Устройство Ne-He лазера
Основным элементом Ne-He лазера непрерывного действия является газоразрядная трубка, наполненная смесью неона и гелия в соотношении 1 : 10 при давлении 130 Па. Концы трубки могут быть закрыты непосредственно зеркалами или плоскими стеклянными пластинами, ориентированными под углом Брюстера к оси разряда (рис. 18).
Линейно-поляризованный свет с электрическим вектором, лежащим в плоскости падения, не испытывает потерь на отражение, вследствие этого лазер данной конструкции генерирует линейно-поляризованное излучение.
В загнутых концах трубки располагаются анод и катод. Тлеющий разряд в трубке возникает при напряжении 1,5–3 кВ от высоковольтного блока и токе 10–50 мА. Балластное сопротивление Rбал служит для стабилизации газового разряда, который, как известно, имеет «падающую» вольтамперную характеристику (отрицательное дифференциальное сопротивление). Зеркала, образующие резонатор, имеют многослойное (9–18 слоев) диэлектрическое покрытие, обеспечивающее высокий коэффициент отражения > 99 % (для данной длины волны). Оба зеркала закреплены в юстировочном устройстве (точность юстировки до нескольких угловых секунд) и соединяются между собой конструкцией из материала, имеющего низкий температурный коэффициент линейного расширения (например, тремя инваровыми стержнями).
Рис. 18. Блок-схема Ne-He лазера
Механизм образования инверсии в Ne-He лазере
В неон-гелиевом лазере используется принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) основному (Ne). Диаграмма энергетических уровней гелия приведена на рис. 19.
Условие резонансной передачи энергии выполняется для уровней
21S (He) → 3S (Ne); 23S (He) → 2S (Ne).
В результате газового разряда уровни 21S и 23S гелия заселяются за счёт электронных ударов. При неупругих столкновениях возбуждённых атомов гелия (He*) с атомами неона происходит возбуждение атомов неона и заселение метастабильных уровней 3S и 2S:
He*+ Ne → He + Ne*(2S) + Ne*(3S). (28)
Рис. 19. Диаграмма энергетических уровней Ne и Не
Уровни 2Р и 3Р неона также заселяются за счёт электронных ударов. Этот процесс уменьшает разность населённости 2S, 3S и 2Р, 3Р. Однако эффективность этого процесса мала по сравнению с процессом передачи энергии от гелия, так как концентрация неона значительно меньше, чем концентрация гелия. За счёт дефекта энергий уровней (21S → 3S, 23S → 2S), значительно превышающего величину kТ, результат процесса (28) далек от желаемого. Однако малая эффективность процесса возбуждения атомов Ne в какой-то мере компенсируется большим временем жизни возбуждения атомов Ne на уровнях 2S и (10–7 с) по сравнению с уровнями 2Р и 3Р (10–8 с).
При осуществлении инверсной населённости уровней 2S и 3S происходят излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Длины волн излучения составляют:
1) 2S2 → 2Р4 – 1,15 мкм (ИК-диапазон);
2) 3S2 → 3Р4 – 3,39 мкм (ИК-диапазон);
3) 3S2 → 2Р4 – 0,6328 мкм (красный свет).
Наименьшим усилением обладает переход 3S → 3Р, наибольшим – 3S2 → 2Р4. Излучение на волне λ = 3,39 мкм называется в данном случае конкурирующим, обедняющим уровень 3S2 и уменьшающим генерацию на волне λ = 0,63 мкм.
«Отработавшие» атомы переходят за счёт спонтанного излучения с уровней 3Р и 2Р на метастабильный уровень 1S. Для генерации очень важно, чтобы эти уровни были заселены как можно меньше. «Сток» частиц с уровня 1S обеспечивается в основном за счёт соударений со стенками трубки (диффузия к стенкам).
Чем меньше радиус газоразрядной трубки, тем больше вероятность объединения уровня 1S и, следовательно, уровней 2Р и 3Р. Этим объясняется наблюдающаяся на практике обратно пропорциональная зависимость коэффициента усиления Ne-He лазера от радиуса разрядной трубки.