Газовый лазер на смеси гелия и неона

Лабораторная работа №1

Газовый лазер на смеси гелия и неона

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: знакомство с устройством и работой лазера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Физические принципы работы гелий - неонового лазера. Конструкция: разрядная трубка лазера, брюстеровские окна, интерференционные зеркала резонатора. Характеристики излучения лазера: выходная мощность, модовый состав, когерентность. Практические навыки настройки зеркал резонатора. Опыты с излучением лазера.

Первый газовый лазер был создан в 1961 году на смеси газов гелия и неона группой американских физиков (Джаван, Беннет, Эрриот).

Газовая среда более однородна по сравнению с твердотельными лазерными средами. Это обстоятельство обеспечивает более стабильное излучение. Поэтому главные области применения газового лазера - научные исследования, измерительная техника, медицина. Гелий - неоновый лазер работает на нейтральных атомах неона (Ne) и гелия (Не). Существуют лазеры, работающие на ионах атомов, например, аргоновый лазер, молекулярные лазеры, работающие на возбужденных молекулах - лазер на углекислом газе.

Конструктивно Не - Ne лазер представляет собой стеклянную или кварцевую трубку, которая заполняется смесью газов гелия и неона в соотношении 5:1 или 10:1 при общем давлении газовой смеси в трубке 1,5 - 2,5 мм.рт.ст.

Трубка имеет электроды анод и катод для создания в ней тлеющего газового разряда, который и обеспечивает возбуждение рабочих уровней, неона и получение на этих уровнях инверсной населенности атомов неона. Вынужденное излучение в разряде создается с возбужденных уровней неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона. В газовом разряде атомы гелия в основном состоянии за счет прямого электронного удара переходят на возбужденные уровни. У атомов неона в возбужденном состоянии имеются уровни, которые энергетически совпадают с возбужденными уровнями атомов гелия. При столкновении атомов неона находящихся в основном состоянии с атомами гелия, находящимися в возбужденном состоянии, происходит резонансная передача энергии от атомов гелия к атомам неона. Возбужденные уровни атомов неона оказываются инверсно заселенными по отношению к нижним уровням рабочего перехода.

Основной механизм создания инверсной населенности связан с электронным возбуждением атомов гелия, накапливанием их на метастабильных уровнях 2 S с энергией 20,6 эВ и 2³S с энергией 19,8 эВ с последующей резонансной передачей энергии атомам неона по схеме:

Не + е = Не* + е,

Не* +Ne=Ne*+Не+АЕ_КИН.

При этом эффективно заселяются уровни 3S и 2S неона . Для атомов неона время жизни S- состояний на порядок больше времени жизни р-состояний, по этому даже при равной скорости их возбуждения возможно создание инверсии населенности по отношению к коротко живущим уровням 2р и 3р, а следовательно и непрерывной лазерной генерации на переходах s - р. Существенно мешающим фактором является метастабильный характер уровня Is, на который преимущественно переходят атомы неона при распаде с нижних лазерных уровней. Это приводит к росту эффективного времени р-уровней. Разрушение уровней Is в силу запрета прямого оптического перехода осуществляется за счет столкновений со стенками разрядной трубки, См, рис.1)

На рис. 1 представлены основные рабочие переходы гелий - неонового лазера. К настоящему времени получено более 130 лазерных переходов в неоне. Выделение нужного перехода выделяется подбором зеркал оптического резонатора, введением в него диспергирующего или селективно поглощающего элемента .

Чаще всего газоразрядные трубки лазера имеют длину 0,1 - 1 м. Токи разряда достигают величин5 -50 мА. Мощность генерации зависит от диаметра трубки. Для указанных длин разрядных трубок рабочие диаметры их лежат впределах 1 -10 мм. Увеличение диаметра ведетк увеличению объема рабочей смеси газа, что увеличивает мощность генерации. Однако, с увеличением диаметра трубки уменьшается электронная температура плазмы разряда, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газа. В конечном итоге снижается мощность генерации лазера. Существует экспериментальная зависимостьмежду оптимальным давлением газовой смеси в трубке и ее диаметром:           Pd ~ 3,6 мм.рт.ст. x мм.

Газовыйгелий-неоновый лазер конструктивно может быть как с внутренними зеркаламирезонатора, так ис внешними. Для первого случая газовая смесь в трубке герметизируетсясамими зеркалами, во втором случае она герметизируется специальными окнами, которые располагаются не перпендикулярно оси трубки , а под специальным углом, для которого выполняется условие Брюстера,

tgф =n,

где nесть показатель преломления материала окна, а ф.угол Брюстера между нормалью к поверхностиокна и осью трубки, как показано на рисунке,

Обычно при заточке концов трубки измеряют дополнительный угол, ф_д = 90 – ф. Для стекла типа крон ф_д = 33° 30', для кварца он равен 34" 30'. Установка выходных окон трубки под углом Брюстера однозначно определяет поляризацию лазерного излучения. Плоскость, проходящая через нормаль, к выходному окну и ось трубки является плоскостью падения луча. Для этой плоскости потери мощности поляризованного лазерного излучения минимально, поэтому именно это линейно поляризованное излучение возникает в лазере. Лазер с внешними зеркалами является более удобной конструкцией при работе с ним, т.к. позволяет при необходимости легко заменять зеркала и помещать в резонатор различные оптические элементы – диафрагмы, поглощающие  среды и т.д. Газоразрядная трубка обычно изготавливается из высоко качественного стекла и заполняется смесью гелия и неона в соотношении от 10:1 до 5:1. Питание постоянным током при напряжении 1-2 кВ осуществляется с помощью стабилизированных выпрямителей. Для зажигания разряда в трубке используется наружный электрод, на который подается импульсное напряжение ~ 10 кВ, получаемое при разрядки конденсатора 1-2 мкФ через первичную обмотку импульсного трансформатора. Газоразрядная трубка может возбуждаться от ВЧ генератора с частотой около 30 МГц.