Устройство и принцип работы гелий-неонового лазера

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера, используемого в нашей лаборатории. Рабочее вещество – атомы неона (Ne). Используется электрическая накачка: через газоразрядную трубку идет поток электронов; при столкновении быстрых электронов с атомами неона последние возбуждаются и их электроны переходят на верхние энергетические уровни. Однако для атомов неона прямая накачка электронным ударом оказалась недостаточно эффективной. Чтобы ускорить передачу энергии, к неону добавлен гелий (He).

Схема накачки показана на рис. 4.2. В результате столкновений с электронами атомы гелия переходят с основного уровня на уровень 2S. Эти возбуждённые атомы гелия сталкиваются с атомами неона и отдают им запасенную энергию. В результате атомы неона переходят с основного уровня на уровень, который близко расположен к уровню2Sгелия. В резуль-тате науровне неона создается значительная насе-лённость. В то же время, уровеньнаселен мало, поскольку он быстро очи-щается благодаря спон-танным переходам на нижележащие уровни. На переходевозни-кает инверсная населенность. Переход атома неона с верхнегоуровня на ниж-ний уровеньприводит к лазерному излучению с длиной волны мкм, что соответствует красному свету.

Пусть имеется среда, в которой создана инверсная населенность, т.е. условие (4.7) имеет место. В такой среде вынужденное излучение сильнее, чем поглощение. Поэтому среда будет усиливать проходящий свет с частотойν(длиной волныλ), соответствующей переходу между уровнями с инверсной населенностью (см. формулу (4.2)). Однако это усиление невелико: в гелий-неоновом лазере свет, пройдя в активной среде путь в1 м, усиливается всего на2 %. Поэтому для получения яркого излучения необходимо, чтобы путь света в активной среде был очень длинным. Это достигается с помощьюоптического резонатора. Активная среда с инверсной населенностью и оптический резонатор – две основные части любого лазера.

На рис. 4.3 схематически изображено устройство гелий-неонового лазера. В середине находится газоразрядная трубка (ГРТ) с активной средой – ге-лий-неоновой смесью. Пар-циальное давление гелия – 1 мм рт.ст. (133 Па), а неона –0,1 мм рт.ст. (13,3 Па). Трубка имеет катодКи анодА. При накаленном катоде и поданном между катодом и анодом высоком напряжении в наполняющих трубку газах может поддерживаться светящийся электрический разряд. Во время разряда падение анодного напряжения в трубке достигает1,5кВ, ток через трубку достигает30mA. При прохождении тока через смесь в ней возникает инверсная населенность.

Оптический резонатор – это два высококачественных зеркала З1иЗ2(плоские или сферические), одно из которых (З2) полупрозрачное. Зеркала установлены у концов газоразрядной трубки параллельно друг другу. Свет, отражаясь от зеркал резонатора, многократно проходит через газоразрядную трубку. В результате путь света в активной среде удлиняется настолько, что усиление света достигает большой величины. Перед началом лазерной генерации в среде имеется некоторое количество спонтанного излучения. Это излучение, отражаясь от зеркал, много раз проходит через активную среду. На каждом проходе оно усиливается за счет вынужденного излучения среды. В итоге возникает яркий лазерный луч, выходящий из полупрозрачного зеркала.

Однако только малая часть спонтанного излучения будет возбуждать лазерную генерацию. Оптический резонатор обладает большой избирательностью: среди спонтанного излучения он отбирает волны с определенным направлением распространения. Действительно, много-кратное отражение будут испытывать только волны, распрост-раняющиеся вдоль оптической оси резонатора. Спонтанное излучение, идущее под углом к оси, уходит из резонатора и в лазерной генерации не участвует. По этой причине лазер генерирует узкий, мало-расходящийся пучок света.

Излучение гелий-неонового лазера эллиптически-поляризованно. Это вызвано тем, что окна газоразрядной трубки установлены под углом Брюстера . Отражение проходящего света от окон газоразрядной трубки подавляет лазерную генерацию. Устанавливая окна под углом Брюстера, добиваются того, что свет, в котором векторЕколеблется в плоскости падения, проходит через окно практически без отражения. В результате только такой поляризованный свет генерируется лазером.

Таким образом, из гелий-неонового лазера выходит узкий пучок красного эллиптически-поляризованного света. Этот свет – результат вынужденного излучения. Наряду с вынужденным излучением имеется спонтанное, которое не поляризовано и выходит из лазера во всех направлениях. Это излучение не участвует в лазерной генерации. Спонтанное излучение лазера много слабее вынужденного, яркость его примерно такая же, как у обычной газоразрядной трубки.