Исследование характеристик гелий-неонового лазера

Цель работы – исследование структуры лазерного луча гелий-неонового лазера.

Приборы и материалы: гелий-неоновый лазер типа ЛГ-72, стабилизатор напряжения СПБ-П, фотодиод ФД-25к, устройство для измерения диаметра лазерного луча.

Теоретическая часть

Гелий-неоновый лазер. Исторически первым газовым лазером явился генератор, рабочим вещест­вом которого служила смесь газов гелия и неона. На нем в конце в 1960 г. была получена генерация в инфракрасной области на длине волны 1,15 мм. Особую популярность он получил, когда была осуществлена генерация в видимой (красной) области спектра (λ = 0,63 мкм). В настоящее время Не-Nе-лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером и используется практически во всех областях науки, техники и даже искусства

Уровни энергии Не и Ne и основные рабочие переходы схематически изо­бражены на рис. 1. Атомы гелия служат главным образом для передачи электронов, заключенных в широком интервале значений, в группу энергетических уровней атомов неона. Уровни гелия 2³ S ₁ и 2¹ S ₀ образуются электронной конфигурацией 1 s ¹2 s ¹, расположены выше основного состояния ¹S на расстояниях 19,82 и 20,61 эВ соответственно и являются метастабильными. Излучательные переходы с этих уровней в основное состояние запрещены, поэтому метастабильные состояния хорошо накапливают энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом.

Рис. 1. Схема энергетических уровней гелия и неона	Рис. 2. Блок-схема гелий-неонового лазера

Времена жизни 2¹ S ₀ и 2³ S ₁ составляют 10^-4 с и 5∙10^-6 с соответственно.

Система энергетических уровней атома неона несколько сложнее, чем гелия. Основное состояние ¹ S ₀ отвечает замкнутой оболочке 1 s ²2 s ²2 р ⁶. Нижним возбужденным состояниям соответствует переход одного электрона 2 р в состояние 3 s, т.е. электронная конфигурация 1 s ²2 s ²2 р ⁵3 s ¹. Этой конфигурации отвечают четыре разрешенных уровня энергии. Оптические переходы как между состояниями 2 S и 3 S, так и в основное состояние запрещены в дипольном приближении. Важно, что верхние уровни 2 S ₂ и 3 S ₂ по энергии расположены близко к уровням 2¹ S ₀ и 2³ S ₁ атома гелия. Дефицит энергии примерно равен 35 мэВ.

При столкновении атомов Не, находящихся, например, в состоянии 2³ S, с атомами Ne, пребывающими в основном состоянии, возможна передача энергии атому неона, который будет возбужден на один из четырех уровней 2S. Процесс передачи энергии может быть записан следующим образом:

Не⁺ + Nе > Nе* + Не, (1)

где знаком (*) обозначены возбужденные состояния атомов.

С четырех уровней 2 S неона могут происходить излучательные переходы на десять уровней Р. Уровни 2 Р менее заселены, чем уровни 2 S, так как прямая передача возбуждения от атомов неона на эти уровни отсутствует. Кроме того, уровни 2 Р по сравнению с 2 S обладают малым временем жизни (τ_s ≈ 0,1 мкс, τ_р ≈ 0,01 мкс), и переход 2 Р – 1 S опустошает уровни 2 Р. Это позволяет получить инверсную населенность между уровнями 2 S – 2 Р, 3 S – 3 Р и 3 S – 2 Р при электрическом разряде в чистом неоне (это справедливо и для других благородных газов – Аr, Xe и Кr). Добавление к неону большого количества гелия обеспечивает селективное заселение верхних рабочих уровней 2 S и 3 S, увеличивает инверсию и существенно облегчает получение генерации.

Таким образом, в Не-Nе-лазере Не выполняет функцию вспомогательного газа, а Nе – рабочего. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов, обозначенных а, б и в на рис. 1. Им соответствуют длины волн 3,39; 0,53 и 1,15 мкм. В этих группах наиболее сильными являются следующие переходы: 3 S ₂ – 3 Р ₄ (λ = 3,3913 мкм); 3 S ₂ – 2 Р ₄ (λ = 0,63282 мкм) и 2 S ₂ – 2 Р ₄ (λ = 1,15228 мкм). Наибольшее усиление – до 20 дБ/м – может быть получено для переходов в области 3,39 мкм. Переходам в области 1,15 и 0,63 мкм соответствуют значительно меньшие усиления – 10…20%/м и 5…6%/м. Для того, чтобы осуществить генерацию на этих переходах, необходимо в резонаторе применять селективные зеркала, обладающие большим коэффициентом отражения в заданной области и большими потерями (малым отражением) в области конкурирующих переходов. Наиболее капризен в этом отношении переход 3 S ₂ – 2 Р ₄, поскольку верхнее рабочее состояние для него совпадает с верхним рабочим состоянием самого сильного 3 S ₂ – 3 Р ₄-перехода. Поэтому получить генерацию в области 0,63 мкм в Не-Nе-лазере наиболее сложно.

Опустошение нижних лазерных уровней 3 Р и 2 Р в Не-Nе-лазере происходит далеко не оптимальным образом. Эти уровни быстро (что хорошо) опустошаются за счет излучательных переходов в 1 S -состояния, которые являются долгоживущими (что плохо). В состоянии 1 S, расположенном на 16 эВ выше основного состояния, происходит накопление частиц. Это весьма нежелательно, ибо из состояния 1 S велики вероятности переходов в состояния 2 Р и 3 Р при столкновении с электронами. Если в газовой смеси не содержится других примесей, то единственным способом перехода атомов неона с метастабильных уровней 1 S в исходное состояние является соударение со стенками сосуда неона. т.е. за счет медленных процессов диффузии к стенкам. По этой причине усиление системы обратно пропорционально диаметру разрядной трубки и не допускает применения трубок с D > 10 мм (обычно D ≈ 3…10 мм).

Возникновение инверсной населенности зависит от давления Не и Ne в смеси и температуры электронов. В общей сложности с четырех уровней 2 S на десять уровней 2 Р правилами отбора разрешены 30 различных переходов, на большинстве из которых получена генерация. Наиболее сильной линией излуче­ния при переходах 2 S → 2 Р является линия 1,1523 мкм (инфракрасная область спектра).

Основная конструкция гелий-неонового лазера. Из всех газовых лазеров гелий-неоновый лазер наиболее прост по своей конструкции (рис. 2).Лазер содержит излучатель и источник питания. В со­став излучателя входят: активный элемент, наполненный смесью газов гелия и неона, оптический резонатор, состоящий из двух зеркал.

Активный элемент – разрядная трубка, – изготавливается, как правило, из стекла и заполняется смесью газов Не + Nе при оптимальном давлении, составляющем для Не 1мм pт. ст., для Ne – 0,1 мм рт. ст. В трубку впаяны электроды. Часто применяют полый холодный катод из оксидированного тантала. Иногда в дополнительный отросток помещается геттер. При внешнем расположении зеркал резонатора с торцов трубки под углом Брюстера к ее продольной оси вакуум плотно приклеиваются узкие окна толщиной 3…5 мм, изготовленные из оптического стекла высокого качества. Зеркала резонатора и газоразрядная трубка зафиксированы в специальной арматуре, основу которой составляют инваровые стержни, имеющие малый температурный коэффициент линейного расширения. Юстировочные устройства позволяют настраивать одно из зеркал резонатора и перемещать трубку. При расположении зеркал внутри рабочей трубки необходимость в специальной арматуре, естественно, отпадает.

Наибольшее распространение получили малогабаритные маломощные Не-Nе-лазеры с длиной разрядной трубки 8…20 см и внутренним диаметром 2…4 мм, работающие в красной области спектра на длине волны 0,6328 мкм в непрерывном режиме с выходной мощностью 1…5 мВт.

Поскольку коэффициент усиления в Не-Nе-лазере мал, особенно для λ = 0,63 мкм, то его резонатор должен обладать высокой добротностью. Это накладывает жесткие требования к качеству зеркал резонатора. Коэффициент отражения на рабочей длине волны для одного из них должен быть близок к 100 % (глухое зеркало), а для другого – 99,5…98 % при пропускании 0,5…2 %. Металлические покрытия этим требованиям не удовлетворяют, и в резонаторе Не-Nе-лазера всегда применяют многослойные интерференционные диэлектрические зеркала. Они представляют собой плоские или сферические пластины, изготовленные из оптического стекла или плавленого кварца, на которые методом напыления или химического осаждения нанесены чередующиеся диэлектрические слои толщиной d ₁ и d ₂ с разными показателями преломления п ₁ и п ₂.

Принцип действия лазера заключается в следующем. При по­даче напряжения от источника питания в активном элементе воз­буждается газовый разряд. В результате этого образуется плаз­ма, состоящая из электронов, ионов и возбужденных атомов. Носителями тока в газоразрядном промежутке являются свобод­но движущиеся в газе электроны и положительные ионы. Воз­буждение атомов происходит вследствие неупругих соударений между элементарными частицами, при этом атомы переходят на более высокий энергетический уровень. В таком состоянии атомы долго находиться не могут и начинают спонтанно переходить с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением фото­нов (спонтанное излучение), которое наблюдается через стенки активного элемента.

Фотоны на своем пути, встречаясь с возбужденными атомами неона, взаимодействуют с ними и вынуждают излучать их новые фотоны, аналогичные по энергии, поляризации, фазе и направле­нию движения. Этот вид излучения называется вынужденным (индуцированным) и в отличие от спонтанного происходит под действием электромагнитного поля. Образование индуцирован­ных фотонов происходит по схеме цепной реакции. Поток фото­нов, направление движения которых совпадает с продольной осью активного элемента, достигает зеркал, установленных с высокой точностью относительно этой оси (неперпендикулярность установки зеркал не должна составлять более нескольких угло­вых секунд), отражается от них и возвращается в плазму раз­ряда. При прохождении через плазму вновь происходит лавино­образное нарастание количества фотонов. В результате много­кратного отражения фотонов от зеркал формируется лазерный пучок излучения (длина волны 0,63 мкм), который выходит на­ружу через одно из зеркал резонатора. Фотоны, направление движения которых не совпадает с продольной осью активного элемента, не усиливаются газовой средой, поглощаются обо­лочкой активного элемента или выходят за ее пределы.

Рабочие характеристики Не-Nе-лазера зависят от общего давления и соотношения компонент газовой смеси, от диаметра и длины газоразрядной трубки, от коэффициентов отражения зеркал и от разрядного тока. Эти зависимости определяются особенностями процессов возбуждения и релаксации активных атомов. Для каждого из перечисленных параметров существует свой оптимум. Некоторые типичные характеристики Не-Nе-лазера приведены на рис. 3. качественно эти зависимости совпадают для всех трех рабочих диапазонов.

Рис. 3. Рабочие характеристики Не-Nе-лазера

Наличие оптимумов по давлению Р как рабочего (Nе), так и вспомогательного (Не) газа связано с конкуренцией двух факторов: с одной стороны, при увеличении Р растет число активных частиц, а с другой – при больших давлениях начинает сказываться снижение электронной температуры Т_е. Величина Т_е определяется произведением давления газа Р на внутренний диаметр трубки D. Для Не-Nе-лазера, работающего на длине волны 0,63 или 3,39 мкм, оптимальные значения РD и Р _Не/ Р _Nе совпадают, поскольку верхний лазерный уровень для этих переходов один и тот же. Они составляют РD ≈ 500 Па∙мм и Р _Не/ Р _Nе ≈ 5: 1.

В зависимости выходной мощности от плотности тока разряда Не-Nе-лазера наблюдается характерный максимум, что связано с накоплением атомов Nе в долгоживущих 1 s -состояниях. с увеличением плотности тока мощность излучения скачком возрастает, начиная от J = J _пор. Однако дальнейший рост выходной мощности ограничивают процессы двухступенчатого электронного возбуждения атомов Nе из состояний 1 S в состояния 2 Р и 3 Р, приводя к заселению нижних рабочих лазерных уровней, уменьшению инверсии и в конечном итоге к срыву генерации.

Каких-либо эффективных путей дезактивации возбужденных состояний 1 S Nе, кроме взаимодействия со стенками разрядной трубки, пока не найдено. Естественно, что это ограничивает мощность излучения этого лазера единицами и десятками милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотнями милливатт в области 3,39 мкм. Срок службы Не-Nе-лазера ограничен процессами в разряде и исчисляется годами. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах с течением времени меняются парциальные давления гелия и неона, происходит процесс «жестчения» газа. Для многих промышленных образцов Не-Nе-лазеров характерно так называемое «складское» старение: приборы стареют в нерабочем состоянии. Поэтому рекомендуется по крайней мере раз в день дать прибору поработать некоторое время.

Существенным недостатком лазера является его низкий КПД (0,1…0,01 %), что связано с особенностью энергетических диаграмм Не и Nе, но с другой стороны, излучение Не-Nе-лазера обладает высоким качеством.

Направленность лазерного излучения. Высокую направленность излучения и возможность фокусировки излучения в пятно чрезвычайно малых размеров обуславливает пространственная когерентность пучка лазера. Направленность излучения характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Часто в качестве параметра оптического квантового генератора (ОКГ) применяется не телесный угол, а плоский угол расхождения пучка. Расходимость лазерного луча определяется отношением длины волны генерируемого излучения λ к линейному размеру оптического резонатора W_рез

. (2)

Тепловые источники, излучающие по законам абсолютно черного тела, дают ненаправленное излучение: поверхностная плотность излучаемой электромагнитной энергии не зависит от направления в пределах всего телесного угла 4 π. Лазерное излучение по своей природе обладает высокой степенью направленности. Направленность излучения, генерируемого лазером, определяется свойствами резонатора.

Если расходящийся пучок представляет собой конус, то между плоским и телесным углом существует простая связь. Телесный угол ω, соответствующий плоскому углу , вычисляется по формуле:

. (3)

Для углов θ < 60˚ с достаточной для практики точностью применима формула

, (4)

где выражается в радианах.

Область пространства вдоль оси лазерного пучка, расположенная на таком расстоянии от излучателя лазера, начиная с которого диаграмма направленности лазерного излучения остается постоянной, называется дальней зоной лазерного излучения.

Описание экспериментальной установки

Блок-схема измерительной установки для измерения угла расхождения и распределения энергии в пучке представлена на рис. 4.

1 –гелий-неоновый лазер; 2 – светонепроницаемая камера; 3 – фотодиод; 4 – мультиметр, 5 – микрометрический винт Рис. 4. Блок-схема измерительной установки для измерения угла расхождения и распределения энергии в пучке

Излучение от лазера 1 через узкую щель светонепроницаемого корпуса попадает на фотодиод 3. Падение напряжения на фотодиоде измеряется мультиметром 4. Так как фототок диода в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения, показания мультиметра прямо пропорциональны интенсивности излучения. Светонепроницаемая камера 2 с фотодиодом может перемещаться в поперечном направлении с помощью микрометрического винта 5. Одно деление шкалы равно 100 мкм.

Порядок выполнения работы

1. Измерить угол расхождения луча гелий-неонового лазера. Для этого необходимо:

1) включить тумблер «ВКЛ», при этом на передней панели источника питания загорится индикация «СЕТЬ»; через время не менее 10 с после включения тумблера «ВКЛ» нажать кнопку «ЗАПУСК», при этом на передней панели источника питания загорится индикация «ВЫСОКОЕ»;

2) установить фотоприемник на минимально близком расстоянии от лазера L ₁ = 3 см; навести лазерный луч на центр щели между шторками и вращением шкалы влево или вправо добиться нулевого показания прибора; затем, вращая барабан 3, через каждое деление снять показания прибора; все измерения повторить 3 раза, результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

Измерение распределения интенсивности лазерного излучения

4) аналогичные измерения провести и занести в таблицу 1 при удаленном положении фотоприемника (L ₂ = 60 см);

5) рассчитать средние значения U_фд;

6) по табличным данным построить график зависимости напряжения на фотодиоде U_фд от смещения щели l;

7) измерить диаметры лазерного луча d на уровне половинной интенсивности его излучения при L 1 и D при L ₂ по полученной графической зависимости (за единицу принимается интенсивность излучения по оси пучка лазера);

8) рассчитать плоский угол расхождения лазерного пучка θ по формуле

, (5)

где L = L ₂ – L ₁;

9) определить телесный угол расхождения лазерного пучка ω с помощью формулы (4).

2. Определить линейный размер оптического резонатора W_рез, используя формулу (2).

Контрольные вопросы

1. Уровни энергии и основные рабочие переходы в смеси Не и Ne при работе гелий-неонового лазера.

2. Требования, предъявляемые к диаметру разрядной трубки гелий-неонового лазера.

3. Конструкция гелий-неонового лазера.

4. Принцип действия гелий-неонового лазера.

5. Рабочие характеристики гелий-неонового лазера.

6. Чем характеризуется направленность лазерного излучения?

7. Что такое дальняя зона лазерного излучения?

8. Как определялись плоский и телесный углы расхождения?

Литература

1. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 573 с.

2. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электроник: Учеб. руководство. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Наука, 1988. – 336 с.

3. Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 158 с.