He-ne лазер. Принцип дії, будова й основні характеристики

 

Мета роботи: Вивчити фізичних принципів роботи й пристрої Не-Ne лазера.

 

Лабораторне обладнання

1. Лазер газові ЛГ-78 та ЛГН-207Б.

2. Інструкція з техніки безпеки при роботі з лазером ЛГ-78.

3. Вимірник для лазерної дозиметрії ІЛД-2.

4. Набір оптичних приладів.

 

Послідовність виконання роботи

1. Виміряти діаметр лазерного променя на виході з лазера, визначити розбіжність лазерного променя.

2. Виміряти діаметр лазерного променя, сфокусованого за допомогою лінзи, співставити з розрахунковим значенням.

3. За допомогою ІЛД-2 виміряти потужність та ступінь поляризації лазерного променя.

4. Визначити основні просторово-часові та спектральні характеристики лазерів.

Загальні відомості

Найбільш велику групу газових лазерів становлять установки, у яких інверсія заселеності досягається за допомогою електричного газового розряду. Як й інші лазери, газовий складається із трьох основних частин: активного середовища (газ або суміш газів), оптичного резонатора й системи збудження (накачування).

Відмінність газоподібних активних середовищ від твердотільних складається в малій густині речовини, внаслідок чого спектр активних часток (атомів, молекул, іонів) не спотворюється взаємодією полів сусідніх часток. В результаті в газі енергетичні рівні дуже вузькі, що забезпечує високу монохроматичність випромінювання. У газових лазерах відносно просто можна здійснити селекцію типів коливань (мод) і одержати одномодовий й одночастотний режим генерації. Мала густина активного газового середовища забезпечує також високу оптичну однорідність, що дозволяє використати для генерування коливань значний об'єм активної речовини й одержувати за рахунок цього випромінювання велику інтенсивності. Пучок світла в газі розсіюється слабко, що сприяє випромінюванню високої спрямованості. Застосування надкоротких імпульсних розрядів у газі високої густини дозволяє досягти рівнів потужності випромінювання газових лазерів (наприклад, лазерів на N й ексимерних лазерів), характерних для твердотільних лазерів. Спектр випромінювання газових лазерів простирається від вакуумного ультрафіолету до інфрачервоної області спектра.

Активне середовище He-Ne лазера складається із суміші нейтральних атомів гелію й неону. Робочим газом є неон, між рівнями атомів якого й створюється інверсна заселеність. Атоми гелію служать для підвищення ефективності "накачування" верхніх "лазерних" рівнів атомів неону.

На рисунку 7.1 наведена спрощена схема енергетичних рівнів неону й гелію. Рівні 21s й 23s гелію - метастабільні рівні. Час життя атомів гелію в цих станах досить велике (~10-3с), тому що прямий радіаційний перехід у стан 11s (основний стан) заборонений правилами відбору. Тому при збудженні атомів гелію в розряді шляхом електронних ударів відбувається нагромадження атомів на зазначених рівнях. Звичайно, для збудження атомів гелію електрони повинні мати достатню кінетичну енергію.

В енергетичному спектрі неону стани 2s й 3s випадково виявилися співпадаючими з метастабільними рівнями гелію. Завдяки цьому при розряді гелію й неону відбувається інтенсивний обмін енергією, що носить резонансний характер:

; (7.1)

. (7.2)

У результаті непружних зіткнень із неоном метастабільні стани гелію руйнуються, а неон збуджується в потрібні s2 й s3 стани. У зворотному напрямку передача енергії не йде, тому що ймовірність зіткнення в розряді Ne (2s3s) і He_осн значно менше. Таким чином, рівні s2 й s3 неону заселяються не тільки внаслідок електронних ударів, але головним чином у результаті резонансної передачі енергії зі збуджених атомів гелію. Висока швидкість заселення верхніх рівнів s2 й s3, а також швидке спустошення нижнього рівня p2 за рахунок переходів 2p→1s приводить до створення інверсної заселеності й виникненню генерації для наступних пар рівнів:

 

Рис.7.1 Спрощена схема енергетичних рівнів атомів гелію й неону.

 

Якщо не вжити заходів для селекції генеруемих довжин хвиль, генерація відбувається на всіх трьох переходах. Посилення на лінії l=0,6328 мкм невелике. При довжині трубки L=1м посилення за один пробіг в активному середовищі не перевищує 0.06. Тому в лазерах для цієї лінії використаються дзеркала з високим відбиттям з багатошаровими діелектричними покриттями й брюстеровскі вікна високої якості. Посилення в середовищі на інфрачервоній лінії l=1,1525 мкм вище. Найбільшим посиленням володіє лінія з l=3,3914 мкм, чому сприяє сприятливе співвідношення часів життя рівнів s3 й p2. Генерація на l= 3,3914 мкм в 150 разів вигідніше чим на лінії l=0,6328 мкм. Генерація на лінії l= 3,3914 мкм може відбуватися навіть при маловідбиваючих дзеркалах і навіть взагалі без дзеркал у режимі надвипромінювання.

Як видно зі схеми рівнів (рис 7.1), лінії l= 3,3914 мкм й l=0,6328 мкм мають загальний верхній рівень і тому є конкуруючими. Для одержання ефективної генерації на довжині хвилі l=0,6328 мкм необхідно зупинити генерацію на лінії l=3,3914 мкм, що досягається введенням для останньої додаткових втрат або підбором коефіцієнта відбиття дзеркал, або за рахунок виготовлення вікон трубки зі скла, що має великий коефіцієнт поглинання на цій довжині хвилі. Із цією же метою, іноді, усередину резонатора поміщають осередок з речовиною, що має сильні смуги поглинання при l= 3,3914 мкм (метан, пропан).

Енергетичні характеристики лазера - потужність випромінювання й КПД - залежать від багатьох факторів: потужності накачування, тиску й сполуки газової суміші, діаметра газорозрядної трубки й пропущення напівпрозорих дзеркал резонатора. Типова залежність потужності випромінювання Р_вип від струму в розрядній трубці I, для He-Ne лазера наведена на рисунку 7.2. Характер цієї залежності цілком визначається механізмом збудження газової суміші. Зі збільшенням струму розряду зростає концентрація електронів у газорозрядній плазмі й відповідно збільшуються заселеності всіх енергетичних рівнів гелію й неону. Ріст заселеності верхніх рівнів 2s й 3s неону забезпечується як передачею енергії від атомів гелію, так і безпосередньо шляхом збудження атомів неону електронами.

 

Рис. 7.2. Залежність потужності випромінювання від струму розряду в He-Ne лазері

 

При більших розрядних струмах зростання заселеність рівнів 2s і 3s відбувається повільніше, ніж при малих, тому що з підвищенням концентрації збуджених атомів неону помітно збільшується передача енергії від атомів неону до атомів гелію. Зміна заселеності рівнів 2p й 3p має інший характер: чим більше розрядний струм, тим швидше вони заселяються.

Це пояснюється наявністю в неоні стану 1s з більшим часом життя. Через цей енергетичний рівень спостерігається ступінчасте збудження атомів неону й небажане заселення рівнів 2p й 3p. Чим більше розрядний струм, тим інтенсивніше іде цей процес. Таким чином, інверсія заселеності із ростом розрядного струму спочатку росте, досягає максимуму, а потім зменшується через високу заселеність нижніх рівнів.

Відповідно змінюється й випромінювана потужність. Максимальне значення потужності генеруемого випромінювання практично у всіх газових лазерах обмежується тим самим фактором - швидкістю "спустошення" нижнього рівня лазерного переходу.

Значний вплив на потужність випромінювання має тиск в газорозрядній трубці (рис.7.3). Коли тиск малий, збудження атомів електронами протікає ефективно, але абсолютна величина концентрації активних атомів у газовій суміші мала, тому потужність випромінювання виявляється невеликою. Зі збільшенням тиску концентрація активних часток зростає, але одночасно знижується довжина вільного пробігу електронів при зіткненнях у газорозрядній плазмі й відповідно зменшується одержувана ними в електричному полі енергія, що веде до зниження ймовірності збудження атомів газу при зіткненнях з електронами. Цими конкуруючими факторами й обумовлене існування оптимального тиску в трубці.

Потужність випромінювання лазера залежить також від сполуки суміші й діаметра. газорозрядної трубки. Досвід показує, що оптимальне співвідношення гелію й неону в суміші змінюється від 10:1 до 5:1. Великий вплив на роботу He-Ne роблять домішці стороннього газу. Як правило, добавки невеликої кількості O₂, N₂, H₂O, CO₂, H₂, Ar приводять до зменшення коефіцієнта підсилення, а при додаванні N₂, H₂, H₂O й CO₂, більше 1 Па спостерігається зрив генерації. Це явище можна пояснити втратами електронів і зниженням електронної температури в розряді, що веде до зменшення концентрації метастабільних атомів гелію й, отже, заселеності верхніх лазерних рівнів. Тому, для забезпечення тривалої роботи He-Ne лазера необхідний не тільки високий ступінь чистоти вихідних газів (гелію й неону), але й відсутність газовиділення зі стінок й електродів під час роботи газорозрядної трубки. Останнє досягається спеціальними прийомами знегажування й тренування газорозрядної трубки перед відпайкою. Деякі домішки можуть бути поглинені поміщеними усередину трубки спеціальним гетером, виготовленим на основі пористого титану.

 

Рис.7.3. Залежність потужності випромінювання від тиску в газорозрядній трубці.

 

Вихідна потужність He-Ne лазера досягає максимального значення при діаметрі газорозрядної трубки 7-10 мм, причому подальше збільшення діаметра трубки знижує вихідну потужність. Вплив діаметра трубки на вихідну потужність пов'язане з наявністю каналу спустошення нижнього лазерного рівня (3р або 2) через рівень 1s неону. Збуджені атоми неону, випромінюючи фотон, переходять із верхнього рівня лазерного переходу 3s або 2s на нижні рівні 3p або 2p і безвипромінювально - через рівень 1s - повертаються в основний стан. Віддати "невитрачену" надлишкову енергію й зробити безвипромінювальний перехід з рівня 1s атоми неону можуть лише шляхом зіткнення зі стінками трубки (дифузія до стінок). Зі збільшенням діаметра трубки росте дифузійна довжина й, отже, час життя атомів неону в стані 1s, тобто відбувається нагромадження часток на цьому рівні й утрудняється спустошення нижнього рівня випромінювального лазерного переходу 2p. Одночасно збільшується число часток, збуджених електронним ударом з рівня 1s на рівень 2p. Наслідок цього - термалізація середовища й зменшення інверсії заселеності.

 

 

Рис. 7.4. Вплив коефіцієнта пропущення напівпрозорого дзеркала на потужність випромінювання лазера.

 

Досягнення максимальної вихідної потужності в газових лазерах пов'язане з вибором коефіцієнта пропущення напівпрозорого дзеркала (рис 7.4). Якщо пропущення мало, то лише незначна частина накопиченої енергії виводиться з резонатора й випромінювана потужність невелика. Оптимальне пропущення напівпрозорого дзеркала залежить від коефіцієнта підсилення активного середовища в газорозрядній трубці. Його значення в активному середовищі газових лазерів значно нижче чим у твердотільних, тому менше повинне бути й оптимальне пропущення вихідного дзеркала. Як уже вказувалося, для Не - Ne лазера, що працює на довжині хвилі l=0,6328 мкм, посилення не перевищує 0.06 на 1 м довжини активного середовища, тому оптимальне пропущення дзеркал становить кілька відсотків. КПД He-Ne лазера змінюється від 0,01 відсотка до 0,1 відсотка.

Зміст протоколу

1. Найменування роботи.

2. Мета роботи.

3. Лабораторне обладнання.

4. Основні теоретичні відомості про принцип дії та будову гелій-неонового лазера.

5. Значення розрахованих та встановлених величин.

6. Висновки по роботі.

 

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте роботу газових лазерів.

2. Наведіть схему енергетичних рівнів гелій неонового лазеру.

3. На яких довжинах хвиль генерується випромінювання в газових лазерах?

4. Від чого залежать енергетичні характеристики газового лазера?

5. Як впливає тиск газу в газорозрядній трубці?

6. Яке оптимальне співвідношення робочих газів?

7. Як впливають на роботу лазера домішки сторонніх газів?

8. Як впливає на роботу лазера діаметр газорозрядної трубки?

9. Як вливає на роботу лазера коефіцієнт прозорості напівпрозорого дзеркала?

10. Як можна підвищити технологічні характеристики газових лазерів?

 

Лабораторна робота №8