ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР
ВВЕДЕНИЕ
Гелий-неоновый лазер, созданный в конце 1960 г., явился первым газовым лазером. Его создатели А.Джаван, У.Беннет, Д.Харриот, используя смесь гелия и неона, возбуждаемую электрическим разрядом, получили генерацию на длине волны 1,15 мкм. Интерес к гелий-неоновому лазеру, а также вообще к газовым лазерам резко возрос после получения генерации в видимой области на длине волны 0,63 мкм. Число переходов между возбужденными электронными состояниями атомов неона, на которых получена генерация, к настоящему времени превысило 130. Тем не менее, лазеры на длине волны 0,63 мкм остаются до сих пор наиболее распространенными.
Гелий-неоновые лазеры относятся к категории маломощных излучателей. В зависимости от режима работы, конструкции и габаритов мощность излучения лазеров, выпускаемых промышленностью, составляет от десятых долей до десятков милливатт при КПД в пределах 0,001 - 0,1 %. Однако излучение этих лазеров по сравнению с лазерами других типов отличается наиболее высокой монохроматичностью, стабильностью частотных и пространственных характеристик. Поэтому, несмотря на небольшую мощность, гелий-неоновые лазеры нашли широкое применение в самых различных областях науки и техники, например в системах связи, интерферометрии, метрологии, спектроскопии и т.д.
Целью настоящей работы являются:
- ознакомление с принципом работы гелий-неонового лазера;
- исследование вольт-амперной характеристики разряда и зависимости мощности излучения от тока разряда;
- измерение коэффициента усиления активной среды.
Краткие теоретические сведения
Механизм возникновения инверсии населенностей
В гелий-неоновом лазере
1.1.
Для объяснения причин возникновения инверсии населенностей в гелий-неоновом лазере рассмотрим упрощенную схему нижних энергетических уровней атомов гелия и неона (рис.1). Стрелками на рисунке обозначены процессы заселения и расселения энергетических уровней, играющие основную роль в механизме создания инверсии населенностей.
В качестве верхних лазерных уровней атомов неона могут использоваться состояния 2s и 3s, в качестве нижних - 2p и 3p.
Каждому из s-состояний атомов неона соответствуют по 4 близко расположенных друг к другу энергетических подуровня (s2, s3, s4, s5). Состояния 2р и 3р содержат по 10 подуровней (р1, р2,...,р10). Наибольшие инверсии населенностей и соответственно мощности лазерного излучения достигаются на переходах a, b, c между уровнями 3s2-3p4, 3s2-2p4 и 2s2-2p4. Длины волн излучения при этом составляют: 3,39 мкм (a), 0,63 мкм (b) и 1,15 мкм (c).
В механизме создания инверсии населенностей между энергетическими уровнями указанных переходов определяющую роль играет гелий. Два нижних состояния 23S1 и 21S0, на которые гелий может переходить в результате неупругих столкновений с быстрыми электронами (стрелки А на рис.1), по величине энергии практически совпадают с верхними лазерными уровнями 2s2 и 3s2атомов неона.
В результате при соударениях возбужденных атомов гелия с атомами неона в основном состоянии происходит эффективная передача энергии от гелия неону по схеме:
He* + Ne = He + Ne* ± ΔE, (1)
где ΔE – разность энергий состояний Не и Nе, которая идет на изменение их кинетической энергии.
Такой процесс передачи возбуждения, часто применяемый в газовых лазерах, имеет резонансный характер. Его вероятность максимальна при идеальном совпадении энергий (ΔE = 0) и резко убывает при возрастании ΔE. Передача возбуждения идет эффективно, пока ΔE не превышает kT– среднего значения энергии теплового движения сталкивающихся частиц. Для указанных состояний He и Ne это условие практически выполняется. Исключительно важным является также и то, что уровни гелия легко возбуждаются при столкновениях с быстрыми электронами и являются метастабильными (оптические переходы с этих уровней в основное состояние запрещены, время жизни имеет величину порядка 10-3 с). В результате обеспечиваются высокая концентрация возбужденных атомов гелия и соответственно высокая населенность верхних рабочих уровней атомов неона.
Таким образом, наличие гелия в газовой смеси обеспечивает селективное заселение верхних рабочих уровней атомов неона (стрелки С на рис.1).
Верхние уровни 2s и 3s расселяются в результате излучательных переходов (a, b, c) в состояния 2р и 3р. Из этих состояний атомы неона излучательно переходят в состояние 1s (стрелки d, f). Наличие этого состояния существенно влияет на условия создания инверсии населенностей, а в чистом неоне не позволяет получить инверсию, несмотря на благоприятное для её получения соотношение времен жизни верхних и нижних лазерных уровней (время жизни s уровней превышает время жизни p уровней).
Дело в том, что излучательные переходы с уровней 1s3 и 1s5 в основное состояние запрещены правилами отбора. Излучение же при переходах с уровней 1s2 и 1s4 в основное состояние интенсивно поглощается из-за большой заселенности основного состояния. В результате такого "пленения излучения" эффективное время жизни состояния 1s и соответственно его населенность значительно возрастают. Расселение состояния 1s происходит в основном в результате столкновения атомов со стенками разрядной трубки.
Из-за большой населенности состояния 1s существенную роль в заселении нижних уровней 2р и 3р играют процессы их ступенчатого возбуждения (стрелкой В на рис.1 обозначен второй шаг ступенчатого перехода в состояние 2p через состояние 1s). Скорость ступенчатого заселения этих уровней пропорциональна концентрации электронов и концентрации атомов неона в состоянии 1s, которая в свою очередь также возрастает с увеличением концентрации электронов. Поэтому при увеличении тока разряда скорость ступенчатого возбуждения возрастает примерно пропорционально квадрату тока, существенно быстрее, чем скорость заселения верхних уровней, которая примерно пропорциональна величине тока.
В результате при некотором значении тока скорость заселения нижних уровней превысит скорость заселения верхних уровней и инверсия наcеленностей и соответственно мощность лазерного излучения, достигнув максимальных значений, начнут уменьшаться.
Коэффициент усиления активной среды
Среда, в которой создается инверсия населенностей, приобретает способность усиливать проходящее через нее излучение. Изменение интенсивности излучения на пути dx пропорционально величине этого расстояния и интенсивности I, т.е.
dI = k I dx. (2)
Коэффициент k в этом выражении, определяющий скорость относительного изменения интенсивности волны (k = (dI / I) / dx), называется коэффициентом усиления среды.
Величина коэффициента зависит от интенсивности волны. Увеличение I вызывает уменьшение (насыщение) коэффициента усиления. Его максимальное значение, соответствующее I = 0, называется ненасыщенным коэффициентом усиления или коэффициентом усиления слабого сигнала.
При небольшой интенсивности распространяющегося в активной среде излучения, когда насыщением коэффициента усиления можно пренебречь (k = const), его усиление, как следует из дифференциального уравнения (2), происходит по экспоненциальному закону
I = I0 ekx, (3)
где I0 – интенсивность излучения на входе в среду (x=0).
Коэффициент усиления имеет размерность, обратную размерности длины, и по величине, как следует из соотношения (3), обратно пропорционален расстоянию x, при прохождении которого интенсивность излучения увеличивается в e раз. При k = 0,02 1/м, например, это расстояние составляет 50 м.
Поскольку коэффициент усиления сложным образом зависит от многих факторов, относительно которых, как правило, отсутствует необходимая количественная информация, его величина находится экспериментальным путем.