Газові лазери на нейтральних атомах

Газові лазери на нейтральних атомах

Основні втрати потужності пов'язані із френелевим відбиттям від двох поверхонь пластинки, при проходженні скрізь неї світла. Як відомо, коефіцієнт френелевого відбиття від поверхні, що розділяє два середовища з різним показником переломлення, залежить від кута падіння випромінювання, відносного показника переломлення й типу поляризації падаючого випромінювання.

Для боротьби із втратами в торцевій пластинці використовується закон відбиття Брюстера. Торцеві пластинки розташовують не перпендикулярно осі трубки, а так, щоб нормаль до торцевої пластинки пластинці становила з віссю трубки кут Брюстера: tg i0 n , де n – показник заломлення матеріалу пластинки - кут Брюстера, кут при якому коефіцієнт відбиття дорівнює нулю у випадку коли площина поляризації падаючого випромінювання збігається із площиною падіння.

Газові лазери на нейтральних атомах

Крім розглянутих дифракційних втрат, залишаються втрати на поглинання в товщі матеріалу. Як відомо, втрати становлять близько 2% на 1см для скла й приблизно 0,2% на 1см для кварцу. Товщина вікон звичайно складається не менше 3-4 мм для забезпечення механічної стабільності.

Вимушене випромінювання взагалі не є поляризованим, але добротність резонатора виявляється більшою для випромінювання певної поляризації, що і задається розташуванням вихідних торців. Оскільки вимушене випромінювання збігається по типу поляризації зі стимулюючим випромінюванням, то в остаточному підсумку в резонаторі встановлюється поляризація відповідна до розташування брюстеровских вікон.

Газові лазери на нейтральних атомах

Гелій-неоновий лазер Джавана (1954-56р.)

Газові лазери на нейтральних атомах

В електричному розряді частина атомів неону переходить із основного рівня Е1 на тривалі збуджені рівні E4 й E5. Інверсія населеності створюється завдяки великій населеності цих рівнів у порівнянні з нетривалим рівнем E3. На чистому неоні створенню інверсної населеності заважає метастабільний рівень E2, тому корисним виявилося введення в

робочу суміш атомів гелію.

Газові лазери на нейтральних атомах

Гелій-неоновий лазер

Під дією електричного розряду частина атомів гелію іонізується з утворенням плазми, що містить електрони з великою кінетичною енергією. Ці електрони, зустрічаючись із атомами гелію переводять їх з одного стану E1 на тривалі збуджені рівні E2 і E3 які досить близькі по значенню до рівнів E4 і E5 неону. Тому при зіткненнях збуджених атомів гелію з незбудженими атомами неону виникає висока ймовірність резонансної передачі збудження, у результаті чого атоми неону виявляються на рівнях E4 або E5, а атоми гелію вертаються в основний стан. Імовірність збудження атомів неону до рівнів E2 і E3 за рахунок зіткнень із атомами гелію мала, тому що енергії цих станів суттєво відрізняються від енергій рівнів E2 і E3 гелію більше ніж на kT.

Газові лазери на нейтральних атомах

Гелій-неоновий лазер

Оскільки рівень E3 неону є нетривалим, то на переходах E4 – E3 і E5 –

E3 можна одержати безперервну генерацію. Переходу E4 – E3 відповідає генерація з довжиною хвилі 1,153 мкм, а переходу E5 – E3 в червоній області видимого спектра з довжиною хвилі 0,6328 мкм. Кожний з рівнів E3, E4 і E5 у

дійсності складається з декількох проміжних рівнів, тому в діапазоні видимого й інфрачервоного спектра, спектр гелій-неонового лазера може містити велике число (~40) спектральних ліній. Виділення потрібної спектральної лінії здійснюється підбором дзеркал оптичного резонатора і введенням у резонатор селективно поглинаючого елемента.

Газові лазери

Гелій-неоновий лазер

Між рівнями E5 й E3 неону є ще один нетривалий рівень, перехід атомів на який з рівня E5 дозволяє одержати генерацію на довжині хвилі

3,392 мкм.

У гелій-неоновому лазері робоча суміш перебуває в газорозрядній трубці, довжина якої може досягати 0,2…..1м. Трубка виготовляється з високоякісного скла або кварцу. Потужність генерації суттєво залежить від діаметра трубки: з одного боку збільшується об’єм робочої суміші, з іншого – зменшується електронна температура плазми, що приводить до зменшення числа електронів здатних збудити атоми газів (втрата потужності).

Газові лазери на нейтральних атомах

Гелій-неоновий лазер

Перевагами гелій-неонових лазерів є когерентність їх випромінювання, мала споживана потужність, невеликі габарити, висока монохроматичність і спрямованість випромінювання.

Основні недоліки: невисокий ККД (0,001…0,1%) і низька вихідна потужність. Ці лазери можуть працювати й в імпульсному режимі.

Взагалі, лазери типу гелій-неонового це лазери, безперервного режиму роботи з випромінюванням в червоній області спектру на довжині хвилі 0,63мкм, одномодові (ТЕМоо) і багатомодові (ТЕМmn) з потужністю випромінювання від 15 мВт до 80 мВт з поляризованим та неполяризованим випромінюванням.