Combat helio neon laser culoare viprominuvannya. Prelegerea a treisprezecea. lasere cu gaz, laser cu heliu-neon. Laserul, care va fi examinat mai detaliat mai târziu în acest robot, este declanșat de o descărcare electrică

Un laser cu gaz este un dispozitiv care poate fi conectat la generatoare cuantice optice.

Elementul principal al unui laser non-stop cu heliu-neon este un tub cu descărcare în gaz T(Figura 1), care conține catodul, care este încălzit, și anodul A. Tubul este umplut cu heliu ( Nu) (viciu parțial Nu 1 mmHg st) ta neon ( Ne) (viciu parțial Ne 0,1 mmHg Sf). Diametrul interior al tubului este de 1...10 mm, crescând de la câteva zeci de centimetri la 1,5...3 m. Capetele tubului sunt închise cu geamuri plan-paralele din sticlă sau cuarț P1 și P2, instalate sub Brewster tăiat la ax. Pentru cuplarea polarizată liniar cu vectorul electric în planul de cădere, coeficientul de variație dintre ele este egal cu zero. Prin urmare, ferestrele Brewster asigură polarizarea liniară și propagarea laserului și reduc consumul de energie atunci când extind lumina din zona activă către oglinzi și spate. Tubul este plasat într-un rezonator format din oglinzi 1 și 2 cu acoperiri dielectrice multi-sferice. Astfel de oglinzi au un coeficient de reflexie ridicat în domeniul spectral de operare și practic nu estompează lumina. Debitul oglinzii, unde este importantă îmbunătățirea performanței laserului, ar trebui să fie de 1...2%, altfel mai puțin de 1%.

La electrodul tubului este furnizată o tensiune de 1...2 kV. Când catodul este supraîncălzit și tensiunea din gaze crește, poate apărea o descărcare electrică mocnită. Descărcarea mocnitoare creează minți pentru inversarea populației regiunilor în neon. Puterea tipică a unui flux într-o descărcare de gaz este de zeci de miliamperi.

Aparent, neonul dă un impuls descărcării, dar distrugerea necesară a atomilor are loc cu ajutorul atomilor de heliu. Imaginea schematică a nivelurilor de energie ale atomilor a fost simplificată Nuі Ne bebelușul 2 este afișat.

Pentru rakhunok taci cu electroni atomi Nu cruce în tabăra de trezire (2 3 S că 2 1 S). Acestea sunt la fel de metastabile cu energii de 19,82 și 20,61 eV. Tranziția spontană a radiațiilor de la aceste niveluri la nivelul principal este interzisă de regulile de selecție. Iese chiar și cu puțină încredere.

Malyunok 2

Ora de viață a unui atom pe câmpie 2 1 S că 2 3 S Este grozav, în timpul vieții la nivelurile primare de trezire, că chiar și o mulțime de atomi se vor acumula pe aceste niveluri metastabile. Nu. Ale egală cu neon 3 S eu 2 S Evitarea practică a nivelurilor metastabile 2 1 S că 2 3 S heliu. Cum este când atomii treziți sunt închiși? Nu cu atomi Ne apar tranziții atomice Ne treziri cu transferul rezonant de energie de la atomii de heliu la atomii de neon.

Procesul de trezire a atomilor Ne reprezentat de săgeți punctate orizontale (Figura 2). Ca urmare a concentrației atomilor de neon la nivelurile 3 S eu 2 S crește puternic, iar populația inversă a nivelurilor de energie începe să apară față de nivelul 2 R. Tubul are un miez activ care este format din atomi Ne, ceea ce poate inversa populația nivelurilor de energie ale electronilor.

Vibrația spontană a atomilor excitați din apropiere duce la expansiunea în mijlocul activ al fotonilor, ceea ce indică tranziții electronice în atomii de neon din rândurile 3. S la nivelul 2 P.

Sub infuzia unui câmp electromagnetic, o descărcare de fotoni (care sunt inițial propagați spontan de către atomii excitați la neon) este indusă pentru a propaga în mod coerent ceilalți atomi excitați la neon. mediu activ care umple tubul laser. Creșterea masivă a acestui proces va fi asigurată de un număr mare de schimbări între oglinzi. U 1 i U 2 rezonatoare care duc la formarea unui flux indus de presiune a unui laser vibrator coerent direct. Lățimea minimă de tăiere a fasciculului de lumină laser este determinată de difracție, care are loc în jurul secțiunii transversale a fasciculului. Este mai puțin decât lumină cu autoritățile lui Khvil. Această situație cea mai importantă distinge fasciculul laser de celălalt fascicul de lumină.

4 PRILADI ȘI PRILADDYA

1 Laser cu gaz LG78.

2 Lavă optică.

3 Bloc de viață.

4 Efecte de difracție.

5 Plăci de sticlă cu microparticule așezate între ele.

6 Ecran cu scară milimetrică.

5 Lucrul cu un laser cu gaz

Opriți comutatorul Merezha. Peremikach „Reglarea fluxului” setărilor atribuite lucrătorului de către medic sau asistent de laborator. Se opun categoric transferarii lor intr-o alta institutie.

În timpul orei de lucru cu laserul se reține urma, care expunerea la radiații laser directe nu este sigură pentru ochi .

Prin urmare, atunci când lucrați cu un laser, aveți grijă la lumină după afișarea pe ecran a unei suprafețe care strălucește.

6 ORDINUL WYCONANY ROBOTI

Corect 1

Dimmarea cu laser

rețeaua de difracție

Direcția și coerența spațioasă a propagării laser îi permit să fie setat într-o serie de setări fără colimări suplimentare.

Instalația pentru efectuarea acestei proceduri include un laser, un evaluator cu răzătoare de difracție și un ecran cu o scară milimetrică pentru a monitoriza modelul de difracție (Figura 3).

Malyunok 3

Rețeaua de difracție este instalată perpendicular pe axa schimbătorului de lumină, care se extinde de la laser. În acest scop, fasciculul de lumină, ridicat de la suprafața grătarului, trebuie așezat exact în mijlocul ferestrei laser, apoi. evitați ca fasciculul de lumină care iese din laser să fie reflectat pe suprafața rețelei.

Datorită naturii monocromatice a propagării laser, ecranul are grijă să nu afișeze spectre de difracție care nu se suprapun, de diferite ordine pozitive și negative. Aceste spectre creează o serie de umbre roșii pe ecran, care repetă retina fasciculului de lumină primar care cade la suprafață.

Ecranul este instalat perpendicular pe fasciculul de lumină, iar ordinele spectrelor sunt în ordinea lor simetric pe scara zero a ecranului.

Când stați între spectrele de difracție și spectrul de ordin zero, este necesar să înțelegeți punctele medii ale spectrelor păzite (fum).

Rozrakhunok a urmat formula de mult timp

de d- beneficii permanente (în opinia noastră d= 0,01 mm);
- Tăiere de difracție;

k- ordinea spectrului;

l – ultimul minut de vibrație laser.

Malyunok 4

Rata de difracție este determinată din relație

(2)

de - stați între maximele stânga și dreapta în ordine k;

L- Poziționați zona rețelei de difracție până la zona ecranului (Figura 4).

Înlocuind (2) la (1), detașabil

Comanda Vikonanny dreapta 1

1 Vymiryat vіstan u spectra pershogo ( k= 1), altele ( k= 2) cel al treilea ( k= 3) comenzi pentru diferite părți ale ecranului din rețeaua de difracție.

2 Introduceți rezultatele experimentelor în tabelul 1.

3 Calculați cantitatea de energie care indică ieșirea laserului.

tabelul 1

Compilarea datelor experimentale

1 Calculați dozhina hvili pentru piele vimir folosind formula (3).

2. Calculați valoarea medie n- Numărul de vimiryuvan.

3 Calculați iertarea absolută a mai multor lumi dispărute

5 Setați valoarea de fiabilitate a (în spatele casetei de inserare).

6 Utilizați tabelul Student pentru a calcula limitele dintre intervalele de încredere

7 Calculați pierderea aparentă Valoarea valorii găsite urmează să fie utilizată în amenajările necesare atacurilor din dreapta.

Corect 2

Analiza vibrațiilor laser cu difracție Fraunhofer

pe particule mici rotunde

Fascicul laser monocromatic, bine colorat și coerent spațial face posibilă prevenirea completă a difracției luminii pe particulele rotunde.

Pentru ca difracția asupra particulelor să fie semnificativă, dimensiunea particulelor trebuie să fie mică. Cu toate acestea, dacă plasați o particule mică în apropierea fasciculului de lumină, atunci modelul de difracție care apare pe ecranul de la distanță va fi important să fiți atenți. Imaginea este proiectată pe o suprafață luminoasă, creată de o parte a fasciculului de lumină, care nu a suferit de difracție.

Pentru a obține un model de difracție clar vizibil, este necesar să plasați particule distribuite aleatoriu pe fasciculul de lumină. De fapt, difracția Fraunhofer este observată din fragmente, indiferent dacă marginea piesei este independentă de poziția sa în zona secțiunii transversale a fasciculului de lumină, dar oferă o distribuție diferită a luminii difractate.

Cu prezența unui număr mare de particule în secțiunea transversală a fasciculului, secțiunea decupată a luminii difractate, închisă de partea de piele a jantei, nu este distrusă, deoarece nu există un efect de interferență sistematic între fascicule de lumină, care este difracta pe care o cântau pe particulele libere.

Dacă în zona secțiunii transversale a fasciculului de lumină particulele sunt împrăștiate aleatoriu, atunci datorită uniformității tuturor valorilor fazelor luminii difractate în spatele diferitelor direcții, doar intensitatea fasciculelor de lumină va fi particule formate, difractate. Model de difracție N părți să se străduiască pentru intensitate N Odată ce suprafața are un model de difracție, părțile din jur nu își schimbă structura. Aceasta este setarea pentru acest experiment.

Instalarea este îndepărtată din dreapta 1, iar în locul grătarului de difracție de pe evaluator se instalează rame cu plăci de sticlă, între care se află particule de licopodiu (spori de mușchi de mușchi), care sunt bile atunci când sunt aproape de aceeași dimensiune mică.

Pe ecran, după pornirea laserului, puteți vedea un sistem de inele de difracție concentrice de lumină și întuneric, care vor emite o culoare deschisă.

raza Kutovy a i inelele întunecate sunt supuse relațiilor:

raza Kutovy a i inele luminoase

(5)

de r- Raza piesei care a cauzat difracția luminii.

Semnificaţie sina i obțineți-vă asigurarea de sănătate

(6)

de D i- Diametrul liniar al inelului de difracție de linie pe ecran;

L- Stați în fața plăcii de sticlă la ecran.

Comanda Vikonanny dreapta 2

acea colecție de date experimentale

1 Modificați diametrul primului ( D 1) celălalt ( D 3) inele întunecate în spatele diferitelor părți L. Introduceți rezultatele în tabel. 2.

2 Creați un program de lucru D=f(L) pe piele la minimele de difracție, atunci. D 1 = f(L)і D 3 = f(L).

3 Calculați tangenta limitelor de difracție, care indică primul și celălalt inel întunecat, folosind formula (6), și valoarea medie a razei particulei folosind relația suplimentară (4).

4 În mod semnificativ distrugerea dispariției. Înregistrați rezultatul rezidual din vizualizare r = <r> ± r>(m).

5 Zrobiti visnovki shodo roboti.

Laserul heliu-neon - împreună cu unul sau altul conductor - este unul dintre cele mai frecvent utilizate și mai accesibile lasere pentru regiunea vizibilă a spectrului. Puterea unor astfel de sisteme laser, utilizate în principal în scopuri comerciale, variază de la 1 mW la câteva zeci de mW. Deosebit de populare sunt laserele He-Ne nepresurizate de aproximativ 1 mW, care sunt utilizate pentru vicorizare, scop principal, ca dispozitive de evaluare, precum și pentru alte sarcini avansate în domeniul tehnologiei de virtualizare. În intervalele de lungimi de undă în infraroșu și întunecat, laserele cu heliu-neon sunt din ce în ce mai mult comparate cu un singur laser. Sunt disponibile lasere He-Ne, cu linii albastre, dar și portocaliu, galben și verde, care sunt accesibile tuturor tipurilor de oglinzi selective.

Schema nivelurilor de energie

Cele mai importante surse de energie pentru funcționarea laserelor He-Ne sunt heliul și neonul, prezentate în Fig. 1. Tranzițiile cu laser apar în atomul de neon, iar liniile cele mai intense apar ca urmare a tranzițiilor cu linii lungi 633, 1153 și 3391 (div. tabel 1).

Configurația electronică a neonului în starea principală arată astfel: 1s22s22p6, cu prima înveliș (n = 1) și cealaltă înveliș (n = 2) umplute cu doi și opt electroni. Vishchi înseamnă orez. 1 se datorează faptului că există o înveliș 1s22s22p5, iar un electron care se aprinde (optic) este generat după schema: 3s, 4s, 5s,..., Zp, 4p,... etc. Să vorbim despre sistemul unic electronic, care are o legătură cu carcasa. În schema LS (Russell - Saunders), pentru nivelurile de energie ale neonului, este indicată o stare cu un singur electron (de exemplu, 5s), precum și impulsul orbital suplimentar rezultat L (= S, P, D ... ). În notațiile S, P, D, indicele inferior arată impulsul orbital mai mare J, iar indicele superior arată multiplicitatea 2S + 1, de exemplu, 5s1P1. Sensul fenomenologic din spatele lui Paschen este adesea discutat (Fig. 1). În acest caz, ordinea stațiilor electronice curente de trezire este de la 2 la 5 (pentru stațiile s) și de la 1 la 10 (pentru stațiile p).

Mic 1. Schema nivelurilor de energie ale unui laser He-Ne. La neon, egalii sunt desemnați după Paschen, apoi: 3s2, 3s3, 3s4, 3s5 etc.

Tabelul 1. Denumirile tranzițiilor liniilor intense ale laserului He-Ne

Ruinat

Miezul activ al laserului heliu-neon este un amestec de gaze, căruia îi este furnizată energia necesară descărcării electrice. Nivelurile superioare ale laserului (2s și 2p după Paschen) sunt populate selectiv pe baza prezenței atomilor de heliu metastabili (23S1, 21S0). În timpul acestui proces, are loc un schimb de energie cinetică și un transfer al energiei atomilor de heliu excitați către atomii de neon. Acest proces se numește un alt tip de proces:

Nu * + Ne -> Nu + Ne * + ΔE, (1)

Steaua (*) simbolizează trezirea. Diferența de energie devine în momentul distrugerii nivelului 2s: & DeltaE = 0,05 eV. Când este închis, diferența aparentă este convertită în energie cinetică, care este apoi distribuită sub formă de căldură. Pentru nivelul 3s, sunt plasate numere identice. Acest transfer rezonant de energie de la heliu la neon este principalul proces de pompare în timpul inversării populațiilor. Acesta este un moment dificil în viața unei stări metastabile.Selectivitatea populației de la nivelul laserului superior nu este favorabilă.

Distrugerea non-atomilor are loc pe baza conexiunii electronilor - fie direct, fie prin tranziții suplimentare în cascadă de la nivelurile care se află mai sus. Datorită condițiilor metastabile de lungă durată, densitatea atomilor de heliu în aceste condiții este și mai mare. Nivelurile superioare ale laserului 2s și 3s pot - sub rezerva regulilor de selecție pentru tranzițiile electrice Doppler - să treacă doar în nivelurile inferioare. Pentru generarea cu succes a laserului, este important ca durata de viață a stațiilor s (nivel superior laser) = aproximativ 100 ns, iar durata de viață a p-stans (nivel laser inferior) = 10 ns.

Dovzhyni hvil

În continuare, vom arunca o privire mai atentă la cele mai importante tranziții laser, vikoryst și Fig. 1 și datele din tabelul 1. Cea mai proeminentă linie din regiunea roșie a spectrului (0,63 μm) rezultă din tranziția 3s2 → 2р4. Rubarba inferioară se desparte ca urmare a vibrației spontane care durează 10 ns în moloz 1s (Fig. 1). Rămâne rezistent la scindare datorită vibrației dipolului electric, care este, de asemenea, caracteristică vieții naturale pe termen lung. Prin urmare, atomii sunt concentrați în această țară, care este foarte populată. Într-o descărcare gazoasă, atomii într-o astfel de stare se ciocnesc cu electronii, iar acest lucru trezește din nou a doua parte a nervurilor 3s. În acest caz, inversiunea populației se modifică, ceea ce reduce intensitatea laserului. Scăderea ls are loc la laserele cu heliu-neon în principal prin legătura cu peretele tubului de descărcare în gaz, datorită căreia, odată cu creșterea diametrului tubului, se indică o scădere a intensității și o scădere a eficienței. Prin urmare, este practic să setați diametrul la aproximativ 1 mm, ceea ce, la rândul său, poate duce la o reducere a puterii de ieșire a laserelor He-Ne cu câteva zeci de mW.

Configurațiile electronice 2s, 3s, 2p și 3p, care participă la tranziția laser, sunt împărțite în omologi numerici. Acest lucru duce, de exemplu, la tranziții ulterioare în regiunea vizibilă a spectrului, așa cum se poate observa din Tabelul 2. Pentru toate liniile vizibile ale laserului He-Ne, eficiența cuantică devine aproape de 10%, ceea ce nu este atât de mult. . Diagrama de nivel (Fig. 1) arată că nivelurile superioare ale laserului se extind cu aproximativ 20 eV mai mult decât valoarea principală. Energia radiației laser roșii devine mai mică de 2 eV.

Tabelul 2. Tensiunea maximă λ, tensiunea de ieșire și lățimea liniei Δ ƒ a laserului He-Ne (tranziții desemnate conform Paschen)

Vibrația în domeniul infraroșu în jur de 1,157 µm rezultă din tranziții suplimentare 2s → 2p. Acestea se extind și la o linie foarte slabă de aproximativ 1,512 µm. Aceste linii infraroșii se găsesc în laserele comerciale.

O caracteristică caracteristică a liniei în domeniul HF la 3391 µm este intensitatea sa ridicată. În zona de semnal slab, cu o trecere unică a semnalelor luminoase slabe, acesta devine aproape de 20 dB/m. Aceasta corespunde unui coeficient de 100 pentru un laser de 1 metru. Nivelul laser superior este același ca la joncțiunea roșie vizibilă (0,63 µm). Foarte așezat, pe de o parte, decorați viklycans cu o oră scurtă de viață pe râul 3p inferior. Pe de altă parte, acest lucru se explică prin durata aparent mare a zgomotului, aparent prin frecvența scăzută a vibrațiilor. Datorită interacțiunii dintre vibrația forțată și cea spontană, proeminența crește pentru frecvențele joase. Amplificarea semnalelor slabe g este de obicei proporțională cu g ~2.

Fără elemente selective, laserul cu heliu-neon a fost emis la o linie de 3,39 µm, și nu în regiunea roșie la 0,63 µm. O linie infraroșu deteriorată omite fie oglinda selectivă a rezonatorului, fie argila din ferestrele Brewster ale tubului de descărcare de gaz. Prin urmare, pragul de generare a laserului poate fi mutat până la un nivel suficient pentru generarea de 3,39 µm, astfel încât să nu existe o linie mai slabă aici.

Structural nu vikonannya

Activările electronice necesare sunt create într-o descărcare de gaz (Fig. 2), care poate fi generată cu o tensiune de aproximativ 12 kV cu debite de 5 până la 10 mA. Adâncimea tipică de descărcare este de 10 cm sau mai mult, diametrul capilarelor de descărcare devine aproape de 1 mm și corespunde diametrului fasciculului laser transmis. Odată cu creșterea diametrului tubului de descărcare în gaz, coeficientul de acțiune corozivă scade, lăsând deșeurile să fie golite de nivelul ls cerut de peretele tubului. Pentru o tensiune de ieșire optimă, se aplică o umplutură de înaltă presiune (p): p D = 500 Pa mm, unde D este diametrul tubului. Relația dintre nebunia El/Ne se află sub linia importantă a stimulării cu laser. Pentru linia roșie vizibilă avem He: Ne = 5:l, iar linia infraroșie este aproape de 1,15 µm - He:Ne=10:l. Un aspect important este si optimizarea grosimii curentului. Coeficientul de acțiune pentru linia de 633 nm este aproape de 0,1%, deoarece procesul de trezire în acest caz nu este foarte eficient. Durata de viață a unui laser cu heliu-neon este de aproximativ 20.000 de ani de lucru.

Mic 2. Proiectarea laserului He-Ne pentru vibrații polarizate în domeniul mW

Puterea pentru astfel de minți este egală cu g=0,1 m-1, așa că este necesar să folosiți oglinzi cu o valoare mare. Pentru ca fasciculul laser să iasă, pe o parte este instalată o oglindă parțială care transmite (ca un vizualizator) (de exemplu, cu R = 98%), iar pe cealaltă parte - o oglindă cu cea mai mare transmisie posibilă (~ 100% ). Intensificarea altor tranziții vizibile este semnificativ mai mică (div. Tabelul 2). În scop comercial, această linie a fost eliminată cu resursele rămase în spatele ajutorului oglinzilor, care sunt suportate de cheltuieli extrem de mici.

Anterior, cu un laser heliu-neon, ferestrele de ieșire ale tubului de descărcare a gazelor erau fixate cu rășină epoxidice, iar oglinzile erau montate separat. Acest lucru a făcut ca heliul să se difuzeze prin lipici și vaporii de apă să intre în laser. Astăzi, ferestrele sunt fixate folosind metoda de lipire directă a metalului pe sticlă, ceea ce reduce debitul de heliu la aproximativ 1 Pa pe râu. Pentru laserele cu generație de masă mică, acoperirea cu oglindă este aplicată direct pe ferestrele de ieșire, ceea ce va simplifica semnificativ întreaga structură.

Puterea pachetului

Pentru a selecta polarizarea directă, lampa cu descărcare în gaz este prevăzută cu două sau mai multe ferestre rotative, așa cum se arată în Fig. 2, rezonatorul este introdus într-o placă Brewster. Intensitatea de pe suprafața optică este redusă la zero atunci când lumina cade sub așa-numita tăietură Brewster și polarizările sunt paralele cu planul incident. În acest fel, promovarea unei astfel de polarizări directe trece prin fereastra Brewster fără nicio cheltuială. În același timp, intensitatea componentei, polarizată perpendicular pe suprafața suprafeței, este mare și se îndoaie în laser.

Coeficientul de polarizare (etapa) (gradul de polarizare este setat să fie perpendicular pe direcție) este 1000:1 pentru sistemele comerciale standard. La operarea unui laser fără plăci Brewster, vibrațiile nepolarizate sunt generate de oglinzile interne.

Laserul generează în primul rând pe modul transversal TEM00 (modul de ordin inferior) și se creează o serie de moduri ulterioare (axiale). La distanța dintre oglinzi (sub rezonatorul laser) L = 30 cm, intervalul de frecvență intermod devine Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. Frecvența centrală devine 4,7·1014 Hz. Segmentele de amplificare a luminii pot fi generate în intervalul Δ ƒ = 1500 MHz (lățimea Doppler), la L = 30CM se produc trei frecvențe diferite: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. Cu viconicitate mai puțin stați între oglinzi (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.

Laserele cu heliu-neon în jur de 10 mW sunt adesea folosite în interferometrie și holografie. Coerența maximă a unor astfel de lasere de generație în serie este de 20 până la 30 cm, ceea ce este complet suficient pentru holografia obiectelor mici. Valori mai mari de coerență provin din distorsiunea elementelor de frecvență seriale selective.

La modificarea distanței optice dintre oglinzi, ca urmare a influxului termic sau de altă natură, este generat sunetul de frecvențe axiale înalte ale rezonatorului laser. Cu generarea cu o singură frecvență, aici se produce o frecvență stabilă și se mișcă necontrolat în intervalul de lățime a liniei de 1500 MHz. Prin utilizarea unei reglementări electronice suplimentare, este posibil să se obțină stabilizarea frecvenței în jurul centrului liniei (sistemele comerciale pot avea o stabilitate a frecvenței de câțiva MHz). În laboratoarele anterioare, este posibil să se stabilizeze un laser cu heliu-neon la un interval mai mic de 1 Hz.

Prin utilizarea diferitelor linii ale oglinzilor din Tabelul 4.2, diferitele linii din Tabelul 4.2 pot fi activate pentru a genera vibrații laser. Cel mai obișnuit este să găsiți o linie vizibilă în jurul a 633 nm cu ieșiri tipice de câțiva miliwați. După suprimarea liniei laser intense de aproape 633 nm, distorsiunea oglinzilor sau prismelor selective din rezonator poate dezvălui alte linii în domeniul vizibil (vezi Tabelul 2). Cu toate acestea, tensiunea de ieșire a acestor linii devine mai mică de 10% din tensiunea de ieșire a liniei intensive sau mai puțin.

Laserele cu heliu-neon pentru uz comercial sunt disponibile într-o varietate de industrii. Pe lângă acestea, există și lasere care generează pe linii bogate și combinații diferite. La sfârșitul laserelor He-Ne, care sunt retrezite, retrezite, rotind prisma, selectați necesarul de energie.

Ca exemplu practic, să ne uităm la dispozitivul și principiul de funcționare al laserului heliu-neon, care este testat în laboratorul nostru. Discurs Robocha - atomy neon ( Ne). Vikorist este pompat electric: electronii curg prin tubul de descărcare în gaz; Când electronii lichizi se conectează cu atomii de neon, electronii rămași sunt forțați să se deplaseze la nivelurile superioare de energie. Cu toate acestea, pentru atomii de neon, pomparea directă cu impact de electroni s-a dovedit a fi ineficientă. Pentru a accelera transferul de energie, heliul a fost adăugat la neon ( El).

Diagrama de pompare este prezentată în Fig. 4.2. Ulterior, legătura dintre electroni și atomii de heliu se deplasează de la nivelul principal la nivel 2 S. Acești atomi de heliu treziți se ciocnesc cu atomii de neon și le oferă energie stocată. Ca urmare, atomii și neonul se deplasează de la nivelul principal la nivelul, care este aproape de nivel 2 S heliu. Rezultatele sunt pornite
egal cu neon este creat cu populatia este semnificativa. În același timp, există rubarbă
Este slab populat, iar fragmentele sunt curățate rapid prin tranziții spontane către câmpiile inferioare. La trecere
populaţia pare a fi inversată. Tranziția atomului la neon din partea superioară
nivel la nivel inferior
aduce la laser viprominuvaniya cu dozhina hvili
µm, care seamănă cu o lumină roșie.

P Există, deci, o cale de mijloc în care s-a creat o populație inversă. umova (4.7) are loc. Într-un astfel de mijloc, vibrația este mai puternică, mai puțin lustruită. Prin urmare, mijlocul este mai multă lumină cu frecvența ν (dowzhinyu hvili λ) , care indică o tranziție între niveluri cu o populație inversată (formula extraordinară (4.2)). Cu toate acestea, puterea este mică: laserul cu heliu-neon are lumină, trecând prin mediul activ 1 m, încearcă totul 2 %. Prin urmare, pentru a elimina vibrația strălucitoare, este necesar ca lumina să rămână în mijlocul activ pentru o perioadă lungă de timp. Puteți solicita ajutor rezonator optic. Un centru activ cu populație inversă și un rezonator optic sunt cele două părți principale ale oricărui laser.

În fig. 4.3 prezintă schematic un dispozitiv laser cu heliu-neon. În mijloc există un tub cu descărcare de gaz (GDT) cu un miez activ - un amestec de heliu-neon. Presiune parțială la heliu - 1 mmHg. ( 133 Pa), și neon - 0,1 mmHg. ( 13,3 Pa). Tubul conține catodul Inainte de acel anod A. Când catodul este încălzit și gazele de înaltă tensiune sunt furnizate între catod și anod, gazele care energizează tubul pot genera o descărcare electrică și pot cauza lumina să strălucească. În timpul orei de descărcare, scăderea tensiunii anodice la conductă ajunge 1,5 kV, fluxul ajunge prin tub 30 mA. Când pârâul trece prin sumiș, apare o populație inversă.

Rezonator optic - două oglinzi de înaltă precizie Z1і Z2(plată sau sferică), una dintre acestea ( Z2) napіvprozor. Oglinzile sunt instalate la capătul tubului de descărcare a gazului paralel unul cu celălalt. Lumina, care iese din oglinzile rezonatoare, trece prin tubul de descărcare în gaz. Drept urmare, lumina curge în mijlocul activ al mesei, astfel încât intensitatea luminii atinge o valoare mare. Înainte de începerea generării laserului în mijloc există un germen de generare spontană. Această transformare, trecând prin oglinzi, trece adesea prin mijlocul activ. Pe pasajul cutanat se forța cu ajutorul unei vipere forțate de mijloc. Rezultatul este un fascicul laser strălucitor care iese din oglinda transparentă.

Cu toate acestea, doar o mică parte din generarea spontană este generată de generarea laser. Rezonatorul optic are o vibrație ridicată: în mijlocul vibrațiilor spontane selectează direct vibrațiile din cântec. Într-adevăr, un număr mare de reflexii vor fi detectate doar de elementele care sunt distribuite pe toată axa optică a rezonatorului. Vibrația spontană care trece sub tăietura pe axă, provenită de la rezonator și generarea laserului nu ia parte. Din acest motiv, laserul generează un fascicul de lumină îngust, cu răspândire redusă.

Vibrația laserului cu heliu-neon este polarizată eliptic. Acest lucru se datorează faptului că fereastra tubului de descărcare a gazului este instalată sub tăietura Brewster.
. Lumina care trece prin fereastra tubului cu descărcare în gaz suprimă generarea laserului. Instalând ferestre sub tăietura Brewster, ei cer ce este lumină, în ce vector E oscilează în planul văii, trece prin fereastră practic fără distorsiuni. Ca rezultat, doar o astfel de lumină polarizată este generată de laser.

Astfel, un fascicul îngust de lumină roșie, polarizată eliptic, iese din laserul cu heliu-neon. Această lumină este rezultatul vibrațiilor forțate. Ordinea interferenței este spontană, deoarece nu este polarizată și iese din laser în toate direcțiile. Această modificare nu ocupă același loc cu generarea laserului. Generarea spontană a laserului este mult mai slabă decât cea stimulată, iar luminozitatea acestuia este aproximativ aceeași cu cea a unui tub convențional cu descărcare în gaz.

Laserul heliu-neon - împreună cu unul sau altul conductor - este unul dintre cele mai frecvent utilizate și mai accesibile lasere pentru regiunea vizibilă a spectrului. Puterea unor astfel de sisteme laser, utilizate în principal în scopuri comerciale, variază de la 1 mW la câteva zeci de mW. Deosebit de populare sunt laserele He-Ne nepresurizate de aproximativ 1 mW, care sunt utilizate pentru vicorizare, scop principal, ca dispozitive de evaluare, precum și pentru alte sarcini avansate în domeniul tehnologiei de virtualizare. În intervalele de lungimi de undă în infraroșu și întunecat, laserele cu heliu-neon sunt din ce în ce mai mult comparate cu un singur laser. Sunt disponibile lasere He-Ne, cu linii albastre, dar și portocaliu, galben și verde, care sunt accesibile tuturor tipurilor de oglinzi selective.

Schema nivelurilor de energie

Cele mai importante surse de energie pentru funcționarea laserelor He-Ne sunt heliul și neonul, prezentate în Fig. 1. Tranzițiile cu laser apar în atomul de neon, iar liniile cele mai intense apar ca urmare a tranzițiilor cu linii lungi 633, 1153 și 3391 (div. tabel 1).

Configurația electronică a neonului arată în principiu astfel: 1 s 2 2s 2 2p 6 De ce este o obolonka de primă clasă ( n= 1) coaja acelui prieten ( n= 2) umplut cu doi și opt electroni. Vishchi înseamnă orez. 1 vina pentru ceea ce este aici 1 s 2 2s 2 2p 5 - înveliș, iar electronul care se aprinde (optic) este conectat la circuit: 3 s, 4s, 5s,..., Z R, 4R,... etc. Să vorbim despre sistemul unic electronic, care are o legătură cu carcasa. Schema LS (Russell - Saunders) pentru nivelurile de energie ale neonului are o etapă electronică (de exemplu, 5 s), și indicați momentul orbital final rezultat L (= S, P, D...). În ceea ce privește S, P, D, indicele inferior arată impulsul orbital mai mare J, iar indicele superior arată multiplicitatea 2S + 1, de exemplu, 5 s 1 P 1 . Sensul fenomenologic din spatele lui Paschen este adesea discutat (Fig. 1). În acest caz, ordinea stațiilor electronice curente de trezire este de la 2 la 5 (pentru stațiile s) și de la 1 la 10 (pentru stațiile p).

Ruinat

Miezul activ al laserului heliu-neon este un amestec de gaze, căruia îi este furnizată energia necesară descărcării electrice. Nivelurile superioare ale laserului (2s și 2p în spatele lui Paschen) sunt populate selectiv pe baza interacțiunii cu atomii de heliu metastabili (2 3 S 1, 2 1 S 0). În timpul acestui proces, are loc un schimb de energie cinetică și un transfer al energiei atomilor de heliu excitați către atomii de neon. Acest proces se numește un alt tip de proces:

Nu * + Ne -> Nu + Ne * + ΔE, (1)

Steaua (*) simbolizează trezirea. Diferența de energie devine în momentul distrugerii nivelului 2s: & DeltaE = 0,05 eV. Când este închis, diferența aparentă este convertită în energie cinetică, care este apoi distribuită sub formă de căldură. Pentru nivelul 3s, sunt plasate numere identice. Acest transfer rezonant de energie de la heliu la neon este principalul proces de pompare în timpul inversării populațiilor. Acesta este un moment dificil în viața unei stări metastabile.Selectivitatea populației de la nivelul laserului superior nu este favorabilă.

Distrugerea non-atomilor are loc pe baza conexiunii electronilor - fie direct, fie prin tranziții suplimentare în cascadă de la nivelurile care se află mai sus. Datorită condițiilor metastabile de lungă durată, densitatea atomilor de heliu în aceste condiții este și mai mare. Nivelurile superioare ale laserului 2s și 3s pot - sub rezerva regulilor de selecție pentru tranzițiile electrice Doppler - să treacă doar în nivelurile inferioare. Pentru generarea cu succes a laserului, este important ca durata de viață a stațiilor s (nivel superior laser) = aproximativ 100 ns, iar durata de viață a p-stans (nivel laser inferior) = 10 ns.

Dovzhyni hvil

În continuare, vom arunca o privire mai atentă la cele mai importante tranziții laser, vikoryst și Fig. 1 și datele din tabelul 1. Cea mai proeminentă linie din regiunea roșie a spectrului (0,63 μm) este un succesor al tranziției 3s 2 → 2p 4. Rubarba inferioară se desparte ca urmare a vibrației spontane care durează 10 ns în moloz 1s (Fig. 1). Rămâne rezistent la scindare datorită vibrației dipolului electric, care este, de asemenea, caracteristică vieții naturale pe termen lung. Prin urmare, atomii sunt concentrați în această țară, care este foarte populată. Într-o descărcare gazoasă, atomii într-o astfel de stare se ciocnesc cu electronii, iar acest lucru trezește din nou a doua parte a nervurilor 3s. În acest caz, inversiunea populației se modifică, ceea ce reduce intensitatea laserului. Scăderea ls are loc la laserele cu heliu-neon în principal prin legătura cu peretele tubului de descărcare în gaz, datorită căreia, odată cu creșterea diametrului tubului, se indică o scădere a intensității și o scădere a eficienței. Prin urmare, este practic să setați diametrul la aproximativ 1 mm, ceea ce, la rândul său, poate duce la o reducere a puterii de ieșire a laserelor He-Ne cu câteva zeci de mW.

Configurațiile electronice 2s, 3s, 2p și 3p, care participă la tranziția laser, sunt împărțite în omologi numerici. Acest lucru duce, de exemplu, la tranziții ulterioare în regiunea vizibilă a spectrului, așa cum se poate observa din Tabelul 2. Pentru toate liniile vizibile ale laserului He-Ne, eficiența cuantică devine aproape de 10%, ceea ce nu este atât de mult. . Diagrama de nivel (Fig. 1) arată că nivelurile superioare ale laserului se extind cu aproximativ 20 eV mai mult decât valoarea principală. Energia radiației laser roșii devine mai mică de 2 eV.

Tabelul 2. Tensiunea maximă λ, tensiunea de ieșire și lățimea liniei Δ ƒ a laserului He-Ne (tranziții desemnate conform Paschen)

Vibrația în domeniul infraroșu în jur de 1,157 µm rezultă din tranziții suplimentare 2s → 2p. Acestea se extind și la o linie foarte slabă de aproximativ 1,512 µm. Aceste linii infraroșii se găsesc în laserele comerciale.

O caracteristică caracteristică a liniei în domeniul HF la 3391 µm este intensitatea sa ridicată. În zona de semnal slab, cu o trecere unică a semnalelor luminoase slabe, acesta devine aproape de 20 dB/m. Aceasta corespunde unui coeficient de 100 pentru un laser de 1 metru. Nivelul laser superior este același ca la joncțiunea roșie vizibilă (0,63 µm). Foarte așezat, pe de o parte, decorați viklycans cu o oră scurtă de viață pe râul 3p inferior. Pe de altă parte, acest lucru se explică prin durata aparent mare a zgomotului, aparent prin frecvența scăzută a vibrațiilor. Datorită interacțiunii dintre vibrația forțată și cea spontană, proeminența crește pentru frecvențele joase. Amplificarea semnalelor slabe g este de obicei proporțională cu g ~ 2.

Fără elemente selective, laserul cu heliu-neon a fost emis la o linie de 3,39 µm, și nu în regiunea roșie la 0,63 µm. O linie infraroșu deteriorată omite fie oglinda selectivă a rezonatorului, fie argila din ferestrele Brewster ale tubului de descărcare de gaz. Prin urmare, pragul de generare a laserului poate fi mutat până la un nivel suficient pentru generarea de 3,39 µm, astfel încât să nu existe o linie mai slabă aici.

Structural nu vikonannya

Activările electronice necesare sunt create într-o descărcare de gaz (Fig. 2), care poate fi generată cu o tensiune de aproximativ 12 kV cu debite de 5 până la 10 mA. Adâncimea tipică de descărcare este de 10 cm sau mai mult, diametrul capilarelor de descărcare devine aproape de 1 mm și corespunde diametrului fasciculului laser transmis. Odată cu creșterea diametrului tubului de descărcare în gaz, coeficientul de acțiune corozivă scade, lăsând deșeurile să fie golite de nivelul ls cerut de peretele tubului. Pentru o tensiune de ieșire optimă, se aplică o umplutură de înaltă presiune (p): p D = 500 Pa mm, unde D este diametrul tubului. Relația dintre nebunia El/Ne se află sub linia importantă a stimulării cu laser. Pentru linia roșie vizibilă avem He: Ne = 5:l, iar linia infraroșie este aproape de 1,15 µm - He:Ne=10:l. Un aspect important este si optimizarea grosimii curentului. Coeficientul de acțiune pentru linia de 633 nm este aproape de 0,1%, deoarece procesul de trezire în acest caz nu este foarte eficient. Durata de viață a unui laser cu heliu-neon este de aproximativ 20.000 de ani de lucru.

Mic 2. Proiectarea laserului He-Ne pentru vibrații polarizate în domeniul mW

Puterea pentru astfel de minți este la nivelul g = 0,1 m -1, așa că este necesar să selectați oglinzi cu o valoare ridicată. Pentru ca fasciculul laser să iasă, pe o parte este instalată o oglindă parțială care transmite (ca un vizualizator) (de exemplu, cu R = 98%), iar pe cealaltă parte - o oglindă cu cea mai mare transmisie posibilă (~ 100% ). Intensificarea altor tranziții vizibile este semnificativ mai mică (div. Tabelul 2). În scop comercial, această linie a fost eliminată cu resursele rămase în spatele ajutorului oglinzilor, care sunt suportate de cheltuieli extrem de mici.

Anterior, cu un laser heliu-neon, ferestrele de ieșire ale tubului de descărcare a gazelor erau fixate cu rășină epoxidice, iar oglinzile erau montate separat. Acest lucru a făcut ca heliul să se difuzeze prin lipici și vaporii de apă să intre în laser. Astăzi, ferestrele sunt fixate folosind metoda de lipire directă a metalului pe sticlă, ceea ce reduce debitul de heliu la aproximativ 1 Pa pe râu. Pentru laserele cu generație de masă mică, acoperirea cu oglindă este aplicată direct pe ferestrele de ieșire, ceea ce va simplifica semnificativ întreaga structură.

Puterea pachetului

Pentru a selecta polarizarea directă, lampa cu descărcare în gaz este prevăzută cu două sau mai multe ferestre rotative, așa cum se arată în Fig. 2, rezonatorul este introdus într-o placă Brewster. Intensitatea de pe suprafața optică este redusă la zero atunci când lumina cade sub așa-numita tăietură Brewster și polarizările sunt paralele cu planul incident. În acest fel, promovarea unei astfel de polarizări directe trece prin fereastra Brewster fără nicio cheltuială. În același timp, intensitatea componentei, polarizată perpendicular pe suprafața suprafeței, este mare și se îndoaie în laser.

Coeficientul de polarizare (etapa) (gradul de polarizare este setat să fie perpendicular pe direcție) este 1000:1 pentru sistemele comerciale standard. La operarea unui laser fără plăci Brewster, vibrațiile nepolarizate sunt generate de oglinzile interne.

Laserul generează lumină pe modul transversal TEM 00 (modul de ordin inferior) și se creează o serie de moduri ulterioare (axiale). La distanța dintre oglinzi (sub rezonatorul laser) L = 30 cm, intervalul de frecvență intermod devine Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. Frecvența centrală devine 4,7·10 14 Hz. Segmentele de amplificare a luminii pot fi generate în intervalul Δ ƒ = 1500 MHz (lățimea Doppler), la L = 30CM se produc trei frecvențe diferite: Δ ƒ/Δ ƒ`= 3. Cu viconicitate mai puțin stați între oglinzi (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.

Laserele cu heliu-neon în jur de 10 mW sunt adesea folosite în interferometrie și holografie. Coerența maximă a unor astfel de lasere de generație în serie este de 20 până la 30 cm, ceea ce este complet suficient pentru holografia obiectelor mici. Valori mai mari de coerență provin din distorsiunea elementelor de frecvență seriale selective.

La modificarea distanței optice dintre oglinzi, ca urmare a influxului termic sau de altă natură, este generat sunetul de frecvențe axiale înalte ale rezonatorului laser. Cu generarea cu o singură frecvență, aici se produce o frecvență stabilă și se mișcă necontrolat în intervalul de lățime a liniei de 1500 MHz. Prin utilizarea unei reglementări electronice suplimentare, este posibil să se obțină stabilizarea frecvenței în jurul centrului liniei (sistemele comerciale pot avea o stabilitate a frecvenței de câțiva MHz). În laboratoarele anterioare, este posibil să se stabilizeze un laser cu heliu-neon la un interval mai mic de 1 Hz.

Prin utilizarea diferitelor linii ale oglinzilor din Tabelul 4.2, diferitele linii din Tabelul 4.2 pot fi activate pentru a genera vibrații laser. Cel mai obișnuit este să găsiți o linie vizibilă în jurul a 633 nm cu ieșiri tipice de câțiva miliwați. După suprimarea liniei laser intense de aproape 633 nm, distorsiunea oglinzilor sau prismelor selective din rezonator poate dezvălui alte linii în domeniul vizibil (vezi Tabelul 2). Cu toate acestea, tensiunea de ieșire a acestor linii devine mai mică de 10% din tensiunea de ieșire a liniei intensive sau mai puțin.

Laserele cu heliu-neon pentru uz comercial sunt disponibile într-o varietate de industrii. Pe lângă acestea, există și lasere care generează pe linii bogate și combinații diferite. La sfârșitul laserelor He-Ne, care sunt retrezite, retrezite, rotind prisma, selectați necesarul de energie.

Cel mai larg laser cu gaz este heliu-neon ( He-Ne) laser (laser cu atom neutru), care funcționează pe un amestec de heliu și neon într-un raport de 10:1. Acest laser este, de asemenea, primul laser non-stop.

Să aruncăm o privire la diagrama energetică a heliului și neonului (Fig. 3.4). Generarea are loc între nivelurile de neon, iar heliul este adăugat la implementarea procesului de pompare. După cum se vede de la Malyunka, Rivni 2 3 S 1і 2 1 S 0 frecat cu heliu, asemănător, aproape egal 2sі 3s neon. Fragmentele sunt egale cu heliul 2 3 S 1і 2 1 S 0 Dacă sunt metastabili, atunci când excitațiile metastabile ale atomilor de heliu și atomilor de neon sunt conectate, va exista un transfer rezonant de energie către atomii de neon (comparativ cu un alt tip).

În acest fel, egal 2sі 3s Neonii pot fi populați și, prin urmare, generarea poate avea loc din acești rivali. Ora de viata s-staniv ( ts»100 ns) mai mult de o oră de viață R-staniv ( t r„10 ns), atunci creierul pentru operarea cu laser se bazează pe următorul circuit:

1 1 S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s .

Generarea laserului este posibilă la una dintre tranziții A, b, c zilnic până la Dovzhin Khvil l a=3,39 µm, livre=0,633 µm, l z=1,15 µm, care poate fi realizat prin selectarea coeficientului de reflexie al oglinzilor rezonatoare sau prin introducerea de elemente dispersive în rezonator.

Mic 3.4. Schema surselor de energie pentru heliu și neon.

Să aruncăm o privire la caracteristicile laserului unui astfel de laser.

Fig.3.5. Caracteristicile laser ale unui laser cu heliu-neon

Creșterea treptată a presiunii de ieșire din cauza pomparii crescute se explică prin inversarea populației. Odată ce presiunea maximă este atinsă, cu o creștere suplimentară a presiunii, curba de umflare începe să scadă. Aceasta înseamnă că nivelurile 2p și 1s nu vă permit să vă relaxați. electronii nu sunt capabili să treacă la un nivel de energie scăzut, iar numărul de electroni de pe nivelurile curente 2p și 1s rămâne același. Și aici este inversiunea zilnică.

CCD-ul laserelor cu heliu-neon este de ordinul a 0,1%, ceea ce se explică prin densitatea de volum scăzută a particulelor excitate. Tensiunea tipicului He-Ne-laser P~5-50 mW, alimentare q~1 mrad.

Laser cu argon

Aceste cele mai puternice lasere funcționează continuu în regiunile vizibile și aproape ultraviolete ale spectrului, care se extind până la laserele cu gaz ionic. Nivelul laser superior al gazului de lucru este populat cu două conexiuni electronice ulterioare în timpul unei descărcări electrice. Cu prima conexiune se creează ioni din atomi neutri, iar cu cealaltă, acești ioni sunt treziți. De asemenea, pomparea este un proces în două părți, eficacitatea pielii este proporțională cu grosimea strumei. Pentru a obține o pompare eficientă, este necesar să ajungeți la un flux de mare putere.

Diagrama nivelurilor de energie laser Ar+ prezentat în Fig. 3.3. Vibrația laserului în liniile între 454,5 nm și 528,7 nm este observată atunci când grupul de egali este populat 4p calea distrugerii prin impact electronic al stațiilor principale și metastabile Ar+.

Laser cu 3,5 CO 2

Molecular CO2-Laserele sunt printre laserele cu gaz, cele mai puternice lasere non-stop, datorita celei mai mari conversii CCD a energiei electrice in energie de vibratie (15-20%). Generarea laserului este generată la joncțiunile colival-obertale, iar liniile de propagare ale acestor lasere sunt situate în regiunea IR îndepărtată, care sunt situate pe porumbeii de 9,4 µm și 10,4 µm.

U CO2- laserul vicorizează suma gazelor CO2, N 2і El. Pomparea are loc fără întrerupere când moleculele sunt închise CO2 cu electroni și molecule trezite colectiv N 2. Conductivitate termică ridicată nu absoarbe răcirea CO2 Ce ar trebui făcut pentru a epuiza nivelul laser inferior, care este populat ca urmare a excitației termice. În acest fel, prezența N 2 sumya are o populație ridicată a nivelului laser superior și prezența El– prăbușirea nivelului inferior, iar rezultatele duhoarei duc la o inversare crescută a populațiilor. Diagrama nivelurilor de energie CO2-laserul este prezentat în Fig. 3.4. Generarea laserului are loc în timpul tranziției moleculelor între morile de tocat CO 2 n 3 Þn 1 sau n 3 Þn 2 Voi deveni un substitut al universalului.

CO2 Laserul poate fi operat fie continuu, fie în moduri pulsate. Într-un mod continuu, presiunea de ieșire poate atinge câțiva kilowați.