Гелий-неоновый лазер

Принципиальная схема гелий-неонового лазера изображена на рис.5:

Рис. 5

1 - газоразрядная стеклянная трубка, Æ= несколькo мм. Торцы трубки замкнуты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками, ориентированными под углом Брюстера к оси трубки. Давление гелия в трубке примерно 1мм рт.ст., давление неона - 0,1 мм рт.ст. Трубка имеет катод 2, накаливаемый низковольтным источником питания, и цилиндрический пустотелый анод 3. Между катодом и анодом на трубку накладывается напряжение 1 - 2,5 кВ. Разрядный ток в ней равен нескольким десяткам мА. Разрядная трубка гелий-неонового лазера помещается между зеркалами 4, 5. Зеркала, обычно сферические делаются с многослойными диэлектрическими покрытиями, имеющими высокие значения коэффициента отражения и почти не обладающие поглощением света. Пропускание одного зеркала составляет обычно около 2%, другого- менее 1%.

При нагретом катоде трубки и включенном анодном напряжении трубка светится, и в ней отчетливо виден газоразрядный столб розового цвета. При правильной ориентации через оба зеркала (но в особенности через зеркала с большим значением коэффициента пропускания) распространяются хорошо коллимированные интенсивные пучки монохроматического (красного) света (l= 632,8 нм). Эти пучки возникают в результате генерации излучения гелий-неонового лазера.

На рис.6 приведена упрощенная схема уровней энергии атома неона (справа). Излучению с длинами волн 632,8 нм и 1150 нм соответствуют переходы E₃ - E₁ и E₂ - E₁. Помимо уровней E₄, E₃, E₂, E₁ атом неона имеет ещё 28 состояний с энергиями, меньшими E₃, но мы их не рассматриваем. В результате столкновений с электронами газоразрядной плазмы часть атомов возбуждается, что отмечено на рис.6 вертикальными пунктирными стрелками. При определенных режимах разряда этот процесс оказывается достаточным для образования инверсной заселенности уровней E₂ и E₁. Однако уровни E₃, E₁ и E₃, E₄; переходы между которыми отвечают l= 632,8 нм и l= 3390 нм, заселены не инверсно.

Положение изменяется, если в разрядную трубку ввести гелий. Гелий обладает двумя долгоживущими (метастабильными) состояниями E₂, E₃, показанными на левой части рис. 6; эти состояния возбуждаются при столкновениях с электронами и ввиду большой длительности их существования, концентрация метастабильных атомов гелия в разряде очень велика. Энергии E₃,E₂ метастабильных состояний гелия очень близки к энергиям E₃,E₂ неона, что благоприятно для передачи энергии возбуждения от гелия к неону при их столкновениях. Эти процессы символизируются горизонтальными пунктирными стрелками. В результате концентрация атомов неона, находящихся на уровнях E₃, E₂, резко увеличивается, и возникает инверсная заселенность уровней E₃ и E₁, а разность заселенностей уровней E₂ и E₁ увеличивается в несколько раз. Таким образом, добавление гелия к неону (5:1 - 10:1) весьма существенно для генерации в гелий-неоновом газовом лазере.