii de heliu: aceștia excită heliul și îl duc de la starea fundamentală la stările excitate 2 ³ S ₁ și 2 ¹ S ₀ , metastabile și de lungă durată. Atomii excitați de heliu se ciocnesc apoi cu cei de neon, oferindu-le energia primită și aducând electronii neonului în starea 3s ₂ ^[2] . Acest lucru se datorează unei coincidențe a nivelurilor de energie dintre atomii de heliu și neon.

Acest proces este rezumat în următoarea ecuație de reacție:

He (2 ¹ S) * + Ne + ΔE → He (1 ¹ S) + Ne3s ₂ *

unde (*) reprezintă o stare excitată și ΔE este diferența mică de energie dintre stările de energie ale celor doi atomi, de ordinul 0,05 eV sau 387 cm ^-1 , care este asigurată de energia cinetică. ^[2]

Numărul atomilor de neon care intră într-o stare de excitație crește pe măsură ce se produc coliziunile cu atomii de heliu, provocând în cele din urmă o inversare a populației ; emisia spontană, stimulată de tranzițiile dintre stările 3s ₂ și 2p _4, provoacă în cele din urmă emisia de lumină laser cu lungimea de undă canonică de 632,82 nm. După aceea, are loc o descompunere rapidă de la starea 2p la starea de bază 1s: deoarece nivelul superior al neonului se saturează cu curenți mai mari, iar cel inferior variază liniar cu curentul, laserele HeNe sunt forțate să genereze puteri foarte mici, altfel inversarea populației. ^[2]

Lungime de undă

Spectrul unui laser HeNe care arată puritatea spectrală foarte mare caracteristică multor lasere.

Pentru comparație, spectrele de emisii relativ mari ale LED-urilor

Deși este obișnuit să spunem că lungimea de undă a laserului HeNe este de 632 nm, în realitate valoarea exactă în aer este de 632.816 nm, deci ar fi mai corect să spunem 633 nm; în scopul calculării energiei fotonilor, ar fi preferabil să se utilizeze lungimea de undă în vid, 632,991 nm.

Lungimea de undă de operare exactă se încadrează la 0,002 nm de această valoare și variază în funcție de temperatură datorită expansiunii termice a cavității de sticlă. Există versiuni stabilizate de lasere HeNe care permit ca lungimea de undă să fie menținută stabilă la mai puțin de 2 părți în 10 ¹² luni și ani de funcționare laser neîntreruptă. ^{[3] [4] [5]}

Cu o alegere adecvată a oglinzilor cavității, este posibil să operați laserele HeNe chiar și pe frecvențe diferite de cea clasică: de fapt, există tranziții între stări și în infraroșu , la lungimi de undă de 3,39 µm și 1,15 µm și varietate de tranziții în spectrul vizibil, inclusiv verde (543,5 nm, așa-numitul laser GreeNe), unul galben (594 nm) și unul portocaliu (612 nm). Lungimea de undă roșie normală la 633 nm are un câștig mai mic decât celelalte, în special liniile de la 1,15 µm și 3,39 µm, dar acestea pot fi suprimate folosind oglinzi acoperite special pentru a nu reflecta lumina acelei lungimi de undă.

Banda de câștig a laserului HeNe este dominată de lărgirea Doppler și este foarte îngustă: aproximativ 1,5 GHz pentru tranziția laser la 633 nm ^{[4] [6]} într-un singur mod longitudinal .

Utilizări

Vizibilitatea fasciculului laser și calitățile sale excelente de coerență spațială îl fac o sursă foarte utilă pentru holografie și ca lumină de referință pentru spectroscopie . Este, de asemenea, unul dintre sistemele de testare pentru definirea contorului probei ^[7] .

Istorie

Înainte de invenția diodelor laser mici și ieftine, tuburile laser cu heliu-neon erau utilizate în scanerele de coduri de bare. Laserul HeNe a fost, de asemenea, primul laser cu gaz , construit de Ali Javan , William Bennet Jr. și Donald Herriot la Bell Laboratories, care în 1960 a realizat emisii de unde continue pe lungimea de undă de 1,15 µm.

Notă

Elemente conexe

• Lista tipurilor de laser

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Helium-Neon Laser

linkuri externe

• Din punctul de vedere al fizicii atomice (în germană)