Гелий-неоновый (He-Ne) лазер, основные компоненты лазера и теория действия лазера

Процесс оптической накачки — это возбуждение атомов активного материала для генерации лазера оптической энергией. Гелий и неон подходят для производства газов лазера из-за значений их возбужденных метастабильных состояний, которые очень близки друг к другу.

Основные компоненты лазера

Несмотря на различия в размерах и типах лазерных устройств, они состоят из трех общих элементов: активной среды, источников энергии и резонансного резонатора.

Активная среда

Это активный материал, излучающий лазерный луч. Это может быть:

1. Кристаллическое твердое вещество, например рубин.
2. Полупроводник, например кристаллы кремния.
3. Жидкий краситель, например, растворенный зимой органический краситель.
4. Атомы газа, такие как смесь газов неона и гелия.
5. Ионизированные газы, например, ионизированный аргон.
6. Молекулы газа, такие как углекислый газ .

Источники энергии

Они отвечают за обеспечение атомов или молекул активной среды необходимой энергией для их возбуждения от источников энергии, используемых для возбуждения активной среды.

1. Электрическая энергия: Возбуждение электрической энергией может быть выполнено двумя способами: Электрический разряд с использованием высокой непрерывной разности потенциалов (DC), и этот метод часто используется в газовых лазерах, таких как (гелий-неоновый) лазер, лазер на углекислом газе и аргон. лазер, Использование высоких радиочастотных волн (RF).
2. Оптическая энергия: Возбуждение оптической энергией, также известное как оптическая накачка, которое может быть выполнено двумя способами: B y с использованием светящихся импульсных ламп очень высоких энергий, таких как в рубиновом лазере, с использованием лазерного луча, такого как лазер на жидких красителях.
3. Тепловая энергия: где тепловой эффект из-за движущегося давления газов используется для возбуждения активной среды лазера .
4. Химическая энергия: Которая вырабатывается в результате химической реакции для получения лазера , например энергии, производимой в результате реакции между смесью водорода, фтора, фторида дейтерия и диоксида углерода .

Резонансная полость

Это контейнер, который содержит активный материал и активирующий катализатор для усиления. Это два типа: внешняя резонансная полость и внутренняя резонансная полость.

1. Внешний резонансный резонатор имеет форму двух параллельных зеркал, перпендикулярных оси трубки, одно из которых является отражателем, а другое — полупрозрачным, охватывающим активную среду, допускающую многократные отражения, приводящие к усилению, как в газовых лазерах, таких как (гелий-неоновый ) лазер.
2. Внутренняя резонансная полость: там, где концы активного материала отполированы, чтобы действовать как зеркала, параллельные и перпендикулярные оси кристалла, одна из них полупрозрачна, чтобы позволить некоторой части лазерного излучения просачиваться, как в твердотельном лазере. например рубиновый лазер.

Теория лазерного воздействия (Laser action)

Действие лазера зависит от принуждения атомов или молекул активной среды к состоянию инверсии населенности, в этом состоянии количество атомов в возбужденном состоянии больше, чем количество атомов в более низком состоянии.

Состояние инверсии населенности — это состояние, в котором количество атомов в возбужденном состоянии больше, чем количество атомов в более низком состоянии. Излучение фотонов возбужденными атомами путем вынужденного излучения .

Испускаемое излучение за счет стимулированного излучения будет усиливаться внутри резонансной полости, где происходит последовательное отражение между поверхностями зеркал полости, чтобы стимулировать другие атомы на своем пути для генерации новых фотонов, таким образом, усиленное излучение создается за счет стимулированного излучения .

Из предыдущего делаем вывод, что существуют разные типы лазеров:

• Твердые лазеры, такие как рубин.
• Жидкие лазеры, такие как лазер на жидких красителях.
• Газовый лазер, такой как (гелий-неоновый) лазер и аргоновый лазер.

Гелий-неоновый (He — Ne) лазер

Конструкция He — Ne лазера:

1. Кварцевая трубка, содержащая смесь гелия и неона в соотношении 10: 1 при низком давлении около 0,6 мм рт.
2. Два плоских или вогнутых параллельных зеркала , перпендикулярных оси трубки, одно имеет коэффициент отражения почти 99,5%, а другое зеркало полупрозрачное с коэффициентом отражения 98%.
3. Высокочастотное электрическое поле или высокое постоянное напряжение внутри трубки вызывают электрический разряд и возбуждают атомы газа.

Операция:

1. Разность потенциалов внутри трубки приводит к возбуждению атомов гелия до более высоких уровней.
2. Возбужденные атомы гелия сталкиваются с невозбужденными атомами неона неупругими столкновениями. Таким образом, энергия передается от возбужденных атомов гелия к атомам неона из-за близкого значения энергии уровней возбуждения в обоих атомах. Таким образом, атомы неона возбуждаются.
3. Уровень возбуждения атома неона имеет относительно долгое время жизни (около 10 ^-3с), такой уровень называется метастабильным состоянием. Из-за непрерывного столкновения между возбужденными атомами гелия и атомами неона происходит накопление возбужденных атомов неона. Следовательно в атомах неона происходит инверсия населенностей.
4. Группа возбужденных атомов неона релаксирует в более низкое состояние возбуждения. При этом они испускают спонтанные фотоны , энергия которых равна разнице уровней энергии. Затем фотоны беспорядочно распространяются во всех направлениях внутри трубки.
5. Фотоны, которые распространяются вдоль оси трубки, отражаются на своем пути одним из двух зеркал, они отражаются внутри трубки и не могут выйти наружу.
6. Во время распространения этих фотонов внутри трубки между двумя зеркалами они могут сталкиваться с некоторыми атомами неона в возбужденном метастабильном состоянии, время жизни которого еще не истекло. Таким образом, они стимулируют атомы неона испускать фотоны той же энергии, частота и фаза как сталкивающийся фотон. Таким образом, количество фотонов, движущихся внутри трубки, увеличивается.
7. Новый поток фотонов повторяет процесс и, таким образом, они умножаются действием генерации. Так происходит усиление.
8. Когда излучение внутри трубки достигает определенного уровня, часть его выходит через полупрозрачное зеркало в виде лазерного луча , а остальная часть излучения остается захваченной внутри трубки, чтобы продолжить вынужденное излучение и генерацию. .
9. Атомы неона, которые расслабились до более низкого уровня, довольно скоро теряют остатки своей энергии в различных формах и, наконец, возвращаются в основное состояние, атомы гелия снова сталкиваются с атомами неона, и цикл повторяется.
10. Атомы гелия, потерявшие свою энергию из-за столкновения с атомами неона, снова возбуждаются электрическим разрядом и так далее.

Метастабильный уровень энергии — это уровень энергии, который характеризуется относительно большим временем жизни (10 ^-3 с). Это необходимо для лазерных источников во время работы, активная среда достигает состояния обратной заселенности, которое не требуется в обычных источниках света, потому что Основой лазерного воздействия является наличие большого количества атомов в метастабильном состоянии, поэтому вынужденное излучение является преобладающим излучением.