Принцип действия гелий-неонового лазера

Гелий-неоновый лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Он относится к атомарным газовым лазерам и его активной средой служит смесь нейтральных (неионизированных) атомов инертных газов – гелия и неона. Неон является рабочим газом, и между его энергетическими уровнями происходят переходы с испусканием когерентного электромагнитного излучения. Гелий исполняет роль вспомогательного газа и способствует возбуждению неона и созданию в нем инверсии населенности.

Для начала генерации в любом лазере должны быть выполнены два важнейших условия:

1. Между рабочими лазерными уровнями должна существовать инверсия населенности.

2. Усиление в активной среде должно превышать все потери в лазере, в том числе «полезные» потери на вывод излучения.

Если в системе существуют два уровня Е 1и Е 2с числом частиц на каждом из них соответственно N 1и N 2и степенью вырождения g 1и g 2, то инверсия населенностей будет происходить, когда населенность N 2/ g 2верхнего уровня Е 2будет больше населенности N 1/ g 1нижнего уровня Е 1_, то есть степень инверсии Δ N будет положительна:

.

(3.1)

Если уровни Е 1и Е 2невырождены, то для возникновения инверсии необходимо, чтобы число частиц N 2на верхнем уровне Е 2было больше числа частиц N 1на нижнем уровне Е 1. Уровни, между которыми возможно образование инверсии населенностей и возникновение вынужденных переходов с испусканием когерентного электромагнитного излучения, называют рабочими лазерными уровнями.

Состояние с инверсией населенностей создается с помощью накачки – возбуждения атомов газа различными методами. За счет энергии внешнего источника, называемого источником накачки, атом Ne с основного уровня энергии E 0, соответствующего состоянию термодинамического равновесия, переходит в возбужденное состояние Ne*. Переходы могут происходить на различные энергетические уровни в зависимости от интенсивности накачки. Далее происходят спонтанные или вынужденные переходы на нижележащие уровни энергии.

В большинстве случаев нет необходимости рассматривать все возможные переходы между всеми состояниями в системе. Это дает возможность говорить о двух-, трех- и четыхуровневых схемах работы лазеров. Вид схемы работы лазера определяется свойствами активной среды, а также используемым методом накачки.

Гелий-неоновый лазер работает по трехуровневой схеме, как показано на рис. 3.1. В этом случае каналы накачки и генерации излучения частично разделены. Накачка активного вещества вызывает переходы с основного уровня E 0на возбужденный уровень E 2, что приводит к возникновению инверсии населенностей между рабочими уровнями E 2и E 1. Активная среда, находящаяся в состоянии с инверсией населенностей рабочих уровней, способна усиливать электромагнитное излучение с частотой за счет процессов вынужденного испускания.

Рис. 3.1. Схема энергетических уровней рабочего и вспомогательного газа,
поясняющая работу гелий-неонового лазера

Так как уширение уровней энергии в газах мало и широкие полосы поглощения отсутствуют, то получение инверсной населенности с помощью
оптического излучения затруднено. Однако в газах возможны другие методы накачки: прямое электронное возбуждение и резонансная передача энергии при столкновении атомов. Возбуждение атомов при столкновении с электронами может быть проще всего осуществлено в электрическом разряде, где ускоренные электрическим полем электроны могут приобрести значительную кинетическую энергию. При неупругих столкновениях электронов с атомами последние переходят в возбужденное состояние E 2:

.

(3.2)

В гелий-неоновом лазере прямое электронное возбуждение сочетается с передачей энергии атомам рабочего газа Ne от предварительно возбужденных атомов вспомогательного газаHe при неупругих столкновениях:

	,	(3.3)
	,	(3.4)

Важно, что процесс (3.4) носит резонансный характер: вероятность передачи энергии будет максимальна, если возбужденные энергетические состояния различных атомов совпадают, т. е. находятся в резонансе.

Подробно уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изображены на рис. 3.2. Переходы, соответствующие неупругим взаимодействиям атомов газов с быстрыми электронами (3.2) и (3.3), показаны пунктирными стрелками вверх. Атомы гелия в результате электронного удара возбуждаются на уровни 21S0и 23S1, которые являются метастабильными. Излучательные переходы в гелии в основное состояние 1S0запрещены правилами отбора. При столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne, находящимися в основном состоянии 1S0, возможна передача возбуждения (3.4), и неон переходит на один из уровней 2S или 3S. При этом выполняется условие резонанса, поскольку энергетические зазоры между основными и возбужденными состояниями во вспомогательном и рабочем газе близки между собой.

С уровней 2S и 3S неона могут происходить излучательные переходы на уровни 2Р и 3Р. Уровни Р менее заселены, чем верхние уровни S, так как прямая передача энергии от атомов He на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни Р обладают малым временем жизни, и безызлучательный переход Р→ 1S опустошает уровни Р. Таким образом, возникает ситуация (3.1), когда населенность верхних уровней S выше населенности нижележащих уровней Р, т. е. между уровнями S и P возникает инверсия населенности, а значит переходы между ними могут использоваться для лазерной генерации.

Так как число уровней S и Р велико, то возможен большой набор различных квантовых переходов между ними. В частности, с четырех уровней 2S на десять уровней 2Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излучения при переходах 2S→ 2Р является линия 1, 1523 мкм (инфракрасная область спектра). Для переходов 3S→ 2Р наиболее значима линия 0, 6328 мкм (красная область), а для 3S→ 3Р – 3, 3913 мкм (ИК-область). Спонтанное излучение происходит на всех перечисленных длинах волн.

Рис. 3.2. Энергетические уровни атомов гелия и неона и схема работы He-Ne-лазера

Как указывалось ранее, после излучательных переходов на уровни Р происходит безызлучательный радиационный распад при переходах Р→ 1S. К сожалению, уровни неона 1S являются метастабильными, и если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона в основное состояние с уровня 1S является соударение со стенками сосуда. По этой причине усиление системы увеличивается при уменьшении диаметра разрядной трубки. Поскольку состояния 1S неона опустошаются медленно, то атомы Nе задерживаются в этих состояниях, что является весьма нежелательным и определяет ряд особенностей этого лазера. В частности, при увеличении тока накачки выше порогового значения j порпроисходит быстрое увеличение, а затем насыщение и даже спад мощности лазерного излучения, что как раз и объясняется накоплением рабочих частиц на уровнях 1S и затем их перебросом в состояния 2Р или 3Р при столкновении с электронами. Это не дает возможности получать высокие выходные мощности излучения.

Возникновение инверсной населенности зависит от давления He и Ne в смеси и температуры электронов. Оптимальные значения давлений газов составляют для Не 133 Па, для Ne – 13 Па. Температура электронов задается напряжением, прикладываемым к газовой смеси. Обычно это напряжение поддерживается на уровне 2…3 кВ.

Для получения лазерной генерации необходимо, чтобы в лазере существовала положительная обратная связь, иначе прибор будет работать только как усилитель. Для этого активную газовую среду помещают в оптический резонатор. Кроме создания обратной связи резонатор используется для селекции типов колебаний и отбора длины волны генерации, для чего применяются специальные селективные зеркала.

При уровнях накачки, близких к пороговому, сравнительно легко осуществляется генерация на одном типе колебаний. С увеличением уровня возбуждения, если не принимается специальных мер, возникает ряд других мод. В этом случае генерация происходит на частотах, близких к резонансным частотам резонатора, которые заключены в пределах ширины атомной линии. В случае аксиальных типов колебаний (ТЕМ00-мод) расстояние по частоте между соседними максимумами , где L – длина резонатора. В результате одновременного присутствия нескольких мод в спектре излучения возникают биения и неоднородности. Если бы существовали только аксиальные моды, то спектр представлял бы собой отдельные линии, расстояние между которыми было бы равно c / 2 L. Но в резонаторе возможно также возбуждение неаксиальных типов колебаний, например ТЕМ10-мод, наличие которых сильно зависит от настройки зеркал. Поэтому в спектре излучения появляются дополнительные линии-спутники, расположенные симметрично по частоте по обе стороны от аксиальных типов колебаний. Возникновение новых типов колебаний с увеличением уровня накачки легко определяется при визуальном наблюдении структуры поля излучения. Также визуально можно наблюдать влияние юстировки резонатора на структуру мод когерентного излучения.

Газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается, а излучение гелий-неонового лазера характеризуется хорошей стабильностью частоты и высокой направленностью, которая достигает своего предела, обусловленного дифракционными явлениями. Дифракционный предел расходимости для конфокального резонатора

,

(3.5)

где λ – длина волны; d 0– диаметр светового пучка в наиболее узкой его части.

Излучение гелий-неонового лазера характеризуется высокой степенью монохроматичности и когерентности. Ширина линий излучения такого лазера значительно ỳ же «естественной» ширины спектральной линии и на много порядков меньше предельной степени разрешения современных спектрометров. Поэтому для ее определения проводят измерение спектра биений различных мод в излучении. Кроме того, излучение этого лазера плоскополяризовано из-за применения окон, расположенных под углом Брюстера к оптической оси резонатора.

Доказательством когерентности излучения может быть наблюдение дифракционной картины при наложении излучений, полученных из различных точек источника. Например, когерентность можно оценить, наблюдая интерференцию от системы нескольких щелей. Из опыта Юнга известно, что для наблюдения интерференции света от обычного «классического» источника излучение сначала пропускают через одну щель, а затем через две щели, и тогда на экране образуются интерференционные полосы. В случае же использования лазерного излучения первая щель оказывается ненужной. Это обстоятельство является принципиальным. Кроме того, расстояние между двумя щелями и их ширина могут быть несоизмеримо больше, чем в классических опытах. У выходного окна газового лазера располагают две щели, расстояние между которыми 2 a. В случае, когда падающее излучение когерентно, на экране, расположенном на расстоянии d от щелей, будет наблюдаться интерференционная картина. При этом расстояние между максимумами (минимумами) полос

.

(3.6)