Гелий – неоновый лазер

Петрозаводский Государственный университет

Реферат на тему “Гелий – неоновый лазер ” курса «Квантовая и оптическая электроника».

Выполнил:

Студент группы 21406 Харитонов И.В.

Преподаватель:

Гостев В.А.

Петрозаводск,2004г

Содержание:

1. Физические принципы работы гелий- неонового лазера

(He-Ne)-лазер является типичным и наиболее распространенным газовым лазером. Это был первый газоразрядный лазер, на котором в конце 1960 г. была получена генерация в инфракрасной области на длине волны 1,15 мкм. Особую популярность он получил, когда была осуществлена генерация в видимой (красной) области спектра (А = 0,63 мкм). За прошедшее время он превратился из экзотического лабораторного прибора в обычный инструмент, используемый практически во всех областях науки, техники и даже искусства.

Схема работы (Не-Ne)-лазера, представленная на рис. 1, а общих чертах соответствует схеме рис. 2. Первые возбужденные состояния атома гелия 2 и 2 образуются электронной конфигурацией 1 и расположены выше основного состояния 1 на расстояний 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Оптические переходы в основное состояние запрещены, и потому они являются метастабильными состояниями, хорошо накапливая энергию, получаемую при возбуждении электронным ударом. Времена жизни 2 и 2 составляют 10с и 5*10с соответственно.

Система энергетическиx уровней атома неона несколько сложнее, чем гелия. Основное состояние отвечает замкнутой оболочке 1 . Нижним возбужденным состояниям соответствует переход одного электрона 2р в состояние 3s, т.е. электронная конфигурация 1. Этой конфигурации отвечают четыре разрешенных уровня энергии . Используя полуэмпирические обозначения Пашена, каждому из этих уровней присвоим свой номер от 2 до 5 по мере убывания энергии, а всей совокупности уровней — индекс 1S, так что нижние возбужденные состояния Ne будут обозначаться 1,1,1 и 1. Аналогичные системы уровней будут для электронных конфигураций и , которые обозначаются как 2S и 3S. Оптические переходы как между этими состояниями, так и в основное состояние запрещены в дипольном приближении. Важно, что верхние уровни 2S и 3S по энергии расположены близко к уровням 2 и 2 атома гелия. Дефицит энергии примерно равен 35 мэВ.

Кроме уровней, образуемых электронными конфигурациями , в Ne имеются уровни, отвечающие переходу одного электрона в Зр-, 4p-...состояния. Каждой из электронных конфигураций и соответствует группа уровней, обозначаемая для краткости 2Р и ЗР. Каждая группа состоит из 10 уровней, нумеруемых по мере уменьшения энергии от 1 до 10. Оптические переходы между s- и р- состояниями разрешены (точнее, из 40 возможных комбинаций разрешены 30). При этом время жизни 2S-и 3S-состояний ( τ ≈0,1 мкc) на порядок превышает время жизни 2Р- и ЗР- состояний (τ ≈0,01 мкс). Это позволяет получить инверсную населенность между уровнями 2S—2P, 3S—3P и 35—2Р при электрическом разряде в чистом неоне. (Это справедливо и для других благородных газов — Аг, Хе и Кг.) Добавление к неону большого количества гелия обеспечивает селективное заселение верхних рабочих уровней 2S и 3S, увеличивает инверсию и существенно облегчает получение генерации.

Таким образом, в (Не — Ne) лазере Не выполняет функцию вспомогательного газа, a Ne — рабочего в соответствии с общей схемой рис. 2. Однако его работа осуществляется не по четырехуровневой, как на рис. 2, а по трехуровневой схеме: накачка производится на верхний рабочий лазерный уровень. Усиление и генерация возможны на трех группах переходов, обозначенный я, б и в на рис.1. Им соответствуют длины волн 3,39; 0,63 и 1,15 мкм. В этих группах наиболее сильными являются следующие переходы: 3S₂ — ЗР₄ (λ= 3,3913 мкм); 3S₂ — ЗP₄ (λ = 0,63282 мкм) и 2S₂ — 2Р₄ (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 3S₂ — 2Р₄, поскольку верхнее рабочее состояние для него совпадает с верхним рабочим состоянием самого сильного 3S₂ — 3Р₄-перехода. Поэтому получить генерацию в области 0,63 мкм в (Не — Ne) лазере наиболее сложно.

Опустошение нижних лазерных уровней ЗР и 2Р в (He-Ne) лазере происходит далеко не оптимальным образом. Эти уровни быстро (что хорошо) опустошаются за счет излучательных переходов в 1S-состояния, которые являются долгоживущими (что плохо). В состоянии 1S, расположенном на 16 эВ выше основного состояния, происходит накопление частиц. Это весьма нежелательно, ибо из состояния 1S велики вероятности переходов в состояния 2Р и 3Р при столкновении с электронами, согласно реакции. Переход атома неона из состояний 1S в основное состояние, как правило, происходит при его столкновении со стенками сосуда, т. е. за счет медленных процессов диффузии к стенкам. По этой причине работа (Не-Nе) лазера критична к диаметру разрядной трубки D и не допускает применения трубок с D> 10 мм.

2. Особенности конструкции гелий- неонового лазера, технические характеристики.

Из всех газовых лазеров гелий-неоновый лазер наиболее прост по своей конструкции, которая полностью соответствует схеме рис. 3. Разрядная трубка изготавливается, как правило, из стекла и заполняется смесью газов He + Ne при оптимальном давлении. 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 плоские 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 (He-Ne) 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-Ne) 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_t и d₂ с разными указателями преломления n₁ и n₂, как показано на рис.4. Отражаясь от каждой из границ раздела, световые волны интерферируют между собой. Оптическая толщина каждого слоя JM и n₂d, подбирается такой, чтобы интерференция шла на максимум (или минимум). Например, при соблюдении условия

(1.1)

на длине волны λ будет наблюдаться максимум отражения и минимум пропускания в многослойном покрытии из диэлектрических слоев, как показано на рис.4, б. Обычно применяют 5-... 13-слойные покрытия. Для видимой и ближней инфракрасной области слои могут быть изготовлены из ZnS — MgF, TiO₂ — SiO₂ и др. Для других областей применяют другие материалы. Изменение коэффициента отражения в максимуме достигается, например, изменением числа слоев.

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 (He-Ne) лазера приведены на рис. 4. Качественно эти зависимости совпадают для всех трех рабочих диапазонов.

Наличие оптимумов по давлению Р как рабочего (Ne), 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. Величина Т_е определяется произведением давления газа Р на внутренний диаметр трубки D. Для (Не – Ne)-лазера, работающего на длине волны 0,63 или 3,39 мкм, оптимальные значения PD и совпадают, поскольку верхний лазерный уровень для этих переходов один и тот же. Они составляют PD≈ 5О0 Па-мм и P_He/P_Ne ≈5 : l. Для лазера, работающего на длине волны 1,15 мкм, оптимальные значения PD ≈ 1500 Па-мм и Р_Не/Р_№ ≈ 10:1.(см. рис 5).

Внутренний диаметр разрядной трубки ограничен процессами диффузии атомов Ne к стенкам, так что обычно D ≈ 3...1О мм.

В зависимости выходной мощности от плотности тока разряда (Не-Nе) лазера наблюдается характерный максимум, что связано с накоплением атомов Ne в долгоживущих 1s-состояниях. С увеличением плотности тока мощность излучения скачком возрастает, начиная от J=J. Однако дальнейший рост выходной мощности ограничивают процессы двухступенчатого электронного возбуждения атомов Ne из состояний 1S в состояния 2Р и 3Р, приводя к заселению нижних рабочих лазерных уровней, уменьшению инверсии и в конечном итоге к срыву генерации. Так как эти переходы разрешены в дипольном приближении, то для них характерны большие сечения взаимодействия при столкновении с электронами. Скорость этого процесса

e+ Ne(1S)−e+ Ne(2P;3P)

приблизительно пропорциональна концентрации свободных электронов и концентрации атомов неона в возбужденном состоянии 1S, которая в свою очередь примерно пропорциональна концентрации электронов (плотности разрядного тока). Таким образом, процесс паразитного заселения нижних рабочих состояний 2Р и ЗР примерно пропорционален квадрату плотности тока. Поэтому в (He-Ne) лазерах увеличение тока разряда выше оптимального значения приводит к падению мощности излучения.

3. Достоинства и недостатки гелий- неонового лазера

Каких-либо эффективных путей дезактивации возбужденных состояний lSNe, кроме взаимодействия со стенками разрядной трубки, пока что 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-Ne) 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 -Ne) лазеров характерно так называемое «складское» старение: приборы стареют в нерабочем состоянии. Поэтому рекомендуют по крайней мере раз в день дать прибору поработать некоторое время.

Существенным недостатком (He- Ne) лазера является его низкий КПД (0,1...0,01%), что связано с особенностью энергетических диаграмм Не и Ne (см. рис. 1). Рабочие уровни расположены выше основного состояния примерно на 20 эВ. Это требует очень высокой электронной температуры в разряде. Но даже при T_е≈60000 К лишь небольшая часть электронов будет в состоянии возбудить атомы гелия. Более того, для получения каждого из фотонов с энергией ~ 1 эВ, испускаемого, например, при оптическом переходе 25 — 2Р, необходимо затратить энергию 20 эВ. Остальные 19 эВ в конечном итоге переходят в тепло.

Излучение (He-Ne-) лазера обладает высоким качеством. Его диаграмма направленности практически полностью определяется резонатором и вводить какие-либо поправки на оптическую неоднородность активного вещества нет необходимости.

Остановимся подробнее на спектральном составе излучения, определяющем его временную когерентность. Естественная ширина линии излучения неона на рабочих переходах составляет _o≈ 20 МГц (при ≈ l00 нс, ≈ l0 нс). Общая ширина линии определяется эффектом Доплера и для атомов неона при 400 К равна _D≈ 1500 МГц. Нетрудно подсчитать, что при длине резонатора (Не-Nе) лазера 10...20 см в пределах контура спектральной линии расположится 1 — 2 собственных оксиальных типов колебаний. Поэтому в таких лазерах сравнительно просто реализовать одночастотный.

Поскольку в (Не-Ne) лазере преобладает неоднородное доплеровское уширение линии, то возможно проявление эффекта «частотного выжигания дырок». Для лазера, работающего в одночастотном режиме, это приводит к появлению в спектральной зависимости коэффициент усиления характерного провала, называемого «провалом Лэмбаг. Существо эффекта сводится к тому, что в системах с неоднородно уширенной спектральной линией монохроматическая волна на частоте ω взаимодействует только с частицами, находящимися в резонансе с этой электромагнитной волной, т. е. с частицами, попадающими в пределы контура однородно уширенной спектральной линии. Это приводит к насыщению показателя усиления вблизи частоты ω, так что в спектре усиления а образуется характерный провал.

Этот эффект может быть использован для тонких спектроскопических измерений и для разработки эффективных методов стабилизации частоты лазера. В (Не-Nе) лазере стабилизация частоты по минимуму лэмбовского провала позволяет получить относительную нестабильность порядка I0, а с использованием специальных мер — до 10.

Используя переходы между верхними уровнями состояний 3S и нижними уровнями состояний 2Р (рис. 1), в (He-Ne) лазере была получена генерация в оранжевой (λ==612 им), желтой (λ =594 нм) и зеленой (λ = 543 нм) областях видимого спектра с мощностью излучения порядка 1 мВт

Лазерная генерация может быть получена на других нейтральных атомах, в том числе и на большинстве инертных газов (He_,Ne, Кг, Аг, Хе). Эти лазеры работают в диапазоне длин волн 1...10 мкм примерно по той же схеме, что и рассмотренный (He-Ne) лазер. В связи с низким КПД и малой выходной мощностью они не получили широкого распространения.

4. Применение гелий- неонового лазера.

(He-Ne) лазер нашёл широкое применение в медицине.

К примеру, было проведено огромное количество исследований по поиску первичного элемента, определяющего весь ход биохимических реакций в клетке. Учёные обнаружили, что биостимулирующее действие гелий-неонового лазера связано с его поглощением порфирин-содержащим ферментом каталазой, имеющим максимум светоабсорбции 628 нм. Повышение активности каталазы в результате облучения красным светом положительно влияет на антиоксидантную систему организма с последующими физиологическими эффектами при тех или иных заболеваниях. Установлено также, что под действием красного света происходит реактивизация особого фермента в тканях, который также имеет максимум поглощения в красной области спектра. Реактивизация супероксидисмутазы ведет к повышению антиоксидантного статуса в тканях и снижению уровня перекисного окисления липидов.

Усиление синтеза ДНК при воздействии красным светом на культуру клеток происходит в сравнительно узком временном интервале облучения. В опытах по выявлению воздействия гелий-неонового лазера на суспензию клеток селезенки мыши получены данные о стимуляции их хемолюминесценции в интервале доз облучения 0,1-0,3 Дж/см² с максимумом около 0,2 Дж/см². Эти данные свидетельствуют об активизации НАДФ Н₂-оксидазы, ответственной за респираторный взрыв в клетках и генерацию свободных радикалов кислорода, так как семихиноновая форма флавиноного хромофора этого фермента имеет полосы поглощения в области 633 нм.

Высказаны предположения, что благодаря наличию у кислорода полосы поглощения вблизи 640 нм, он активно поглощает красный свет, переходя в синглетное состояние и инициируя в тканях окислительные процессы. В исследованиях на эритроцитах человека высокочувствительным методом лазерной цитодифрактометрии показано, что НИЛИ ближней инфракрасной области (700-900 нм) при плотности потока излучения 1-10 мВт/см² и длительности воздействия 100 с влияет на деформируемость мембраны эритроцитов. Механизм действия заключается в возникновении первичных повреждений цитоплазматической мембраны синглетным кислородом, образующимся в результате фотовозбуждения молекулярного кислорода, имеющего полосы поглощения вблизи 586, 640,762, 1060 нм.

При отсутствии специфических фотоакцепторов неспецифическими поглотителями энергии лазерного излучения могут стать макромолекулярные и мембранные образования клеток, подвергаясь при этом конформным изменениям, а также вода. Возможно, что действие низкоинтенсивного лазерного излучения проявляется через изменения физико-химических свойств свободной и связанной воды. Допускается и возможность теплового эффекта НИЛИ при действии на биологические ткани. Однако это мнение не подкрепляется ни экспериментальными данными, ни какими-либо теоретическими оценками, позволяющими проверить справедливость этих моделей.

На основании большого количества клинических данных эффективности лечения ишемической болезни сердца с помощью гелий-неонового лазера предложено оценивать по общей антиокислительной активности плазмы крови больных. Необходимость прекращения инвазивной лазерной терапии связывается при этом с достижением показателей антиокислительной активности плазмы максимальных значений и выходом их на "плато". Также, (He-Ne) лазер применяется при лечении язв, ран, воспалительных процессов, некоторых сосудистых заболеваний и в кардиологии. Не вызывает сомнения стимулирующее действие излучения (He-Ne) лазера при регенерации и улучшении обменных процессов. Основными преимуществами, стимулирующими применение в медицине лазеров в общем (и (He-Ne) лазера в частности) , являются радикальность лечения, снижение сроков вмешательства, уменьшение числа осложнений, кровопотери, улучшение условий стерильности и т. д. (He-Ne) лазер применяется при лечении различных форм гайморитов (для воздействия на кожу в проекции пазухи, а также для облучения слизистой оболочки верхнечелюстной пазухи с помощью световодов, вводимых в синус после пункции и промывания его). Сочетанное использование методов воздействия гелий-неонового лазера, особенно с хирургическим и криовоздействием, позволяет быстро устранить состояние гипоксии, отека и болевой синдром, активизируя регенеративно-репаративные процессы. Для оптимизации положительного эффекта предложены методы лазерооксигеновоздействия

Одновременно с созданием (He- Ne) лазера начали развиваться различные направления его применений. К примеру, стоит отметить, что гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3*10-4 радиан при площади пучка 0,1 см2 имеет яркость 106 Вт/(см2*стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см2 стерадиан)). Благодаря этому получить очень большую интенсивность света. Также прямое подтверждение вывода о формировании при «критических» температурах крупных молекулярных структур было получено путем измерений релеевского рассеяния света. Источником света служил гелий- неоновый лазер с длиной волны 633 нм. Интенсивность рассеяния IР измеряли под углом 900. В связи с малой прозрачностью исходных нефтяных сред, в качестве образца использовали разбавленный раствор обезвоженной нефти (0,3% по объему) в толуоле. На рисунке 5 приведена измеренная зависимость IР от температуры образца. Хорошо видно, что при обсуждавшейся выше «критической» температуре Т=370С начинается резкий рост интенсивности рассеяния, свидетельствующий об образовании в жидкости крупных молекулярных агрегатов.

Применяется (He-Ne) лазер и в сельском хозяйстве. К примеру, в результате стимулирования семян гелий-неоновым лазером ускоряется приток питательных веществ к зародышу, обеспечивается активация метаболических процессов в растениях, что ускоряет прохождение ими фаз развития в процессе онтогенеза, вследствие чего срок созревания сельскохозяйственных культур сокращается на 3-5 дней. Повышенная интенсивность развития растений ведет к увеличению урожайности как за счет большего количества завязей на одном растении, так и большего размера одной завязи. На практике хорошо зарекомендовали себя автоматические лазеры. Лазерная обработка дает прекрасные результаты при воздействии не только на сами растения, но и на посевной материал (семена, клубни, луковицы), который, как известно, хлорофилла еще не содержит. В этом случае световая энергия не тратится на процесс фотосинтеза, а преобразуется в фотохимическую и запасается, а затем расходуется во время прорастания и всех стадий вегетации. Семена быстрее и дружнее всходят, растение скорее обзаводится корневой системой и кроной, площадь его листьев оказывается большей, а корневая система - более разветвленной. В большем количестве и существенно раньше созревают плоды, что немаловажно в нашем прохладном климате.

Создание (He-Ne) ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Таким образом, все радиотехнические методы принципиально могут быть осуществлены и в оптическом диапазоне, причём малость длины волны лазерного излучения открывает ряд дополнительных перспектив. С помощью гелий-неонового Л., обладающего высокой стабильностью частоты, возможно создание единого оптического стандарта длины (длина волны) и времени (частота). Для измерения абсолютного значения частоты гелий-неонового Л. (3,32 мкм) эта частота после преобразования измеряется в ед. частоты клистрона (0,074230 10¹² гц). Это позволяет получить наиболее точное значение скорости света с = 2,99792456,2 + 1,1 м/сек .

Список используемой литературы:

Оптическая и квантовая электроника: Учеб. Для вузов. А. Н. Пихтин. – М.: Высш.шк, 2001.-523 с.: ил.
Ищенко Е.Ф., Климков Ю. М. Оптические квантовые генераторы. М.,”Советское радио”,1968.