Уровни энергии атомов гелия и неона. Создание инверсной населенности в гелий-неоновом лазере. Основные параметры гелий-неонового лазера

В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбуждённые атомы обоих элементов. При этом оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия ¹S₀ и излучательного уровня неона 2p⁵5s²[1/2] оказываются примерно равными — 20.616 и 20.661 эВ соответственно. Передача возбуждения между двумя этими состояниями происходит в следующем процессе:

He* + Ne + ΔE → He + Ne*

и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние, а ΔE — различие энергетических уровней двух атомов.) Недостающие 0.05 эВ берутся из кинетической энергии движения атомов. Заселённость уровня неона 2p⁵5s²[1/2] возрастает и в определённый момент становится больше чем у нижележащего уровня 2p⁵3p²[3/2]. Наступает инверсия заселённости уровней — среда становится способной к лазерной генерации.

При переходе атома неона из состояния 2p⁵5s²[1/2] в состояние 2p⁵3p²[3/2] испускается излучение с длиной волны632.816 нм. Состояние 2p⁵3p²[3/2] атома неона также является излучательным с малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней 2p⁵3s, а затем и в основное состояние 2p⁶ — либо за счёт испускания резонансного излучения (излучающие уровни системы 2p⁵3s), либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p⁵3s).

Кроме того, при правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других длинах волн: тот же уровень 2p⁵5s²[1/2] может перейти на 2p⁵4p²[1/2] с излучением фотона с длиной волны 3.39 мкм, а уровень 2p⁵4s²[3/2], возникающий при столкновении с другим метастабильным уровнем гелия, может перейти на 2p⁵3p²[3/2], испустив при этом фотон с длиной волны 1.15 мкм. Также возможно получить лазерное излучение на длинах волн 543,5 нм (зелёный), 594 нм (жёлтый) или 612 нм (оранжевый).

Спектральная ширина полосы излучения гелий-неонового лазера довольно мала и составляет около 1,5 ГГц. Её значение определяется главным образом доплеровским уширением излучения атомов неона, происходящим вследствие проявления эффекта Доплера.