Содержание:

1. Физические принципы работы гелий- неонового лазера 2

2. Особенности конструкции гелий- неонового лазера, технические характеристики. 5

3. Применение гелий- неонового лазера. 7

1. Физические принципы работы гелий- неонового лазера

(He-Ne)-лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Это был первый газоразрядный лазер, на котором в конце 1960 г. была получена генерация в инфракрасной области на длине волны 1,15 мкм. Особую популярность он получил, когда была осуществлена генерация в видимой (красной) области спектра (А = 0,63 мкм). За прошедшее время он превратился из экзотического лабораторного прибора в обычный инструмент, используемый практически во всех областях науки, техники и даже искусства.

Схема работы (Не-Ne)-лазера, представленная на рис. 1, а общих чертах соответствует схеме рис. 2. Первые возбужденные состояния атома гелия 2 и 2 образуются электронной конфигурацией 1 и расположены выше основного состояния 1 на расстояний 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Оптические переходы в основное состояние запрещены, и потому они являются метастабильными состояниями, хорошо накапливая энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом. Времена жизни 2 и 2 составляют 10с и 5*10с соответственно.

Система энергетическиx уровней атома неона несколько сложнее, чем гелия. Основное состояние отвечает замкнутой оболочке 1 . Нижним возбужденным состояниям соответствует переход одного электрона 2р в состояние 3s, т.е. электронная конфигурация 1. Оптические переходы как между этими состояниями, так и в основное состояние запрещены в дипольном приближении. Важно, что верхние уровни 2S и 3S по энергии расположены близко к уровням 2 и 2 атома гелия. Дефицит энергии примерно равен 35 мэВ.

Кроме уровней, образуемых электронными конфигурациями , в Ne имеются уровни, отвечающие переходу одного электрона в Зр-, 4p-...состояния. Каждой из электронных конфигураций и соответствует группа уровней, обозначаемая для краткости 2Р и ЗР. Каждая группа состоит из 10 уровней, нумеруемых по мере уменьшения энергии от 1 до 10. Оптические переходы между s- и р- состояниями разрешены (точнее, из 40 возможных комбинаций разрешены 30). При этом время жизни 2S-и 3S-состояний ( τ ≈0,1 мкc) на порядок превышает время жизни 2Р- и ЗР- состояний (τ ≈0,01 мкс). Это позволяет получить инверсную населенность между уровнями 2S—2P, 3S—3P и 35—2Р при электрическом разряде в чистом неоне. (Это справедливо и для других благородных газов — Аг, Хе и Кг.) Добавление к неону большого количества гелия обеспечивает селективное заселение верхних рабочих уровней 2S и 3S, увеличивает инверсию и существенно облегчает получение генерации.

Таким образом, в (Не — Ne) лазере Не выполняет функцию вспомогательного газа, a Ne — рабочего в соответствии с общей схемой рис. 2. Однако его работа осуществляется не по четырехуровневой, как на рис. 2, а по трехуровневой схеме: накачка производится на верхний рабочий лазерный уровень. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов, обозначенный я, б и в на рис.1. Им соответствуют длины волн 3,39; 0,63 и 1,15 мкм. В этих группах наиболее сильными являются следующие переходы: 3S₂ — ЗР₄ (λ= 3,3913 мкм); 3S₂ — ЗP₄ (λ = 0,63282 мкм) и 2S₂ — 2Р₄ (λ= 1,15228 мкм). Наибольшее усиление — до 20 дБ/м — может быть получено для переходов в области 3,39 мкм. Переходам в области 1,15 и 0,63 мкм соответствуют значительно меньшие усиления — 10...20%/м и 5...6%/м. Для того чтобы осуществить генерацию на этих переходах, необходимо в резонаторе применять селективные зеркала, обладающие боль­шим коэффициентом отражения в заданной области и большими потерями (малым отражением) в области конкурирующих переходов. Наиболее капризен в этом отношении переход 3S₂ — 2Р₄, поскольку верхнее рабочее состояние для него совпадает с верх­ним рабочим состоянием самого сильного 3S₂ — 3Р₄-перехода. Поэтому получить генерацию в области 0,63 мкм в (Не — Ne) лазере наиболее сложно.

Опустошение нижних лазерных уровней ЗР и 2Р в (He-Ne) лазере происходит далеко не оптимальным образом. Эти уровни быстро (что хорошо) опустошаются за счет излучательных переходов в 1S-состояния, которые являются долгоживущими (что плохо). В состоянии 1S, расположенном на 16 эВ выше основного состояния, происходит накопление частиц. Это весьма нежелательно, ибо из состояния 1S велики вероятности переходов в состояния 2Р и 3Р при столкновении с электронами, согласно реакции. Переход атома неона из состояний 1S в основное состояние, как правило, происходит при его столкновении со стенками сосуда, т. е. за счет медленных процессов диффузии к стенкам. По этой причине работа (Не-Nе) лазера критична к диаметру разрядной трубки D и не допускает приме­нения трубок с D> 10 мм.