Laser ya gesi ni kifaa kinachohusiana na jenereta za macho za quantum.
Kipengele kikuu cha laser ya heliamu-neon inayoendelea ni bomba la kutokwa kwa gesi T(Mchoro 1), kuwa na cathode ya joto K na anode A. Bomba limejaa mchanganyiko wa heliamu ( Sivyo) (shinikizo la sehemu Sivyo 1 mmHg st) na neon ( Ne) (shinikizo la sehemu Ne 0.1 mmHg st). Kipenyo cha ndani cha bomba ni 1 ... 10 mm, urefu kutoka makumi kadhaa ya sentimita hadi 1.5 ... 3 m. Mwisho wa bomba umefungwa na kioo cha ndege-sambamba au madirisha ya quartz P 1 na P 2, imewekwa. kwa pembe ya Brewster kwa mhimili wake. Kwa mionzi ya polarized linearly na vector umeme katika ndege ya matukio, mgawo wa kutafakari kutoka kwao ni sifuri. Kwa hiyo, madirisha ya Brewster hutoa polarization ya mstari wa mionzi ya laser na kuondokana na hasara za nishati wakati mwanga hueneza kutoka eneo la kazi hadi vioo na nyuma. Bomba huwekwa kwenye resonator iliyoundwa na vioo B 1 na B 2 na mipako ya dielectric ya multilayer. Vioo vile vina onyesho la juu sana katika anuwai ya spectral ya uendeshaji na kwa kweli haichukui mwanga. Utoaji wa kioo kwa njia ambayo mionzi ya laser hutoka kwa kawaida ni 1...2%, nyingine - chini ya 1%.
Voltage ya 1 ... 2 kV inatumika kwa electrodes ya tube. Kwa cathode yenye joto na voltage maalum, kutokwa kwa umeme kunaweza kudumishwa katika gesi zinazojaza tube. Utoaji wa mwanga huunda hali za kutokea kwa ubadilishaji wa idadi ya watu katika neon. Nguvu ya sasa ya kawaida katika kutokwa kwa gesi ni makumi ya milimita.
Mionzi inayoonekana ya kutokwa hutolewa na neon, lakini msisimko wa atomi muhimu kwa hili unafanywa kwa msaada wa atomi za heliamu. Picha ya kimkakati iliyorahisishwa ya viwango vya nishati ya atomiki Sivyo Na Ne inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo 2.
Kwa sababu ya migongano na elektroni, atomi Sivyo kwenda katika hali ya msisimko (2 3 S na 21 S) Viwango hivi vinaweza kubadilika na nishati ya 19.82 na 20.61 eV, mtawalia. Mpito wa mionzi ya hiari kutoka kwa viwango hivi hadi ngazi kuu ni marufuku kulingana na sheria za uteuzi, i.e. hutokea kwa uwezekano mdogo sana.
 Kielelezo cha 2 |
Muda wa maisha ya atomi katika ngazi 2 1 S na 23 S ni kubwa ikilinganishwa na maisha katika viwango vya kawaida vya msisimko, kwa hivyo atomi nyingi hujilimbikiza katika viwango hivi vinavyoweza kubadilika. Sivyo. Lakini viwango vya neon 3 S na 2 S kivitendo sanjari na viwango vinavyoweza kubadilika 2 1 S na 23 S heliamu Kutokana na hili, atomi zenye msisimko hugongana Sivyo yenye atomi Ne mabadiliko ya atomiki hutokea Ne katika hali ya msisimko yenye uhamishaji wa mwangwi wa nishati kutoka kwa atomi za heliamu hadi atomi za neoni.
Mchakato wa msisimko wa atomi Ne inayoonyeshwa na mishale yenye vitone mlalo (Mchoro 2). Kama matokeo ya mkusanyiko wa atomi za neon katika viwango vya 3 S na 2 S kuongezeka kwa nguvu, na idadi ya watu kinyume cha viwango vya nishati inaonekana kuhusiana na kiwango cha 2 R. Kati amilifu inayojumuisha atomi huundwa kwenye bomba Ne, ambazo zina idadi tofauti ya viwango vya nishati ya elektroni.
Utoaji wa hiari wa atomi za msisimko wa mtu binafsi husababisha uenezaji katika hali hai ya fotoni inayolingana na mabadiliko ya kielektroniki katika atomi za neon kutoka ngazi ya 3. S kwa ngazi 2 P.
Chini ya ushawishi wa uwanja wa sumakuumeme wa fotoni zinazoenea katika kutokwa (kwanza kwa hiari inayotolewa na atomi za neon zilizosisimka), utoaji wa madhubuti wa atomi zingine za neon zinazosisimka hutokea, i.e. kazi kati kujaza tube laser. Ongezeko kubwa la mchakato huu linahakikishwa na kifungu cha mara kwa mara cha mionzi kati ya vioo KATIKA 1 na KATIKA 2 resonators, ambayo inaongoza kwa malezi ya mtiririko wa nguvu unaosababishwa wa mionzi ya laser iliyoelekezwa. Upana wa chini wa angular wa mwanga wa mwanga wa laser unatambuliwa na diffraction inayohusishwa na upungufu wa sehemu ya msalaba wa boriti, i.e. tu na mali ya wimbi la mwanga. Hali hii muhimu zaidi hutofautisha chanzo cha laser kutoka kwa chanzo kingine chochote cha mwanga.
4 DEVICES NA ACCESSORIES
1 laser ya gesi LG78.
2 benchi ya macho.
3 Ugavi wa umeme.
4 Upasuaji wa diffraction.
Sahani 5 za glasi zilizo na chembe ndogo zilizonyunyiziwa kati yao.
6 Skrini yenye kipimo cha milimita.
5 Kufanya kazi na laser ya gesi
Washa swichi ya kugeuza "Mtandao". Kubadili "Marekebisho ya Sasa" imewekwa katika nafasi ya kazi na mwalimu au msaidizi wa maabara. Ni marufuku kabisa kuhamisha kwa nafasi nyingine.
Wakati wa kufanya kazi na laser, kumbuka hilo yatokanayo na mionzi ya moja kwa moja ya laser machoni ni hatari kwa maono .
Kwa hiyo, wakati wa kufanya kazi na laser, mwanga wake unazingatiwa baada ya kutafakari kwenye skrini yenye uso wa kueneza.
6 AMRI YA UTENDAJI
Zoezi 1
Kupima urefu wa wimbi la mionzi ya laser kwa kutumia
wavu wa diffraction
Mwelekeo na mshikamano wa anga wa mionzi ya laser inaruhusu kutumika katika idadi ya vipimo bila mgongano wa awali.
Mpangilio wa zoezi hili ni pamoja na leza, kipima sauti kilicho na wavu wa kutofautisha, na skrini iliyo na kipimo cha milimita kwa ajili ya kuangalia muundo wa mtengano (Mchoro 3).
 Kielelezo cha 3 |
Grating ya diffraction imewekwa perpendicular kwa mhimili wa mwanga wa mwanga unaojitokeza kutoka kwa laser. Kwa kufanya hivyo, mwanga wa mwanga unaoonyeshwa kutoka kwa ndege ya grating lazima uelekezwe hasa katikati ya dirisha la pato la laser, i.e. kufikia bahati mbaya ya mwanga wa mwanga unaojitokeza kutoka kwa laser na kutafakari kwake kutoka kwa ndege ya grating.
Kutokana na hali ya monochromatic ya mionzi ya laser, spectra nyingi zisizo na kuingiliana za diffraction ya maagizo mbalimbali chanya na hasi huzingatiwa kwenye skrini. Mistari hii huunda mfululizo wa mistari nyekundu kwenye skrini, ikirudia sehemu ya msalaba ya tukio la msingi la mwangaza kwenye wavu.
Skrini imewekwa perpendicular kwa mwanga wa mwanga, na maagizo ya spectra yanapangwa kwa ulinganifu kuhusiana na sifuri ya kiwango cha skrini.
Umbali kati ya spectra ya diffraction na wigo wa mpangilio wa sifuri lazima ieleweke kama umbali kati ya vituo vya spectra inayozingatiwa (strips).
Urefu wa wimbi huhesabiwa kwa kutumia formula
Wapi d- kimiani mara kwa mara (kwa upande wetu d= 0.01 mm);
- angle ya diffraction;
k- utaratibu wa wigo;
l ni urefu wa wimbi la mionzi ya laser.
 Kielelezo cha 4 |
Pembe ya diffraction imedhamiriwa kutoka kwa uhusiano
(2)
iko wapi umbali kati ya maxima ya kushoto na kulia ya agizo k;
L- umbali kutoka kwa ndege ya grating ya diffraction kwa ndege ya skrini (Mchoro 4).
Kubadilisha (2) hadi (1), tunapata
Utaratibu wa kufanya mazoezi 1
1 Pima umbali katika wigo wa kwanza ( k= 1), pili ( k= 2) na tatu ( k= 3) maagizo ya ukubwa katika umbali tofauti wa skrini kutoka kwa grating ya diffraction.
2 Weka matokeo ya kipimo kwenye jedwali 1.
3 Kokotoa urefu wa mawimbi unaolingana na mionzi ya leza.
Jedwali 1
| Mpangilio wa wigo k | L, m | X k, m | l mimi | | Dl mimi | , m | Dl, m | e, % | |
Usindikaji wa data ya majaribio
1 Kokotoa urefu wa mawimbi kwa kila kipimo ukitumia fomula (3).
2. Kokotoa wastani wa wapi n- idadi ya vipimo.
3 Kokotoa makosa kabisa ya vipimo vya mtu binafsi
5 Weka thamani ya kutegemewa a (kama ilivyoelekezwa na mwalimu).
6 Amua kutumia jedwali la Mwanafunzi na ukokotoe mipaka ya muda wa kujiamini
7 Kokotoa hitilafu ya jamaa Tumia thamani ya thamani iliyopatikana l katika hesabu zinazohitajika katika zoezi linalofuata.
Zoezi 2
Tofauti ya Fraunhofer ya mionzi ya laser
kwenye chembe ndogo za pande zote
Boriti ya laser ya monochromatic, iliyoboreshwa vizuri na inayoshikamana anga inafanya uwezekano wa kutazama moja kwa moja utengano wa mwanga na chembe za pande zote.
Ili pembe za diffraction kwenye chembe ziwe muhimu, saizi ya chembe lazima iwe ndogo. Hata hivyo, ikiwa chembe moja ndogo imewekwa kwenye boriti ya mwanga, basi muundo wa diffraction iliyotolewa kwenye skrini ya mbali itakuwa vigumu kuchunguza, kwa sababu. picha itaonyeshwa kwenye mandharinyuma nyepesi iliyoundwa na sehemu ya miale ya mwanga ambayo haijapata mgawanyiko.
Ili kupata muundo wa utengano unaoonekana kwa uwazi, unahitaji kuweka chembe nyingi zinazofanana zilizopatikana kwa nasibu kwenye njia ya mwangaza. Kwa hakika, kwa kuwa utofauti wa Fraunhofer unachunguzwa, chembe yoyote ya mtu binafsi, bila kujali nafasi yake katika sehemu ya msalaba ya mwangaza wa mwanga, hutoa usambazaji sawa wa mwanga uliotenganishwa.
Katika uwepo wa wakati huo huo wa chembe nyingi katika sehemu ya msalaba ya boriti, usambazaji wa angular wa mwanga uliotenganishwa unaoundwa na kila chembe tofauti hauvunjwa ikiwa hakuna athari ya kuingilia kati ya utaratibu kati ya mihimili ya mwanga iliyopigwa na chembe tofauti.
Ikiwa chembe ziko kwa nasibu kwenye ndege ya sehemu ya msalaba ya boriti ya mwanga, basi, kwa sababu ya uwezekano sawa wa maadili yote ya awamu ya mawimbi yaliyotawanyika kwa mwelekeo tofauti, ni nguvu tu za mihimili ya mwanga iliyotawanyika na chembe tofauti. ongeza. Muundo wa kutofautisha kutoka N chembe zitaongezeka kwa nguvu ndani N nyakati ikilinganishwa na muundo wa diffraction wa chembe ya mtu binafsi, bila kubadilisha muundo wake. Hali hii inatumika katika majaribio ya sasa.
Ufungaji unabaki sawa na katika Zoezi la 1, lakini badala ya grating ya diffraction, mandrel yenye sahani za kioo imewekwa kwenye rater, kati ya ambayo chembe za lycopodium (spores za mimea ya moss), ambayo ni mipira ya takriban saizi ndogo sawa, hupuliziwa.
Kwenye skrini, baada ya kuwasha laser, unaweza kuona mfumo wa mwanga wa kuzingatia na pete za diffraction za giza zinazozunguka mzunguko wa mwanga.
Radi ya kona a i pete za giza hutii mahusiano yafuatayo:
Radi ya kona a i pete za mwanga
(5)
Wapi r- radius ya chembe ambayo ilisababisha diffraction ya mwanga.
Maadili sina i huhesabiwa kutoka kwa hali
(6)
Wapi D i- kipenyo cha mstari wa pete ya diffraction inayolingana kwenye skrini;
L- umbali kutoka sahani ya kioo hadi skrini.
Utaratibu wa kufanya mazoezi 2
na usindikaji wa data ya majaribio
1 Pima vipenyo vya kwanza ( D 1) na ya pili ( D 3) pete za giza kwa umbali tofauti L. Ingiza matokeo kwenye jedwali. 2.
2 Jenga grafu ya utegemezi D=f(L) kwa kila moja ya minima ya diffraction, i.e. D 1 = f(L) Na D 3 = f(L).
3 Tambua tanjiti za pembe za mtengano zinazolingana na pete za kwanza na za pili za giza kwa kutumia fomula (6), na thamani ya wastani ya kipenyo cha chembe kwa kutumia mahusiano (4).
4 Tambua kosa la kipimo. Andika matokeo ya mwisho katika fomu r = <r> ±
5 Fanya hitimisho kutoka kwa kazi.
Laser ya heliamu-neon, pamoja na leza za diode au semiconductor, ni mojawapo ya leza zinazotumiwa sana na za bei nafuu kwa eneo linaloonekana la wigo. Nguvu ya mifumo ya laser ya aina hii, iliyokusudiwa hasa kwa madhumuni ya kibiashara, ni kati ya 1 mW hadi makumi kadhaa ya mW. Hasa, lasers za He-Ne za utaratibu wa 1 mW, ambazo hutumiwa hasa kama vifaa vya kunukuu, na pia kutatua matatizo mengine katika uwanja wa teknolojia ya kipimo, ni maarufu sana. Katika safu za infrared na nyekundu, leza ya heliamu-neon inazidi kubadilishwa na leza ya diode. Laser za He-Ne zina uwezo, pamoja na mistari nyekundu, ya pia kutoa mistari ya machungwa, njano na kijani, ambayo hupatikana kwa shukrani kwa vioo vinavyochaguliwa.
Mchoro wa Kiwango cha Nishati
Viwango vya nishati vya heliamu na neon ambavyo ni muhimu zaidi kwa utendakazi wa leza za He-Ne vinaonyeshwa kwenye Mtini. 1. Mabadiliko ya laser hutokea katika atomi ya neon, na mistari mikali zaidi inayotokana na mabadiliko yenye urefu wa mawimbi 633, 1153 na 3391 (tazama Jedwali 1).
Usanidi wa kielektroniki wa neon katika hali yake ya chini inaonekana kama hii: 1 s 2 2s 2 2uk 6 na ganda la kwanza ( n= 1) na ganda la pili ( n= 2) hujazwa na elektroni mbili na nane, kwa mtiririko huo. Majimbo ya juu katika Mtini. 1 hutokea kama matokeo ya ukweli kwamba kuna 1 s 2 2s 2 2uk 5-ganda, na elektroni nyepesi (ya macho) inasisimka kulingana na mpango: 3 s, 4s, 5s,..., Z R, 4R,... na kadhalika. Kwa hiyo tunazungumzia hali ya elektroni moja inayowasiliana na shell. Katika mpango wa LS (Russell - Saunders), hali ya elektroni moja imeonyeshwa kwa viwango vya nishati vya neon (kwa mfano, 5). s), pamoja na kusababisha jumla ya kasi ya orbital L (= S, P, D...). Katika nukuu S, P, D,..., faharisi ya chini inaonyesha kasi ya jumla ya obiti J, na faharisi ya juu inaonyesha msururu wa 2S + 1, kwa mfano, 5. s 1 uk 1. Mara nyingi, jina pekee la phenomenological kulingana na Paschen hutumiwa (Mchoro 1). Katika kesi hii, viwango vya chini vya majimbo ya elektroniki ya msisimko huhesabiwa kutoka 2 hadi 5 (kwa s-states) na kutoka 1 hadi 10 (kwa p-states).
Msisimko
Kati ya kazi ya laser ya heliamu-neon ni mchanganyiko wa gesi ambayo nishati muhimu hutolewa katika kutokwa kwa umeme. Viwango vya leza ya juu (s 2 na 2p kulingana na Paschen) huwekwa kwa kuchagua kulingana na migongano na atomi za heliamu zinazoweza kubadilika (2 3 S 1, 2 1 S 0). Wakati wa migongano hii, sio tu nishati ya kinetic inabadilishwa, lakini pia nishati ya atomi ya heliamu yenye msisimko huhamishiwa kwa atomi za neon. Utaratibu huu unaitwa mgongano wa aina ya pili:
Yeye* + Ne -> Yeye + Ne* + ΔE, (1)
ambapo nyota (*) inaashiria hali ya msisimko. Tofauti ya nishati katika hali ya msisimko wa kiwango cha 2s ni: &DeltaE=0.05 eV. Wakati wa mgongano, tofauti iliyopo inabadilishwa kuwa nishati ya kinetic, ambayo inasambazwa kama joto. Kwa kiwango cha 3, uhusiano unaofanana unashikilia. Uhamisho huu wa nishati ya resonant kutoka heliamu hadi neon ndio mchakato mkuu wa kusukuma wakati wa kuunda ubadilishaji wa idadi ya watu. Katika kesi hii, maisha marefu ya hali ya metastable haina athari nzuri juu ya uteuzi wa idadi ya watu wa kiwango cha juu cha laser.
Msisimko wa He atomi hutokea kwa kuzingatia mgongano wa elektroni - ama moja kwa moja au kupitia mabadiliko ya ziada ya kasino kutoka viwango vya juu. Kwa sababu ya hali ya metastable ya muda mrefu, msongamano wa atomi za heliamu katika majimbo haya ni juu sana. Ngazi ya juu ya laser 2s na 3s inaweza - kwa kuzingatia sheria za uteuzi kwa mabadiliko ya umeme ya Doppler - kwenda tu kwa viwango vya p-msingi. Kwa kizazi kilichofanikiwa cha mionzi ya laser, ni muhimu sana kwamba maisha ya s-states (ngazi ya juu ya laser) = takriban 100 ns huzidi maisha ya p-states (kiwango cha chini cha laser) = 10 ns.
Urefu wa mawimbi
Ifuatayo, tutazingatia mabadiliko muhimu zaidi ya laser kwa undani zaidi kwa kutumia Mtini. 1 na data kutoka kwa meza 1. Mstari maarufu zaidi katika eneo nyekundu la wigo (0.63 μm) hutokea kutokana na mpito 3s 2 → 2p 4. Kiwango cha chini kinagawanyika kutokana na utoaji wa hiari ndani ya ns 10 kwenye ngazi ya 1 (Mchoro 1). Mwisho ni sugu kwa kugawanyika kwa sababu ya mionzi ya dipole ya umeme, kwa hivyo ina sifa ya maisha marefu ya asili. Kwa hiyo, atomi hujilimbikizia katika hali fulani, ambayo inageuka kuwa na watu wengi. Katika kutokwa kwa gesi, atomi katika hali hii hugongana na elektroni, na kisha viwango vya 2p na 3s vinasisimka tena. Wakati huo huo, inversion ya idadi ya watu hupungua, ambayo hupunguza nguvu za laser. Kupungua kwa hali ya ls hutokea katika lasers ya heliamu-neon hasa kutokana na migongano na ukuta wa bomba la kutokwa kwa gesi, na kwa hiyo, wakati kipenyo cha bomba kinaongezeka, kupungua kwa faida na kupungua kwa ufanisi huzingatiwa. Kwa hiyo, katika mazoezi, kipenyo ni mdogo kwa takriban 1 mm, ambayo, kwa upande wake, hupunguza nguvu ya pato la lasers ya He-Ne hadi makumi kadhaa ya mW.
Mipangilio ya kielektroniki ya 2s, 3s, 2p na 3p inayoshiriki katika mpito wa leza imegawanywa katika viwango vidogo vingi. Hii inasababisha, kwa mfano, kwa mabadiliko zaidi katika eneo linaloonekana la wigo, kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa Jedwali 2. Kwa mistari yote inayoonekana ya laser ya He-Ne, ufanisi wa quantum ni karibu 10%, ambayo sio sana. Mchoro wa ngazi (Mchoro 1) unaonyesha kwamba viwango vya juu vya laser viko takriban 20 eV juu ya hali ya chini. Nishati ya mionzi ya laser nyekundu ni 2 eV tu.
Jedwali 2. Urefu wa mawimbi λ, nguvu za pato na upana wa mstari Δ ƒ He-Ne leza (maelezo ya mpito ya Paschen)
| Rangi | λ nm |
Mpito (kulingana na Paschen) |
Nguvu mW |
Δ ƒ MHz |
Faida %/m |
| Infrared | 3 391 | 3s 2 → 3uk 4 | > 10 | 280 | 10 000 |
| Infrared | 1 523 | 2s 2 → 2uk 1 | 1 | 625 | |
| Infrared | 1 153 | 2s 2 → 2uk 4 | 1 | 825 | |
| Nyekundu | 640 | 3s 2 → 2uk 2 | |||
| Nyekundu | 635 | 3s 2 → 2uk 3 | |||
| Nyekundu | 633 | 3s 2 → 2uk 4 | > 10 | 1500 | 10 |
| Nyekundu | 629 | 3s 2 → 2uk 5 | |||
| Chungwa | 612 | 3s 2 → 2uk 6 | 1 | 1 550 | 1.7 |
| Chungwa | 604 | 3s 2 → 2uk 7 | |||
| Njano | 594 | 3s 2 → 2uk 8 | 1 | 1 600 | 0.5 |
| Njano | 543 | 3s 2 → 2uk 10 | 1 | 1 750 | 0.5 |
Utoaji katika masafa ya infrared karibu 1.157 μm hutokea kupitia 2s → 2p mabadiliko. Hali hiyo hiyo inatumika kwa mstari dhaifu kidogo wa takriban 1.512 µm. Mistari hii miwili ya infrared hutumiwa katika leza za kibiashara.
Kipengele cha sifa ya mstari katika safu ya IR katika 3.391 μm ni faida yake kubwa. Katika eneo la ishara dhaifu, ambayo ni, kwa kifungu kimoja cha ishara dhaifu za mwanga, ni karibu 20 dB / m. Hii inalingana na sababu ya 100 kwa urefu wa mita 1 ya laser. Ngazi ya juu ya laser ni sawa na kwa mpito nyekundu inayojulikana (0.63 μm). Faida kubwa, kwa upande mmoja, husababishwa na maisha mafupi sana katika kiwango cha chini cha 3p. Kwa upande mwingine, hii inaelezewa na urefu wa urefu wa wimbi na, ipasavyo, mzunguko wa chini wa mionzi. Kwa kawaida, uwiano wa utoaji unaochochewa na utoaji wa hewa chafu huongezeka kwa masafa ya chini ƒ. Ukuzaji wa ishara dhaifu g kwa ujumla ni sawia na g ~ƒ 2 .
Bila vipengele vilivyochaguliwa, leza ya heli-neon ingetoa kwenye mstari wa 3.39 µm badala ya katika eneo nyekundu katika 0.63 µm. Msisimko wa mstari wa infrared huzuiwa ama kwa kioo cha kuchagua cha resonator au kwa kunyonya kwenye madirisha ya Brewster ya tube ya kutokwa kwa gesi. Shukrani kwa hili, kizingiti cha kudumu cha leza kinaweza kuinuliwa hadi kiwango cha kutosha kutoa 3.39 µm, ili tu mstari mwekundu dhaifu zaidi kuonekana hapa.
Kubuni
Elektroni muhimu kwa msisimko huzalishwa katika kutokwa kwa gesi (Mchoro 2), ambayo inaweza kutumika kwa voltage ya karibu 12 kV kwa mikondo kutoka 5 hadi 10 mA. Urefu wa kawaida wa kutokwa ni 10 cm au zaidi, kipenyo cha capillaries ya kutokwa ni karibu 1 mm na inafanana na kipenyo cha boriti ya laser iliyotolewa. Wakati kipenyo cha bomba la kutokwa kwa gesi huongezeka, ufanisi hupungua, kwani migongano na ukuta wa bomba inahitajika kuondoa kiwango cha ls. Kwa pato bora la nguvu, shinikizo la kujaza jumla (p) hutumiwa: p · D = 500 Pa·mm, ambapo D ni kipenyo cha tube. Uwiano wa mchanganyiko wa He/Ne unategemea laini ya laser inayotaka. Kwa mstari mwekundu unaojulikana tuna Yeye: Ne = 5: l, na kwa mstari wa infrared kuhusu 1.15 μm - He:Ne = 10: l. Uboreshaji wa msongamano wa sasa pia inaonekana kuwa kipengele muhimu. Ufanisi wa mstari wa 633 nm ni karibu 0.1%, kwani mchakato wa uchochezi katika kesi hii haufanyi kazi sana. Maisha ya huduma ya laser ya heliamu-neon ni kuhusu saa 20,000 za uendeshaji.
|
Mchele. 2. Muundo wa leza ya He-Ne kwa mnururisho wa polarized katika masafa ya mW
Faida chini ya hali hiyo ni katika kiwango cha g=0.1 m -1, kwa hiyo ni muhimu kutumia vioo na kutafakari kwa juu. Ili kutoka kwa boriti ya laser kwa upande mmoja tu, kioo cha kupitisha (translucent) kimewekwa hapo (kwa mfano, na R = 98%), na kwa upande mwingine - kioo kilicho na mwangaza wa juu zaidi (~ 100%). Faida ya mabadiliko mengine yanayoonekana ni ndogo zaidi (tazama Jedwali 2). Kwa madhumuni ya kibiashara, mistari hii imepatikana tu katika miaka ya hivi karibuni kwa kutumia vioo vilivyo na hasara ndogo sana.
Hapo awali, na laser ya heliamu-neon, madirisha ya pato ya tube ya kutokwa kwa gesi yaliwekwa na resin epoxy, na vioo viliwekwa nje. Hii ilisababisha heliamu kuenea kupitia gundi na mvuke wa maji ili kuingia kwenye leza. Leo, madirisha haya yamewekwa na kulehemu moja kwa moja ya chuma kwa kioo, ambayo inapunguza kuvuja kwa heliamu kwa takriban 1 Pa kwa mwaka. Katika kesi ya lasers ndogo zinazozalishwa kwa wingi, mipako ya kioo hutumiwa moja kwa moja kwenye madirisha ya pato, ambayo hurahisisha sana muundo mzima.
Mali ya boriti
Ili kuchagua mwelekeo wa polarization, taa ya kutokwa kwa gesi ina madirisha mawili ya mwelekeo au, kama inavyoonekana kwenye Mtini. 2, sahani ya Brewster inaingizwa kwenye resonator. Uakisi kwenye uso wa macho unakuwa sufuri ikiwa mwanga unatokea kwa kinachojulikana pembe ya Brewster na umewekwa sambamba na ndege ya matukio. Kwa hivyo, mionzi yenye mwelekeo huu wa polarization hupita kupitia dirisha la Brewster bila kupoteza. Wakati huo huo, kutafakari kwa sehemu ya polarized perpendicular kwa ndege ya matukio ni ya juu kabisa na imezimwa kwenye laser.
Uwiano wa polarization (uwiano wa nguvu katika mwelekeo wa polarization kwa nguvu perpendicular kwa mwelekeo huu) ni 1000: 1 kwa mifumo ya kawaida ya kibiashara. Wakati laser inafanya kazi bila sahani za Brewster na vioo vya ndani, mionzi isiyo na polar hutolewa.
Laser kawaida huzalisha katika hali ya transverse TEM 00 (hali ya utaratibu wa chini), na aina kadhaa za longitudinal (axial) zinaundwa mara moja. Wakati umbali kati ya vioo (urefu wa cavity ya laser) ni L = 30 cm, muda wa mzunguko wa intermode ni Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz. Mzunguko wa kati ni katika kiwango cha 4.7 · 10 14 Hz. Kwa kuwa ukuzaji wa mwanga unaweza kutokea ndani ya masafa Δƒ = 1500 MHz (upana wa Doppler), kwa L = 30CM masafa matatu tofauti hutolewa: Δƒ/Δƒ`= 3. Unapotumia nafasi ndogo ya kioo (<= 10см) может быть получена одночастотная генерация. При короткой длине мощность будет весьма незначительной. Если требуется одночастотная генерация и более высокая мощность, можно использовать лазер большей длины и с оснащением частотно-селективными элементами.
Laser za heli-neon karibu 10 mW mara nyingi hutumiwa katika interferometry au holography. Urefu wa mshikamano wa lasers zinazozalishwa kwa wingi huanzia 20 hadi 30 cm, ambayo ni ya kutosha kabisa kwa holography ya vitu vidogo. Urefu wa mshikamano wa muda mrefu hupatikana kwa kutumia vipengele vya kuchagua frequency za serial.
Wakati umbali wa macho kati ya vioo hubadilika kama matokeo ya athari za joto au zingine, masafa ya asili ya axial ya cavity ya laser huhama. Kwa kizazi cha mzunguko mmoja, mzunguko wa mionzi thabiti haupatikani hapa - husogea bila kudhibitiwa katika safu ya upana wa mstari wa 1500 MHz. Kwa njia ya udhibiti wa ziada wa umeme, utulivu wa mzunguko unaweza kupatikana kwa usahihi katikati ya mstari (kwa mifumo ya kibiashara, utulivu wa mzunguko wa MHz kadhaa inawezekana). Katika maabara za utafiti wakati mwingine inawezekana kuleta utulivu wa leza ya heliamu-neon hadi safu ya chini ya 1 Hz.
Kwa kutumia vioo vinavyofaa, mistari tofauti kutoka kwa Jedwali 4.2 inaweza kusisimua kuzalisha mionzi ya laser. Laini inayoonekana inayotumika zaidi ni karibu nm 633 na nguvu za kawaida za milliwati kadhaa. Baada ya ukandamizaji wa mstari mkali wa laser karibu na 633 nm, mistari mingine katika safu inayoonekana inaweza kuonekana kwenye cavity kwa kutumia vioo vya kuchagua au prisms (tazama Jedwali 2). Walakini, nguvu ya pato ya mistari hii ni 10% tu ya nguvu ya pato ya laini kubwa au hata chini.
Laser za heliamu-neon za kibiashara zinapatikana katika urefu tofauti wa mawimbi. Mbali nao, pia kuna lasers zinazozalisha kwenye mistari mingi na zina uwezo wa kutoa mawimbi ya urefu mwingi katika mchanganyiko mbalimbali. Kwa upande wa leza zinazoweza kusongeshwa za He-Ne, inapendekezwa kuchagua urefu unaohitajika kwa kuzungusha prism.
KAZI 17. KUSOMA SIFA ZA Mionzi ya LASER
LENGO LA KAZI:
1. Jitambulishe na kanuni ya uendeshaji na muundo wa laser ya heliamu-neon.
2. Jitambulishe na kuingiliwa, diffraction na polarization ya mionzi ya laser.
3. Kuamua vipindi vya muundo wa pande mbili.
4. Kuamua angle ya tofauti ya boriti ya laser.
NADHARIA FUPI
Laser kimsingi ni chanzo kipya cha mwanga. Mionzi ya laser inatofautiana na mionzi ya vyanzo vya kawaida (taa za incandescent, taa za fluorescent, nk) kwa kuwa iko karibu na monochromatic, ina mshikamano wa juu wa muda na wa anga, na tofauti ya chini sana. , na, kwa hiyo, msongamano mkubwa wa kipekee wa nishati ya sumakuumeme. Kwa kuongeza, boriti ya laser ni polarized.
Kanuni ya uendeshaji wa laser inategemea matukio matatu ya kimwili: chafu iliyochochewa, inversion ya idadi ya watu na maoni mazuri.
Tabia ya atomi (molekuli) inatii sheria za mechanics ya quantum, kulingana na ambayo maadili ya kiasi cha kimwili (kwa mfano, nishati E) inaweza kuchukua tu maadili fulani (discrete). Kwa nishati, maadili haya kawaida huonyeshwa graphically katika mfumo wa kinachojulikana viwango vya nishati (Mchoro 1).
Ngazi ya chini ya nishati inaitwa ngazi ya chini, kwa kuwa inafanana na hali ya utulivu zaidi ya chembe. Viwango vilivyobaki vilivyo na viwango vya juu vya nishati huitwa msisimko.
Mchakato unaoambatana na kuongezeka kwa nishati ya atomiki unaonyeshwa kama mpito hadi kiwango cha juu cha nishati, mchakato ulio na kupungua kwa nishati unaonyeshwa kama mpito kwenda kwa kiwango cha chini.
Hebu fikiria mwingiliano wa mionzi ya umeme (mwanga) na atomi.
Aina ya kwanza ya mwingiliano: atomi, kuwa katika hali ya chini, inachukua photon, nishati ambayo ni ya kutosha kwa ajili ya mpito kwa moja ya majimbo ya msisimko (Mchoro 1a).
Na pili: atomi katika hali ya msisimko,
kwa hiari (kwa hiari) mabadiliko kwa hali ya chini ya nishati: mpito huu unaambatana na utoaji wa photon (Mchoro 1c).
Wakati wa mabadiliko ya hiari, atomi tofauti hutoa bila wakati huo huo na kwa kujitegemea, kwa hivyo, awamu za fotoni zilizotolewa hazihusiani na kila mmoja, mwelekeo wa mionzi, polarization yake ni ya nasibu, na mzunguko wa mionzi hubadilika ndani ya mipaka fulani. imedhamiriwa na upana wa viwango vya nishati E 1 na E 2.
Utoaji wa hiari hauelekezi, usio na polar, usio wa monokromatiki.
Kuna, hata hivyo, aina ya tatu ya mwingiliano, ambayo inaitwa utoaji wa stimulated. Ikiwa atomi katika hali ya msisimko (Mchoro 2) ni tukio kwenye mionzi yenye mzunguko ν Sambamba na mpito wa atomi hadi hali ya chini (1), kisha chembe hupita ndani yake kwa nguvu chini ya ushawishi wa fotoni hii, ikitoa fotoni yake, ambayo inaitwa utoaji wa kuchochea.
Ni muhimu sana kutambua tabia ya uzalishaji unaochochewa: wimbi lililotolewa (photon) lina sawa kabisa. mwelekeo na awamu, ambayo pia ni ya kulazimisha. Kwa kuongeza, mawimbi haya mawili yana masafa sawa na majimbo ya polarization.
Wakati wa mabadiliko 1 → 2 (Mchoro 1a), mionzi ya nje inafyonzwa, na wakati wa mabadiliko ya kulazimishwa 2 → 1 (Mchoro 2), kinyume chake, inaimarishwa, kwa sababu fotoni inayotolewa na atomi huongezwa kwenye fotoni ya nje. Uwezekano wa mabadiliko 1→2 na 2→1 ni sawa. Ikiwa atomi nyingi ziko katika hali ya msisimko, basi mabadiliko 2→1 yatatokea mara nyingi zaidi . Kwa maneno mengine, ili kuongeza mionzi ya nje ni muhimu idadi ya watu kiwango cha 2 kilikuwa cha juu kuliko idadi ya watu wa kiwango cha 1 au ni muhimu kuunda ubadilishaji viwango vya idadi ya watu.
Katika halijoto T, idadi ya atomi N katika hali yenye nishati E huamuliwa na fomula ya Boltzmann
N ~ exp(-E/kT)
ambapo k ni Boltzmann ya mara kwa mara.
Kutokana na hili inaweza kuonekana kuwa juu ya nishati ya hali E, ndogo idadi N ya atomi katika hali hii. Hii ina maana kwamba katika hali ya usawa, viwango vya chini vimejaa zaidi, na ngozi ya mwanga inashinda juu ya amplification.
Ubadilishaji wa idadi ya viwango unalingana na hali isiyo na usawa ya atomi za kati.
Hali kama hiyo inaweza kuundwa kwa uwongo kwa muhtasari
nishati kwa dutu inayofanya kazi, kwa sababu ambayo atomi huhamishiwa kwa kiwango cha juu cha nishati. Utaratibu huu unaitwa kusukuma juu. Katika aina tofauti za lasers, kusukuma kunafanywa kwa njia tofauti: katika lasers imara-hali inafanywa kwa kunyonya mwanga kutoka kwa taa za ziada, katika lasers za gesi - kwa kuhamisha nishati ya elektroni iliyoharakishwa na uwanja wa umeme kwa atomi za gesi wakati wao. migongano.
Njia ambayo ubadilishaji wa idadi ya watu unafanywa inaitwa kati amilifu.
Neno "laser" linajumuisha herufi za mwanzo za maneno ya Kiingereza: "Kukuza Mwanga kwa Utoaji Uliochochewa wa Mionzi", ambayo ina maana: "ukuzaji wa mwanga kwa kutumia mionzi iliyochochewa." Lasers pia huitwa oscillators optical quantum (OQOs).
Laser za gesi. Laser ya Heliamu-neon.
Kipengele kikuu cha laser ya heliamu-neon inayoendelea-wimbi
hatua ni tube 2 (Mchoro 3), kujazwa na mchanganyiko wa heliamu na neon na shinikizo la sehemu ya utaratibu wa 1 na 0.1 mmHg, kwa mtiririko huo. Miisho ya bomba imefungwa na sahani za glasi-sambamba za ndege 3, zilizowekwa kwa pembe ya Brewster kwa mhimili wake.
Kusukuma kwa laser ya gesi hufanyika kwa kutumia nishati ya chanzo cha nguvu ambacho kinaendelea kutokwa kwa mwanga kati ya cathode 4 na anode 5. Utekelezaji katika tube hutokea kwa 1.5-2.0 kV. Sasa ya kutokwa kwa bomba ni makumi ya milliamps.
Atomi zinazofanya kazi za leza ya heliamu-neon ni atomi
neon, inayotoa fotoni nyekundu (λ =632.8 nm), Katika Mtini. Kielelezo cha 4 kinaonyesha mchoro uliorahisishwa wa viwango vya atomi za neon na heliamu.
Katika neon safi, idadi ya watu wa majimbo ya 3S wakati wa kusukuma maji haifai, kwa kuwa kiwango hiki kina muda mfupi wa maisha, na atomi ya neon hupita kwa hali ya 2P.
Hali inabadilika wakati heliamu inaongezwa kwa neon. Nishati ya kiwango cha 2S cha heliamu ni sawa na nishati ya kiwango cha 3S cha neon. Ngazi ya nishati ya 2S ya heliamu ni ya muda mrefu na ina watu kwa ufanisi wakati wa kusukuma maji. Wakati atomi za heliamu zenye msisimko zinapogongana na atomi za neon, nishati huhamishiwa kwenye atomi za neon. Matokeo yake, idadi ya watu inverse ya kiwango cha kazi cha neon 3S huundwa.
 |
Baada ya hayo, matukio mengi hutokea katika hali ya kazi.
vitendo vya mabadiliko ya hiari 3S→2P, fotoni zinazoonekana (λ =632.8 nm) husababisha mabadiliko ya kulazimishwa. Picha hizo zinazosonga kwa pembe fulani kwa mhimili wa bomba hazishiriki katika kutengeneza boriti ya laser. Boriti ya laser huundwa tu na fotoni zinazotolewa kando ya mhimili wa bomba.
Boriti huimarishwa kwa kasi zaidi ikiwa nuru inarudishwa kwenye kati ya kazi, ambapo itaimarishwa tena kutokana na mabadiliko ya kulazimishwa. Hali hii inaitwa maoni. Ili kuunda maoni mazuri katika lasers, cavity ya macho hutumiwa, ambayo ina vioo viwili 1 (Mchoro 3).
Uzito wa utoaji unaochochewa huongezeka kama maporomoko ya theluji, na inakuwa kubwa zaidi kuliko ukubwa wa utoaji wa papo hapo, ambao unaweza kupuuzwa katika siku zijazo.
Kizazi cha boriti ya laser huanza wakati ambapo ongezeko la nishati ya mionzi kutokana na mabadiliko ya kulazimishwa huzidi kupoteza nishati kwa kila kupita kwa resonator. Ili kutoa boriti kutoka kwa resonator, moja ya vioo 1 hufanywa kwa uwazi. Nyuso za vioo zote mbili zimefunikwa na filamu, unene ambao huchaguliwa kwa njia ambayo mawimbi ya urefu unaohitajika yanaonekana, na wengine wote huzimishwa.
Uwazi wa vioo vya resonator kawaida ni chini ya 1%.
Tabia za mionzi ya laser.
Taarifa zinazohusiana.
Kwa mfano, fikiria muundo na kanuni ya uendeshaji wa leza ya heliamu-neon inayotumiwa katika maabara yetu. Dutu inayofanya kazi ni atomi za neon ( Ne) Kusukuma umeme hutumiwa: mtiririko wa elektroni unapita kupitia bomba la kutokwa kwa gesi; Wakati elektroni za haraka zinapogongana na atomi za neon, za mwisho husisimka na elektroni zao huhamia viwango vya juu vya nishati. Walakini, kwa atomi za neon, kusukuma moja kwa moja kwa athari ya elektroni hakukuwa na ufanisi wa kutosha. Ili kuharakisha uhamishaji wa nishati, heliamu huongezwa kwa neon ( Yeye).
Mzunguko wa kusukumia unaonyeshwa kwenye Mtini. 4.2. Kama matokeo ya migongano na elektroni, atomi za heliamu husogea kutoka kiwango cha chini hadi kiwango 2
S. Atomu hizi za heliamu zenye msisimko hugongana na atomi za neon na kutoa nishati iliyohifadhiwa kwao. Kama matokeo, atomi za neon husogea kutoka usawa wa ardhi hadi kiwango ambacho kiko karibu na kiwango 2
S heliamu Matokeo yake, on 
kiwango cha neon kinaundwa na 
idadi kubwa ya watu. Wakati huo huo, kiwango 
ina watu wachache, kwani husafishwa haraka kwa sababu ya mabadiliko ya hiari hadi viwango vya chini. Katika kuvuka 
idadi ya watu kinyume inatokea. Mpito wa atomi ya neon kutoka juu 
ngazi hadi ngazi ya chini 
husababisha mionzi ya laser yenye urefu wa wimbi 
µm, ambayo inalingana na mwanga mwekundu.
P 
Hebu iwe na mazingira ambayo idadi ya watu inverse imeundwa, i.e. hali (4.7) inashikilia. Katika mazingira kama haya, utoaji wa hewa unaochochewa una nguvu zaidi kuliko kunyonya. Kwa hiyo, kati itaongeza mwanga uliopitishwa na mzunguko ν
(urefu wa mawimbi λ)
, inayolingana na mpito kati ya viwango na idadi ya watu iliyogeuzwa (tazama fomula (4.2)). Hata hivyo, faida hii ni ndogo: katika laser ya heliamu-neon, mwanga, baada ya kupita katikati ya kazi ndani 1
m, iliyokuzwa na pekee 2
%. Kwa hiyo, ili kupata mionzi mkali, ni muhimu kwamba njia ya mwanga katika kati ya kazi iwe ndefu sana. Hii inafanikiwa kwa kutumia resonator ya macho. Njia amilifu iliyo na ubadilishaji wa idadi ya watu na tundu la macho ni sehemu kuu mbili za leza yoyote.
Katika Mtini. 4.3 inaonyesha kimkakati kifaa cha leza ya heliamu-neon. Katikati kuna bomba la kutokwa kwa gesi (GDT) na kati ya kazi - mchanganyiko wa heliamu-neon. Shinikizo la sehemu ya heliamu - 1 mmHg. ( 133 Pa), na neon - 0,1 mmHg. ( 13,3 Pa). Bomba lina cathode KWA na anode A. Wakati cathode inapokanzwa na voltage ya juu inatumiwa kati ya cathode na anode, kutokwa kwa umeme kwa mwanga kunaweza kudumishwa katika gesi zinazojaza tube. Wakati wa kutokwa, kushuka kwa voltage ya anode kwenye bomba hufikia 1,5 kV, sasa kupitia bomba hufikia 30 mA. Wakati sasa inapita kwa mchanganyiko, inversion ya idadi ya watu hutokea ndani yake.
Resonator ya macho ina vioo viwili vya ubora wa juu Z1 Na Z2(gorofa au duara), moja wapo ( Z2) uwazi. Vioo vimewekwa kwenye ncha za bomba la kutokwa kwa gesi sambamba na kila mmoja. Mwanga, unaoonyeshwa kutoka kwa vioo vya resonator, hupita mara kwa mara kupitia bomba la kutokwa kwa gesi. Matokeo yake, njia ya mwanga katika kati ya kazi hupanuliwa kiasi kwamba amplification ya mwanga hufikia thamani kubwa. Kabla ya kizazi cha laser kuanza, kuna kiasi fulani cha utoaji wa hiari katika kati. Mionzi hii, iliyoonyeshwa kutoka kwa vioo, inapita katikati ya kazi mara nyingi. Katika kila kupita huimarishwa kwa sababu ya mionzi iliyochochewa ya kati. Matokeo yake ni boriti ya laser yenye kung'aa inayotoka kwenye kioo cha uwazi.
Hata hivyo, ni sehemu ndogo tu ya utoaji wa hiari itasisimua kudumu. Resonator ya macho ina uteuzi mkubwa: kati ya mionzi ya hiari, huchagua mawimbi na mwelekeo fulani wa uenezi. Hakika, ni mawimbi tu yanayoenea kwenye mhimili wa macho wa resonator yatapata tafakari nyingi. Utoaji wa papo hapo, unaokuja kwa pembe kwa mhimili, huacha resonator na haushiriki katika kizazi cha laser. Kwa sababu hii, laser inazalisha mwanga mwembamba, unaopungua chini.
Mionzi ya laser ya heliamu-neon ni polarized elliptically. Hii inasababishwa na ukweli kwamba madirisha ya bomba la kutokwa kwa gesi imewekwa kwenye pembe ya Brewster 
. Uakisi wa mwanga unaopitishwa kutoka kwa madirisha ya bomba la kutokwa kwa gesi hukandamiza kizazi cha laser. Kwa kusakinisha madirisha katika pembe Brewster, sisi kuhakikisha kwamba mwanga ambayo vekta E oscillates katika ndege ya matukio, hupita kupitia dirisha na karibu hakuna kutafakari. Matokeo yake, mwanga huo tu wa polarized huzalishwa na laser.
Kwa hiyo, mwanga mwembamba wa mwanga mwekundu, ulio na polarized elliptically hutoka kwenye laser ya heliamu-neon. Nuru hii ni matokeo ya chafu iliyochochewa. Pamoja na utoaji unaochochewa, kuna utoaji wa hiari, ambao haujagawanywa na hutoka kwenye leza katika pande zote. Mionzi hii haishiriki katika kizazi cha laser. Mionzi ya laser ya hiari ni dhaifu sana kuliko mionzi iliyochochewa, mwangaza wake ni takriban sawa na ule wa bomba la kawaida la kutokwa kwa gesi.
Madhumuni ya kazi ni kusoma sifa kuu na vigezo vya laser ya gesi, ambayo mchanganyiko wa heliamu na gesi za neon hutumiwa kama dutu inayotumika.
3.1. Kanuni ya uendeshaji wa laser ya heliamu-neon
Laser ya He-Ne ni laser ya kawaida na ya kawaida ya gesi. Ni mali ya lasers ya gesi ya atomiki na kati yake inayofanya kazi ni mchanganyiko wa atomi za neutral (zisizo ionized) za gesi za ajizi - heliamu na neon. Neon ni gesi inayofanya kazi, na mabadiliko hutokea kati ya viwango vyake vya nishati na utoaji wa mionzi madhubuti ya sumakuumeme. Heliamu ina jukumu la gesi ya msaidizi na inachangia msisimko wa neon na kuundwa kwa inversion ya idadi ya watu ndani yake.
Ili kuanza kuweka kwenye laser yoyote, masharti mawili muhimu lazima yakamilishwe:
1. Lazima kuwe na ubadilishaji wa idadi ya watu kati ya viwango vya laser vinavyofanya kazi.
2. Faida katika kati ya kazi lazima izidi hasara zote katika laser, ikiwa ni pamoja na hasara "muhimu" kwa pato la mionzi.
Ikiwa kuna ngazi mbili katika mfumo E 1 Na E 2 na idadi ya chembe kwenye kila moja yao kwa mtiririko huo N 1 Na N 2 na kiwango cha kuzorota g 1 Na g 2, basi mabadiliko ya idadi ya watu yatatokea wakati idadi ya watu N 2 /g 2 viwango vya juu E 2 kutakuwa na idadi kubwa ya watu N 1 /g 1 kiwango cha chini E 1, yaani, kiwango cha ubadilishaji Δ N itakuwa chanya:
Ikiwa viwango E 1 Na E 2 hazipunguki, basi ili ugeuzaji utokee ni muhimu kwamba idadi ya chembe N 2 kwa kiwango cha juu E 2 ilikuwa zaidi ya idadi ya chembe N 1 katika ngazi ya chini E 1 . Viwango kati ya ambayo malezi ya ubadilishaji wa idadi ya watu na kutokea kwa mabadiliko ya kulazimishwa na utoaji wa mionzi madhubuti ya sumakuumeme huitwa. viwango vya laser vinavyofanya kazi.
Hali ya ubadilishaji wa idadi ya watu imeundwa kwa kutumia kusukuma maji- msisimko wa atomi za gesi kwa njia mbalimbali. Kutokana na nishati ya chanzo cha nje kinachoitwa chanzo cha pampu, Ne atomi kutoka kiwango cha nishati ya ardhini E 0, sambamba na hali ya usawa wa thermodynamic, huenda katika hali ya msisimko Ne *. Mabadiliko yanaweza kutokea kwa viwango tofauti vya nishati kulingana na nguvu ya kusukuma maji. Ifuatayo, mabadiliko ya hiari au ya kulazimishwa hadi viwango vya chini vya nishati hufanyika.
Katika hali nyingi hakuna haja ya kuzingatia mabadiliko yote yanayowezekana kati ya majimbo yote kwenye mfumo. Hii inafanya uwezekano wa kuzungumza juu ya mipango ya uendeshaji wa laser mbili, tatu na nne. Aina ya mzunguko wa uendeshaji wa laser imedhamiriwa na mali ya kati ya kazi, pamoja na njia ya kusukumia inayotumiwa.
Laser ya heliamu-neon hufanya kazi kulingana na mpango wa ngazi tatu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mtini. 3.1. Katika kesi hii, njia za kusukumia na mionzi ya kizazi hutenganishwa kwa sehemu. Kusukuma kwa dutu inayofanya kazi husababisha mabadiliko kutoka kwa kiwango cha chini E 0 kwa kiwango cha msisimko E 2, ambayo husababisha kutokea kwa ubadilishaji wa idadi ya watu kati ya viwango vya uendeshaji E 2 na E 1 . Njia inayotumika katika hali iliyo na mabadiliko ya idadi ya watu ya viwango vya kufanya kazi ina uwezo wa kukuza mionzi ya sumakuumeme na masafa. 
kwa sababu ya michakato iliyochochewa ya uzalishaji.
Mchele. 3.1. Mchoro wa viwango vya nishati ya gesi inayofanya kazi na msaidizi, inayoelezea uendeshaji wa laser ya heliamu-neon
Kwa kuwa upanuzi wa viwango vya nishati katika gesi ni ndogo na hakuna bendi pana za kunyonya, kupata ubadilishaji wa idadi ya watu kwa kutumia mionzi ya macho ni ngumu. Hata hivyo, njia nyingine za kusukuma zinawezekana katika gesi: msisimko wa moja kwa moja wa elektroniki na uhamisho wa nishati ya resonant wakati wa mgongano wa atomi. Msisimko wa atomi katika migongano na elektroni unaweza kutekelezwa kwa urahisi zaidi katika kutokwa kwa umeme, ambapo elektroni huharakishwa na uwanja wa umeme. 
inaweza kupata nishati muhimu ya kinetic. Wakati wa migongano ya inelastic ya elektroni na atomi, mwisho huenda katika hali ya msisimko E 2:
Ni muhimu kwamba mchakato (3.4) ni wa asili: uwezekano wa uhamisho wa nishati utakuwa wa juu ikiwa hali ya nishati ya msisimko ya atomi tofauti inafanana, yaani, iko kwenye resonance.
Viwango vya nishati vya He na Ne na mabadiliko makuu ya uendeshaji yanaonyeshwa kwa undani katika Mtini. 3.2. Mpito unaolingana na mwingiliano wa inelastiki wa atomi za gesi na elektroni za haraka (3.2) na (3.3) huonyeshwa kwa mishale yenye nukta juu. Kama matokeo ya athari ya elektroni, atomi za heliamu zinasisimua kwa viwango vya 2 1 S 0 na 2 3 S 1, ambavyo vinaweza kubadilika. Mabadiliko ya mionzi katika heliamu hadi hali ya chini 1 S 0 ni marufuku na sheria za uteuzi. Atomi za Yeye zinaposisimka hugongana na atomi za Ne zilizo katika hali ya ardhini 1 S 0, uhamishaji wa msisimko (3.4) unawezekana, na neon huenda kwenye mojawapo ya viwango vya 2S au 3S. Katika kesi hiyo, hali ya resonance imeridhika, kwani mapungufu ya nishati kati ya ardhi na majimbo ya msisimko katika gesi ya msaidizi na ya kazi ni karibu na kila mmoja.
Mabadiliko ya miale yanaweza kutokea kutoka viwango vya 2S na 3S vya neon hadi viwango vya 2P na 3P. Viwango vya P havina watu wengi kuliko viwango vya juu vya S, kwani hakuna uhamishaji wa moja kwa moja wa nishati kutoka kwa atomi za Yeye hadi viwango hivi. Kwa kuongeza, viwango vya P vina muda mfupi wa maisha, na mpito usio na mionzi P → 1S huharibu viwango vya P. Kwa hiyo, hali hutokea (3.1), wakati idadi ya watu wa viwango vya juu vya S ni kubwa kuliko idadi ya viwango vya msingi vya P. , yaani, kati ya viwango vya S na P ubadilishaji wa idadi ya watu, ambayo ina maana mabadiliko kati yao yanaweza kutumika kwa ajili ya uzalishaji wa laser.
Kwa kuwa idadi ya viwango vya S na P ni kubwa, seti kubwa ya mabadiliko ya quantum tofauti kati yao inawezekana. Hasa, kutoka ngazi nne za 2S hadi ngazi kumi za 2P, sheria za uteuzi huruhusu mabadiliko 30 tofauti, ambayo mengi yanazalisha lasing. Laini yenye nguvu zaidi ya utoaji wa hewa chafu wakati wa mabadiliko ya 2S→2P ni ya 1.1523 μm (eneo la infrared la wigo). Kwa mabadiliko ya 3S→2P, mstari muhimu zaidi ni 0.6328 μm (eneo nyekundu), na kwa 3S→3P - 3.3913 μm (eneo la IR). Utoaji wa hiari hutokea katika urefu wote wa mawimbi ulioorodheshwa.
Mchele. 3.2. Viwango vya nishati vya heliamu na atomi za neon na mchoro wa uendeshaji wa leza ya He-Ne
Kama ilivyoelezwa hapo awali, baada ya mabadiliko ya mionzi hadi viwango vya P, uozo wa mionzi isiyo na mionzi hutokea wakati wa mabadiliko P→1S. Kwa bahati mbaya, viwango vya 1S vya neon vinaweza kubadilika, na ikiwa mchanganyiko wa gesi hauna uchafu mwingine, basi njia pekee ya atomi za neon kubadilika hadi hali ya chini kutoka kwa kiwango cha 1S ni kupitia mgongano na kuta za chombo. Kwa sababu hii, faida ya mfumo huongezeka wakati kipenyo cha bomba la kutokwa hupungua. Kwa kuwa hali za neon za 1S humwagwa polepole, atomi za Ne huhifadhiwa katika hali hizi, jambo ambalo halifai sana na huamua idadi ya vipengele vya leza hii. Hasa, wakati pampu ya sasa inaongezeka juu ya thamani ya kizingiti j pores kuna ongezeko la haraka, na kisha kueneza na hata kupungua kwa nguvu ya mionzi ya laser, ambayo inaelezewa kwa usahihi na mkusanyiko wa chembe za kazi katika viwango vya 1S na kisha uhamisho wao kwa majimbo ya 2P au 3P wakati wa kugongana na elektroni. Hii haifanyi iwezekanavyo kupata nguvu za mionzi ya pato la juu.
Tukio la ubadilishaji wa idadi ya watu hutegemea shinikizo la He na Ne katika mchanganyiko na joto la elektroni. Viwango bora vya shinikizo la gesi ni 133 Pa kwa He na 13 Pa kwa Ne. Joto la elektroni linawekwa na voltage inayotumiwa kwa mchanganyiko wa gesi. Kwa kawaida voltage hii inasimamiwa kwa kiwango cha 2 ... 3 kV.
Ili kupata laser lasing, ni muhimu kwamba maoni mazuri yawepo kwenye laser, vinginevyo kifaa kitafanya kazi tu kama amplifier. Kwa kufanya hivyo, kati ya gesi ya kazi huwekwa kwenye resonator ya macho. Mbali na kuunda maoni, resonator hutumiwa kuchagua aina za oscillations na kuchagua wavelength lasing, ambayo vioo maalum ya kuchagua hutumiwa.
Katika viwango vya pampu karibu na kizingiti, lasing kwa kutumia aina moja ya oscillation ni rahisi. Kadiri kiwango cha msisimko kinapoongezeka, isipokuwa hatua maalum hazitachukuliwa, idadi ya njia zingine huibuka. Katika kesi hii, kizazi hutokea kwa masafa karibu na masafa ya resonant ya resonator, ambayo yamo ndani ya upana wa mstari wa atomiki. Katika kesi ya aina axial za oscillations (TEM 00 mode), umbali wa masafa kati ya maxima karibu 
, Wapi L- urefu wa resonator. Kama matokeo ya uwepo wa wakati huo huo wa njia kadhaa katika wigo wa mionzi, beats na inhomogeneities hutokea. Ikiwa njia za axial tu zingekuwepo, basi wigo ungekuwa na mistari tofauti, umbali kati ambayo ungekuwa sawa na c
/
2L. Lakini katika resonator inawezekana pia kusisimua aina zisizo za axial za oscillations, kwa mfano njia za TEM 10, uwepo wa ambayo inategemea sana usanidi wa vioo. Kwa hiyo, mistari ya ziada ya satelaiti inaonekana katika wigo wa mionzi, iko kwa ulinganifu katika mzunguko wa pande zote za aina za axial za oscillations. Kuibuka kwa aina mpya za oscillations na kuongezeka kwa kiwango cha pampu huamua kwa urahisi na uchunguzi wa kuona wa muundo wa uwanja wa mionzi. Unaweza pia kuibua kuona athari za marekebisho ya cavity kwenye muundo wa njia za mionzi madhubuti.
Gesi ni homogeneous zaidi kuliko vyombo vya habari vilivyofupishwa. Kwa hiyo, boriti ya mwanga katika gesi haijapotoshwa na kutawanyika, na mionzi ya laser ya heliamu-neon ina sifa ya utulivu mzuri wa mzunguko na mwelekeo wa juu, ambayo hufikia kikomo chake kutokana na matukio ya diffraction. Kikomo cha mgawanyiko wa mgawanyiko kwa cavity ya confocal
|
|
,ambapo λ - urefu wa mawimbi; d 0 ni kipenyo cha mwanga wa mwanga katika sehemu yake nyembamba.
Mionzi ya laser ya heliamu-neon ina sifa ya kiwango cha juu cha monochromaticity na mshikamano. Upana wa mstari wa chafu wa laser hiyo ni nyembamba sana kuliko upana wa mstari wa "asili" wa spectral na ni maagizo mengi ya ukubwa chini ya azimio la juu la spectrometers za kisasa. Kwa hiyo, ili kuamua, wigo wa kupigwa kwa njia mbalimbali katika mionzi hupimwa. Kwa kuongeza, mionzi ya laser hii ni ndege-polarized kutokana na matumizi ya madirisha iko kwenye angle ya Brewster kwa mhimili wa macho wa resonator.
Ushahidi wa mshikamano wa mionzi unaweza kuzingatiwa kwa kuchunguza muundo wa diffraction wakati mionzi iliyopokelewa kutoka kwa pointi tofauti za chanzo inapowekwa juu. Kwa mfano, mshikamano unaweza kutathminiwa kwa kuangalia kuingiliwa kutoka kwa mfumo wa mpasuo nyingi. Kutoka kwa uzoefu wa Young inajulikana kuwa kuchunguza kuingiliwa kwa mwanga kutoka kwa chanzo cha kawaida cha "classical", mionzi hupitishwa kwanza kwa njia moja, na kisha kupitia slits mbili, na kisha pindo za kuingiliwa zinaundwa kwenye skrini. Katika kesi ya kutumia mionzi ya laser, mpasuko wa kwanza sio lazima. Hali hii ni ya msingi. Kwa kuongeza, umbali kati ya mpasuo mbili na upana wake unaweza kuwa mkubwa zaidi kuliko majaribio ya kitamaduni. Kwenye dirisha la kutoka la laser ya gesi kuna slits mbili, umbali kati ya ambayo ni 2 a. Katika kesi wakati mionzi ya tukio ni madhubuti, kwenye skrini iko mbali d kutoka kwa slits, muundo wa kuingilia kati utazingatiwa. Katika kesi hii, umbali kati ya maxima (kiwango cha chini) cha bendi
|
|
.