МИНистерство ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ И СПЕКТРОСКОПИИ

методические указания к лабораторной работе

«Модовая структура излучения He-Ne лазера»

для студентов специальности

G 31 04 01-ФИЗИКА

Минск 2005

Лабораторная работа № 1 модовая структура излучения He-Ne лазера

Цель работы: ознакомиться с принципом работы гелий-неонового лазера, процессами в газовом разряде, влияющими на мощность лазерного излучения; изучить зависимость мощности генерации от тока накачки; исследовать поперечную и продольную модовую структуру излучения и влияние базы резонатора на спектр генерации, измерить ширину линии генерации.

Гелий-неоновый лазер

Гелий-неоновый лазер создан в конце 1960 г. Это первый газовый лазер и первый лазер, работающий в непрерывном режиме. Накачка лазера – электрическая. Лазерная активная среда создается под действием тлеющего разряда в газоразрядной трубке. Активное вещество состоит из смеси атомов гелия и неона, их ионов, свободных электронов. Схема энергетических уровней атомов гелия и неона приведена на рис. 2. Уровни гелия обозначаются так, как принято при связи: слева стоит главное квантовое число, указывающее оболочку, на которой находится внешний электрон; буква показывает, что суммарный орбитальный момент атома равен нулю (значениям соответствуют обозначения ). Верхние индексы – мультиплетность уровня: индексом 1 обозначаются синглетные уровни, индексом 3 – триплетные. Десять электронов атома неона в основном состоянии образуют конфигурацию . Показанные на рисунке возбужденные состояния соответствуют ситуациям, в которых один из электронов переведен в возбужденное -состояние ( , , ) или возбужденное -состояние ( , ).

Инверсия населенностей на уровнях атома неона создается в гелий-неоновых лазерах непрямым способом. Свободные электроны при газовом разряде возбуждают атомы гелия, которые переходят на более высокие энергетические уровни и затем ступенчато релаксируют вниз, задерживаясь на метастабильных уровнях и со временем жизни порядка 1 мс.

Атомы неона при соударениях с такими атомами переходят н а уровни и мультиплетов со временем жизни ~ 0,1 мкс. При дальнейшем переходе в состояние или может быть реализован процесс вынужденного излучения. Состояния и имеют времена жизни порядка 0,01 мкс, что позволяет достичь инверсной населенности в каналах (длина волны генерации 632,8 нм), (1152 нм), (3392 нм). Для эффективной релаксации уровней и необходимо постоянное опустошение -состояния. Этот процесс реализуется только при соударениях атомов неона со стенками газоразрядной трубки. Чтобы атомы неона диффундировали к стенкам достаточно быстро, сечение трубки делают небольшим, всего несколько миллиметров.

Большинство промышленных гелий-неоновых лазеров работают на длине волны 632,8 нм. Чтобы лазер генерировал излучение только этой длины волны, в нем устанавливается резонатор с селективными диэлектрическими зеркалами. Типичные параметры плазмы He-Ne лазеров, работающих на длине волны 632,8 нм: температура атомов 300–400 ^oК, диаметр разрядной трубки 3 – 8 мм, 500 Пa мм (  – давление). Отношение концентраций гелия и неона 5 : 1. Сила тока от 5 до 50 мА. Мощность этих лазеров невелика (до 80 мВт), но они имеют ряд преимуществ перед другими лазерами: просты в эксплуатации, надежны, имеют малую расходимость излучения (  1–10 угловых минут) и высокую степень монохроматичности (отношение ширины линии генерации к частоте для промышленно выпускаемых лазеров  10 ^–6–10 ^–8). Излучение He-Ne лазеров, в которых окошки разрядной трубки установлены под углом Брюстера (уменьшаются потери на отражение), линейно поляризовано.