Gaz lazeri, optik kuantum jeneratörleriyle ilgili bir cihazdır.
Sürekli bir helyum-neon lazerin ana elemanı bir gaz deşarj tüpüdür T(Şekil 1), ısıtılmış bir katot K ve anot A'ya sahiptir. Tüp bir helyum karışımı ile doldurulur ( Olumsuz) (kısmi basınç Olumsuz 1 mmHg st) ve neon ( Hayır) (kısmi basınç Hayır 0,1 mmHg st). Borunun iç çapı 1...10 mm'dir, uzunluğu birkaç on santimetreden 1,5...3 m'ye kadardır. Borunun uçları, monte edilmiş düzlem paralel cam veya kuvars pencerelerle kapatılmıştır P 1 ve P 2. eksenine Brewster açısında. Geliş düzleminde bir elektrik vektörü olan doğrusal polarize radyasyon için onlardan yansıma katsayısı sıfırdır. Bu nedenle Brewster pencereleri, lazer radyasyonunun doğrusal polarizasyonunu sağlar ve ışık aktif bölgeden aynalara ve geriye doğru yayıldığında enerji kayıplarını ortadan kaldırır. Tüp, çok katmanlı dielektrik kaplamalı B 1 ve B 2 aynalarından oluşan bir rezonatöre yerleştirilir. Bu tür aynalar, çalışma spektral aralığında çok yüksek bir yansımaya sahiptir ve pratik olarak ışığı emmez. Lazer ışınımının ağırlıklı olarak çıktığı aynanın verimi genellikle %1...2'dir, diğeri ise %1'den azdır.
Tüp elektrotlarına 1...2 kV'luk bir voltaj uygulanır. Isıtılmış bir katot ve belirtilen voltaj ile tüpü dolduran gazlarda parlak bir elektrik deşarjı sağlanabilir. Işıma deşarjı, neonda seviye popülasyonunun tersine dönmesi için koşullar yaratır. Bir gaz deşarjındaki tipik akım gücü onlarca miliamperdir.
Deşarjın görünür radyasyonu neon tarafından üretilir, ancak bunun için gerekli olan atomların uyarılması helyum atomlarının yardımıyla gerçekleştirilir. Atomik enerji seviyelerinin basitleştirilmiş şematik resmi Olumsuz Ve HayırŞekil 2'de gösterilmiştir.
Elektronlarla atomların çarpışması nedeniyle Olumsuz heyecanlı bir duruma girmek (2 3 S ve 2 1 S). Bu seviyeler sırasıyla 19,82 ve 20,61 eV enerjilerle yarı kararlıdır. Bu seviyelerden ana seviyeye kendiliğinden ışınımsal geçiş, seçim kurallarına göre yasaktır; çok düşük bir olasılıkla gerçekleşir.
 Şekil 2 |
Seviye 2'deki bir atomun ömrü S ve 2 3 S sıradan uyarılmış seviyelerdeki yaşam süresiyle karşılaştırıldığında çok büyüktür; bu yarı kararlı seviyelerde pek çok atom birikmektedir. Olumsuz. Ama neon seviye 3 S ve 2 S pratik olarak yarı kararlı seviyelere denk gelir 2 1 S ve 2 3 S helyum Bu nedenle uyarılmış atomlar çarpıştığında Olumsuz atomlu Hayır atomik geçişler meydana gelir Hayır helyum atomlarından neon atomlarına rezonans enerji aktarımıyla uyarılmış bir duruma geçer.
Atomların uyarılma süreci Hayır yatay noktalı oklarla gösterilmiştir (Şekil 2). Neon atomlarının 3. seviyedeki konsantrasyonunun bir sonucu olarak S ve 2 S güçlü bir şekilde artar ve seviye 2'ye göre ters bir enerji seviyesi popülasyonu ortaya çıkar R. Tüpte atomlardan oluşan aktif bir ortam yaratılır Hayır, elektron enerji seviyelerinin ters popülasyonuna sahiptir.
Uyarılmış bireysel atomların kendiliğinden emisyonu, 3. seviyeden itibaren neon atomlarındaki elektronik geçişlere karşılık gelen fotonların aktif ortamda yayılmasına yol açar. S 2. seviyeye P.
Deşarjda yayılan fotonların elektromanyetik alanının etkisi altında (ilk olarak uyarılmış neon atomları tarafından kendiliğinden yayılır), diğer uyarılmış neon atomlarının indüklenmiş tutarlı emisyonu meydana gelir; Lazer tüpünü dolduran aktif ortam. Bu süreçteki büyük artış, aynalar arasında tekrarlanan radyasyon geçişiyle sağlanır. İÇİNDE 1 ve İÇİNDE Yönlendirilmiş tutarlı lazer radyasyonunun güçlü bir indüklenmiş akışının oluşumuna yol açan 2 rezonatör. Bir lazer ışığı ışınının minimum açısal genişliği, ışının kesitinin sınırlandırılmasıyla ilişkili kırınım ile belirlenir; yalnızca ışığın dalga özellikleriyle. Bu en önemli durum, bir lazer kaynağını diğer ışık kaynaklarından ayıran en önemli durumdur.
4 CİHAZLAR VE AKSESUARLAR
1 Gaz lazeri LG78.
2 Optik tezgah.
3 Güç kaynağı.
4 Kırınım ızgarası.
5 Aralarına mikropartiküllerin püskürtüldüğü cam plakalar.
6 Milimetrik ölçekli ekran.
5 Gaz lazeriyle çalışma
"Ağ" geçiş anahtarını açın. "Akım Ayarı" anahtarı öğretmen veya laboratuvar asistanı tarafından çalışma konumuna getirilir. Başka bir pozisyona devredilmesi kesinlikle yasaktır.
Lazerle çalışırken şunu hatırlamanız gerekir: Gözlerde doğrudan lazer radyasyonuna maruz kalmak görme açısından tehlikelidir .
Bu nedenle, bir lazerle çalışırken ışığı, saçılma yüzeyi olan bir ekrana yansıdıktan sonra gözlenir.
6 PERFORMANS SIRALAMASI
Alıştırma 1
Lazer radyasyonunun dalga boyunun ölçülmesi
kırınım ızgarası
Lazer ışınımının yönlülüğü ve uzaysal tutarlılığı, ön kolimasyona gerek kalmadan çok sayıda ölçümde kullanılmasına olanak tanır.
Bu alıştırmanın kurulumu bir lazer, kırınım ızgaralı bir değerlendirici ve kırınım desenini gözlemlemek için milimetre ölçekli bir ekran içerir (Şekil 3).
 Şekil 3 |
Kırınım ızgarası, lazerden çıkan ışık ışınının eksenine dik olarak monte edilir. Bunu yapmak için ızgara düzleminden yansıyan ışık parlamasının tam olarak lazer çıkış penceresinin ortasına yönlendirilmesi gerekir; Lazerden çıkan ışık demetinin ızgara düzleminden yansımasının çakışmasını sağlayın.
Lazer radyasyonunun monokromatik doğasından dolayı, ekranda çeşitli pozitif ve negatif derecelerin örtüşmeyen birçok kırınım spektrumu gözlemlenir. Bu spektrumlar, ızgaraya gelen birincil ışık ışınının kesitini tekrarlayan, ekranda bir dizi kırmızı şerit oluşturur.
Ekran, ışık huzmesine dik olarak monte edilir ve spektrumların sıraları, ekran ölçeğinin sıfırına göre simetrik olarak düzenlenir.
Kırınım spektrumları ile sıfır dereceli spektrum arasındaki mesafe, gözlemlenen spektrumların (şeritler) merkezleri arasındaki mesafe olarak anlaşılmalıdır.
Dalga boyu aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır
Nerede D- kafes sabiti (bizim durumumuzda) D= 0,01 mm);
- kırınım açısı;
k- spektrum sırası;
l lazer radyasyonunun dalga boyudur.
 Şekil 4 |
Kırınım açısı ilişkiden belirlenir.
(2)
siparişin sol ve sağ maksimumları arasındaki mesafe nerede k;
L- kırınım ızgarasının düzleminden ekranın düzlemine olan mesafe (Şekil 4).
(2)'yi (1)'de yerine koyarsak, şunu elde ederiz:
Egzersiz 1'i gerçekleştirme prosedürü
1 İlkinin spektrumundaki mesafeyi ölçün ( k= 1), ikinci ( k= 2) ve üçüncü ( k= 3) kırınım ızgarasından ekranın farklı mesafelerindeki büyüklük sıraları.
2 Ölçüm sonuçlarını tablo 1'e girin.
3 Lazer ışınımına karşılık gelen dalga boyunu hesaplayın.
Tablo 1
| Spektrum sırası k | L, M | X k, m | ben Ben | | Dl Ben | , M | Dl, m | e, % | |
Deneysel verilerin işlenmesi
1 Formül (3)'ü kullanarak her ölçüm için dalga boyunu hesaplayın.
2. Ortalamayı hesaplayın N- ölçüm sayısı.
3 Bireysel ölçümlerin mutlak hatalarını hesaplayın
5 Güvenirlik değerini a belirleyin (öğretmenin yönlendirdiği şekilde).
6 Öğrenci tablosunu kullanarak belirleyin ve güven aralığının sınırlarını hesaplayın
7 Bağıl hatayı hesaplayın Bir sonraki alıştırmada gerekli olan hesaplamalarda bulunan l değerinin değerini kullanın.
Alıştırma 2
Lazer radyasyonunun Fraunhofer kırınımı
küçük yuvarlak parçacıklar üzerinde
Monokromatik, iyi paralelleştirilmiş ve uzaysal olarak tutarlı lazer ışını, ışığın yuvarlak parçacıklar tarafından kırınımının doğrudan gözlemlenmesini mümkün kılar.
Parçacıklar üzerindeki kırınım açılarının önemli olabilmesi için parçacık boyutunun küçük olması gerekir. Bununla birlikte, eğer küçük bir parçacık bir ışık ışınına yerleştirilirse, uzak bir ekranda ona verilen kırınım desenini gözlemlemek zor olacaktır çünkü resim, ışık ışınının kırınıma uğramamış kısmı tarafından oluşturulan açık renkli bir arka plana yansıtılacaktır.
Açıkça görülebilen bir kırınım modeli elde etmek için, ışık ışınının yoluna rastgele yerleştirilmiş çok sayıda özdeş parçacık yerleştirmeniz gerekir. Aslında, Fraunhofer kırınımı incelendiği için, herhangi bir parçacık, ışık ışınının kesit düzlemindeki konumuna bakılmaksızın, kırılan ışığın aynı dağılımını üretir.
Işın kesitinde çok sayıda parçacığın aynı anda bulunması durumunda, farklı parçacıklar tarafından kırılan ışık ışınları arasında sistematik bir girişim etkisi olmadığı sürece, her bir parçacığın ayrı ayrı oluşturduğu kırılan ışığın açısal dağılımı bozulmaz.
Parçacıklar, ışık ışınının kesit düzleminde rastgele yerleştirilmişse, o zaman, farklı yönlerde kırılan dalgaların fazlarının tüm değerlerinin eşit olasılığı nedeniyle, yalnızca farklı parçacıklar tarafından kırılan ışık ışınlarının yoğunlukları olacaktır. ekleyin. Kırınım deseni N parçacıkların yoğunluğu artacaktır N yapısını değiştirmeden, tek bir parçacığın kırınım modeliyle karşılaştırıldığında süreler. Bu durum mevcut deneyde kullanılmaktadır.
Kurulum Alıştırma 1'dekiyle aynı kalır, ancak kırınım ızgarası yerine, değerlendiricinin üzerine, aralarında yaklaşık olarak aynı küçük boyutta toplar olan likopodyum parçacıklarının (yosun yosunu bitki sporları) bulunduğu cam plakalı bir mandrel yerleştirilir. püskürtülür.
Lazeri açtıktan sonra ekranda, ışık çemberini çevreleyen eşmerkezli ışık ve karanlık kırınım halkalarından oluşan bir sistemi gözlemleyebilirsiniz.
Köşe yarıçapı a Ben koyu halkalar aşağıdaki ilişkilere uyar:
Köşe yarıçapı a Benışık halkaları
(5)
Nerede R- ışığın kırınımına neden olan parçacığın yarıçapı.
Değerler sina ben koşulundan hesaplanır
(6)
Nerede D ben- ekrandaki karşılık gelen kırınım halkasının doğrusal çapı;
L- cam plakadan ekrana olan mesafe.
Egzersiz 2'yi gerçekleştirme prosedürü
ve deneysel verilerin işlenmesi
1 İlkinin çaplarını ölçün ( D 1) ve ikinci ( D 3) farklı mesafelerdeki koyu halkalar L. Sonuçları tabloya girin. 2.
2 Bir bağımlılık grafiği oluşturun D=f(L) kırınım minimumlarının her biri için, yani; D 1 = f(L)Ve D 3 = f(L).
3 Formül (6)'yı kullanarak birinci ve ikinci koyu halkalara karşılık gelen kırınım açılarının teğetlerini ve (4) ilişkilerini kullanarak parçacık yarıçapının ortalama değerini belirleyin.
4 Ölçüm hatasını belirleyin. Nihai sonucu forma yazın R = <R> ±
5 Çalışmadan sonuçlar çıkarın.
Helyum-neon lazer, diyot veya yarı iletken lazerlerle birlikte, spektrumun görünür bölgesi için en yaygın kullanılan ve en uygun fiyatlı lazerlerden biridir. Esas olarak ticari amaçlara yönelik olan bu tür lazer sistemlerinin gücü, 1 mW'tan birkaç on mW'a kadar değişir. Özellikle popüler olan, esas olarak fiyatlandırma cihazları olarak kullanılan ve ölçüm teknolojisi alanındaki diğer sorunları çözmek için kullanılan, 1 mW düzeyindeki çok güçlü olmayan He-Ne lazerlerdir. Kızılötesi ve kırmızı aralıklarda helyum-neon lazerin yerini giderek diyot lazer alıyor. He-Ne lazerleri, uygun seçici aynalar sayesinde kırmızı çizgilerin yanı sıra turuncu, sarı ve yeşil çizgiler de yayma özelliğine sahiptir.
Enerji Seviyesi Diyagramı
He-Ne lazerlerin işlevi için en önemli olan helyum ve neon enerji seviyeleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. Lazer geçişleri neon atomunda meydana gelir; en yoğun çizgiler 633, 1153 ve 3391 dalga boylarındaki geçişlerden kaynaklanır (bkz. Tablo 1).
Neonun temel durumundaki elektronik konfigürasyonu şöyle görünür: 1 S 2 2S 2 2P 6 ve ilk kabuk ( N= 1) ve ikinci kabuk ( N= 2) sırasıyla iki ve sekiz elektronla doludur. Şekil 2'deki daha yüksek durumlar. 1 olmasının bir sonucu olarak 1 ortaya çıkar S 2 2S 2 2P 5-kabuk ve parlak (optik) elektron şemaya göre uyarılır: 3 S, 4S, 5S,...,Z R, 4R,...vesaire. Bu nedenle kabukla iletişim kuran tek elektronlu bir durumdan bahsediyoruz. LS (Russell - Saunders) şemasında, neon enerji seviyeleri için tek elektron durumu belirtilir (örneğin, 5 S) ve sonuçta ortaya çıkan toplam yörünge momentumu L (= S, P, D...). S, P, D,... notasyonunda, alt indeks toplam J yörüngesel momentumunu gösterir ve üst indeks 2S + 1 çokluğunu gösterir, örneğin 5 S 1 P 1 . Çoğunlukla Paschen'e göre tamamen fenomenolojik bir tanımlama kullanılır (Şekil 1). Bu durumda, uyarılmış elektronik durumların alt seviyeleri 2'den 5'e (s-durumları için) ve 1'den 10'a (p-durumları için) kadar sayılır.
Uyarma
Helyum-neon lazerin aktif ortamı, gerekli enerjinin elektriksel deşarjla sağlandığı bir gaz karışımıdır. Üst lazer seviyeleri (Paschen'e göre 2s ve 2p), yarı kararlı helyum atomlarıyla (2 3 S 1, 2 1 S 0) çarpışmalara dayalı olarak seçici olarak doldurulur. Bu çarpışmalar sırasında sadece kinetik enerji alışverişi yapılmaz, aynı zamanda uyarılmış helyum atomlarının enerjisi de neon atomlarına aktarılır. Bu sürece ikinci türden çarpışma denir:
O* + Ne -> He + Ne* + ΔE, (1)
burada yıldız işareti (*) uyarılmış durumu simgelemektedir. 2s seviyesinin uyarılması durumunda enerji farkı: &DeltaE=0,05 eV. Bir çarpışma sırasında mevcut fark kinetik enerjiye dönüştürülür ve bu daha sonra ısı olarak dağıtılır. 3'lü seviye için aynı ilişkiler geçerlidir. Helyumdan neona olan bu rezonans enerji transferi, popülasyonun tersine çevrilmesi sırasında ana pompalama işlemidir. Bu durumda, yarı kararlı durumun uzun ömrü, üst lazer seviyesinin popülasyonunun seçiciliği üzerinde olumlu bir etkiye sahip değildir.
He atomlarının uyarılması, elektronların çarpışmasına bağlı olarak, ya doğrudan ya da daha yüksek seviyelerden ek kademeli geçişler yoluyla gerçekleşir. Uzun ömürlü yarı kararlı hallerden dolayı bu hallerdeki helyum atomlarının yoğunluğu çok yüksektir. Üst lazer seviyeleri 2'ler ve 3'ler - elektriksel Doppler geçişleri için seçim kuralları dikkate alınarak - yalnızca altta yatan p seviyelerine gidebilir. Lazer radyasyonunun başarılı bir şekilde üretilmesi için, s-durumlarının (üst lazer seviyesi) ömrünün = yaklaşık 100 ns, p-durumlarının (alt lazer seviyesi) = 10 ns ömrünü aşması son derece önemlidir.
Dalga boyları
Daha sonra, Şekil 1'i kullanarak en önemli lazer geçişlerini daha ayrıntılı olarak ele alacağız. 1 ve tablo 1'deki veriler. Spektrumun kırmızı bölgesindeki en ünlü çizgi (0,63 μm), 3s 2 → 2p 4 geçişinden dolayı ortaya çıkar. Alt seviye, 10 ns içinde kendiliğinden emisyonun bir sonucu olarak 1s seviyesine bölünür (Şekil 1). İkincisi, elektrik dipol radyasyonu nedeniyle bölünmeye karşı dayanıklıdır, bu nedenle uzun bir doğal ömre sahiptir. Bu nedenle atomlar belirli bir durumda yoğunlaşır ve bu durumun oldukça kalabalık olduğu ortaya çıkar. Gaz deşarjında bu durumdaki atomlar elektronlarla çarpışır ve ardından 2p ve 3s seviyeleri yeniden uyarılır. Aynı zamanda popülasyonun tersine çevrilmesi de azalır ve bu da lazer gücünü sınırlar. Helyum-neon lazerlerde ls durumunun tükenmesi esas olarak gaz deşarj tüpünün duvarıyla çarpışma nedeniyle meydana gelir ve bu nedenle tüpün çapı arttıkça kazançta bir azalma ve verimde bir azalma gözlenir. Bu nedenle pratikte çap yaklaşık 1 mm ile sınırlıdır ve bu da He-Ne lazerlerin çıkış gücünü birkaç on mW ile sınırlandırır.
Lazer geçişine katılan 2s, 3s, 2p ve 3p elektronik konfigürasyonları çok sayıda alt seviyeye bölünmüştür. Bu, örneğin Tablo 2'de görülebileceği gibi spektrumun görünür bölgesinde daha fazla geçişe yol açar. Bir He-Ne lazerin tüm görünür çizgileri için kuantum verimliliği yaklaşık %10'dur ve bu çok fazla değildir. Seviye diyagramı (Şekil 1), üst lazer seviyelerinin temel durumun yaklaşık 20 eV üzerinde bulunduğunu göstermektedir. Kırmızı lazer radyasyonunun enerjisi sadece 2 eV'dir.
Tablo 2. Dalga boyları λ, çıkış güçleri ve çizgi genişlikleri Δ ƒ He-Ne lazer (Paschen geçiş gösterimleri)
| Renk | λ nm |
Geçiş (Paschen'e göre) |
Güç mW |
Δ ƒ MHz |
Kazanmak %/M |
| Kızılötesi | 3 391 | 3S 2 → 3P 4 | > 10 | 280 | 10 000 |
| Kızılötesi | 1 523 | 2S 2 → 2P 1 | 1 | 625 | |
| Kızılötesi | 1 153 | 2S 2 → 2P 4 | 1 | 825 | |
| Kırmızı | 640 | 3S 2 → 2P 2 | |||
| Kırmızı | 635 | 3S 2 → 2P 3 | |||
| Kırmızı | 633 | 3S 2 → 2P 4 | > 10 | 1500 | 10 |
| Kırmızı | 629 | 3S 2 → 2P 5 | |||
| Turuncu | 612 | 3S 2 → 2P 6 | 1 | 1 550 | 1.7 |
| Turuncu | 604 | 3S 2 → 2P 7 | |||
| Sarı | 594 | 3S 2 → 2P 8 | 1 | 1 600 | 0.5 |
| Sarı | 543 | 3S 2 → 2P 10 | 1 | 1 750 | 0.5 |
1,157 μm civarındaki kızılötesi aralıktaki emisyon, 2s → 2p geçişler yoluyla meydana gelir. Aynı şey yaklaşık 1,512 µm'deki biraz daha zayıf olan çizgi için de geçerlidir. Bu kızılötesi hatların her ikisi de ticari lazerlerde kullanılır.
3,391 μm IR aralığındaki hattın karakteristik özelliği yüksek kazancıdır. Zayıf sinyaller alanında, yani zayıf ışık sinyallerinin tek geçişinde bu değer yaklaşık 20 dB/m'dir. Bu, 1 metre uzunluğundaki bir lazer için 100 faktörüne karşılık gelir. Üst lazer seviyesi bilinen kırmızı geçişle aynıdır (0,63 μm). Yüksek kazanç bir yandan alt 3p seviyesindeki son derece kısa kullanım ömründen kaynaklanmaktadır. Öte yandan bu durum nispeten uzun dalga boyu ve buna bağlı olarak radyasyon frekansının düşük olmasıyla açıklanmaktadır. Tipik olarak, uyarılmış emisyonların spontan emisyonlara oranı düşük frekanslar için artar ƒ. Zayıf sinyallerin yükseltilmesi g genellikle g ~ƒ 2 ile orantılıdır.
Seçici elemanlar olmadan, helyum-neon lazeri 0,63 µm'lik kırmızı bölge yerine 3,39 µm'lik çizgide yayılacaktır. Kızılötesi hattın uyarılması, rezonatörün seçici aynası veya gaz boşaltma tüpünün Brewster pencerelerindeki emilim yoluyla önlenir. Bu sayede lazerin lazer eşiği 3,39 µm yaymaya yetecek bir seviyeye yükseltilebilir, böylece burada sadece daha zayıf bir kırmızı çizgi görünür.
Tasarım
Uyarma için gerekli elektronlar, 5 ila 10 mA arasındaki akımlarda yaklaşık 12 kV'luk bir voltajla kullanılabilen bir gaz deşarjında (Şekil 2) üretilir. Tipik deşarj uzunluğu 10 cm veya daha fazladır, deşarj kılcal damarlarının çapı yaklaşık 1 mm'dir ve yayılan lazer ışınının çapına karşılık gelir. Gaz deşarj tüpünün çapı arttıkça verim azalır, çünkü ls seviyesinin boşaltılması için tüp duvarıyla çarpışmalar gerekir. Optimum güç çıkışı için toplam doldurma basıncı (p) kullanılır: p·D = 500 Pa·mm, burada D tüp çapıdır. He/Ne karışım oranı istenilen lazer çizgisine bağlıdır. Bilinen kırmızı çizgi için He: Ne = 5:l ve kızılötesi çizgi için yaklaşık 1,15 μm - He:Ne = 10:l bulunur. Akım yoğunluğunun optimizasyonu da önemli bir husus gibi görünmektedir. 633 nm hattının verimliliği yaklaşık %0,1'dir çünkü bu durumda uyarma işlemi çok verimli değildir. Helyum-neon lazerin hizmet ömrü yaklaşık 20.000 çalışma saatidir.
|
Pirinç. 2. mW aralığında polarize radyasyon için He-Ne lazerin tasarımı
Bu şartlarda kazanç g=0,1 m -1 seviyesinde olduğundan yansıtıcılığı yüksek aynaların kullanılması gerekmektedir. Lazer ışınından yalnızca bir taraftan çıkmak için, kısmen ileten (yarı saydam) bir ayna (örneğin, R =% 98) ve diğer tarafa en yüksek yansıtıcılığa (~% 100) sahip bir ayna yerleştirilir. Diğer görünür geçişlerin kazancı çok daha küçüktür (bkz. Tablo 2). Ticari amaçlar için bu hatlar ancak son yıllarda son derece düşük kayıplarla karakterize edilen aynalar kullanılarak elde edilmiştir.
Daha önce helyum-neon lazerle gaz deşarj tüpünün çıkış pencereleri epoksi reçineyle sabitleniyor ve aynalar dışarıya monte ediliyordu. Bu, helyumun tutkalın içinden yayılmasına ve su buharının lazere girmesine neden oldu. Günümüzde bu pencereler, metalin cama doğrudan kaynaklanmasıyla sabitlenmektedir, bu da helyum sızıntısını yılda yaklaşık 1 Pa'ya düşürmektedir. Küçük seri üretilen lazerlerde ayna kaplama doğrudan çıkış pencerelerine uygulanır ve bu da tüm tasarımı büyük ölçüde basitleştirir.
Kiriş özellikleri
Polarizasyon yönünü seçmek için, gaz deşarj lambası iki eğimli pencereyle veya Şekil 2'de gösterildiği gibi donatılmıştır. Şekil 2'de rezonatöre bir Brewster plakası yerleştirilmiştir. Işık, Brewster açısı olarak adlandırılan açıda gelirse ve gelme düzlemine paralel polarize olursa, optik bir yüzey üzerindeki yansıtma sıfır olur. Böylece, bu polarizasyon yönündeki radyasyon Brewster penceresinden kayıpsız geçer. Aynı zamanda geliş düzlemine dik olarak polarize edilen bileşenin yansıtması oldukça yüksektir ve lazerde bastırılır.
Polarizasyon oranı (polarizasyon yönündeki gücün bu yöne dik güce oranı) geleneksel ticari sistemler için 1000:1'dir. Bir lazer, iç aynalara sahip Brewster plakaları olmadan çalıştığında, polarize olmayan radyasyon üretilir.
Lazer genellikle enine TEM 00 modunda (en düşük dereceli mod) üretilir ve aynı anda birkaç uzunlamasına (eksenel) mod oluşturulur. Aynalar arasındaki mesafe (lazer boşluğu uzunluğu) L = 30 cm olduğunda, modlar arası frekans aralığı Δ ƒ` = c/2L = 500 MHz olur. Merkezi frekans 4,7·10 14 Hz düzeyindedir. Işık amplifikasyonu Δƒ = 1500 MHz (Doppler genişliği) aralığında meydana gelebildiğinden, L = 30CM'de üç farklı frekans yayılır: Δƒ/Δƒ`= 3. Daha küçük bir ayna aralığı kullanıldığında (<= 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.
Yaklaşık 10 mW'lık helyum-neon lazerler genellikle interferometri veya holografide kullanılır. Bu tür seri üretilen lazerlerin tutarlılık uzunluğu 20 ila 30 cm arasında değişmektedir ve bu, küçük nesnelerin holografisi için oldukça yeterlidir. Seri frekans seçici elemanlar kullanılarak daha uzun tutarlılık uzunlukları elde edilir.
Aynalar arasındaki optik mesafe termal veya diğer etkilerin bir sonucu olarak değiştiğinde, lazer boşluğunun eksenel doğal frekansları kayar. Tek frekanslı üretimde burada sabit bir radyasyon frekansı elde edilmez - 1500 MHz hat genişliği aralığında kontrolsüz bir şekilde hareket eder. Ek elektronik düzenleme sayesinde frekans stabilizasyonu tam olarak hattın merkezinde sağlanabilir (ticari sistemler için birkaç MHz'lik frekans stabilitesi mümkündür). Araştırma laboratuvarlarında bazen helyum-neon lazerini 1 Hz'den daha düşük bir aralığa sabitlemek mümkündür.
Uygun aynalar kullanılarak Tablo 4.2'deki farklı çizgiler lazer radyasyonu oluşturacak şekilde uyarılabilir. En yaygın olarak kullanılan görünür çizgi, birkaç miliwatt'lık tipik güçlerle 633 nm civarındadır. 633 nm civarında yoğun bir lazer çizgisinin bastırılmasından sonra, seçici aynalar veya prizmalar kullanılarak görünür aralıktaki diğer çizgiler boşlukta görünebilir (bkz. Tablo 2). Ancak bu hatların çıkış gücü yoğun bir hattın çıkış gücünün sadece %10'u hatta daha azdır.
Ticari helyum-neon lazerler çeşitli dalga boylarında mevcuttur. Bunların yanı sıra çok sayıda çizgi üzerinde üretim yapan ve çeşitli kombinasyonlarda çok uzunlukta dalgalar yayabilen lazerler de bulunmaktadır. Ayarlanabilir He-Ne lazerler durumunda, gerekli dalga boyunun prizmayı döndürerek seçilmesi önerilmektedir.
ÇALIŞMA 17. LAZER RADYASYONUNUN ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
İŞİN AMACI:
1. Helyum-neon lazerin çalışma prensibi ve tasarımına aşina olun.
2. Lazer radyasyonunun girişimi, kırınımı ve polarizasyonu hakkında bilgi edinin.
3.İki boyutlu yapının periyotlarını belirleyiniz.
4. Lazer ışınının sapma açısını belirleyin.
KISA TEORİ
Lazer temelde yeni bir ışık kaynağıdır. Lazer radyasyonu, monokromatik olmaya yakın olması, son derece yüksek zamansal ve uzaysal tutarlılığa sahip olması ve çok düşük sapmaya sahip olması nedeniyle geleneksel kaynakların (akkor lambalar, floresan lambalar vb.) radyasyonundan farklıdır. , ve dolayısıyla olağanüstü derecede yüksek bir elektromanyetik enerji yoğunluğu. Ayrıca lazer ışını polarizedir.
Lazerin çalışma prensibi üç fiziksel olaya dayanmaktadır: uyarılmış emisyon, popülasyonun tersine çevrilmesi ve pozitif geri besleme.
Atomların (moleküllerin) davranışı, fiziksel büyüklüklerin (örneğin, enerji E) değerlerinin yalnızca belirli (kesikli) değerleri alabildiği kuantum mekaniği yasalarına uyar. Enerji için bu değerler genellikle grafiksel olarak enerji seviyeleri adı verilen formda gösterilir (Şekil 1).
En düşük enerji düzeyi, parçacığın en kararlı durumuna karşılık geldiğinden yer düzeyi olarak adlandırılır. Geriye kalan daha yüksek enerji değerlerine sahip seviyelere heyecanlı denir.
Atom enerjisinde bir artışın eşlik ettiği bir süreç, daha yüksek bir enerji seviyesine geçiş olarak, enerjinin azaldığı bir süreç ise daha düşük bir seviyeye geçiş olarak tasvir edilir.
Elektromanyetik radyasyonun (ışık) atomlarla etkileşimini ele alalım.
Birinci etkileşim türü: temel durumda olan bir atom, enerjisi uyarılmış durumlardan birine geçiş için yeterli olan bir fotonu emer (Şekil 1a).
Ve ikinci: uyarılmış durumdaki bir atom,
kendiliğinden (kendiliğinden) daha düşük bir enerji durumuna geçiş yapar: bu geçişe bir foton emisyonu eşlik eder (Şekil 1c).
Kendiliğinden geçişler sırasında, farklı atomlar eş zamanlı olmayan ve bağımsız bir şekilde salınır, bu nedenle yayılan fotonların fazları birbiriyle ilişkili değildir, radyasyonun yönü, polarizasyonu rastgeledir ve radyasyonun frekansı belirli sınırlar içinde dalgalanır, E 1 ve E 2 enerji seviyelerinin genişliği ile belirlenir.
Kendiliğinden emisyon yönsüzdür, polarize değildir, tek renkli değildir.
Ancak var üçüncü tür etkileşim buna uyarılmış emisyon denir. Uyarılmış durumdaki bir atom (Şekil 2), frekanslı radyasyona maruz kalırsa ν atomun daha düşük bir duruma (1) geçişine karşılık gelir, daha sonra atom bu fotonun etkisi altında zorla onun içine geçer ve kendi fotonunu yayar, buna uyarılmış emisyon denir.
Uyarılmış emisyonun karakteristik özelliğine dikkat etmek son derece önemlidir: yayılan dalga (foton) tam olarak aynı yön ve faz, bu da zorlayıcı. Ayrıca bu iki dalga aynı frekanslara ve polarizasyon durumlarına sahiptir.
1→2 geçişleri sırasında (Şekil 1a), dış radyasyon emilir ve zorunlu geçişler 2→1 (Şekil 2) sırasında, tam tersine güçlendirilir, çünkü atomun yaydığı foton dış fotona eklenir. 1→2 ve 2→1 geçişlerinin olasılıkları aynıdır. Eğer atomların çoğunluğu uyarılmış durumdaysa, 2→1 geçişler daha sık meydana gelecektir. . Başka bir deyişle, dış radyasyonu arttırmak için gereklidir. nüfus seviye 2, seviye 1'in popülasyonundan daha yüksekti veya yaratılması gerekliydi ters çevirme nüfus seviyeleri.
T sıcaklığında, E enerjili bir durumdaki N atomlarının sayısı Boltzmann formülü ile belirlenir.
N ~ exp(-E/kT)
burada k Boltzmann sabitidir.
Bundan, E durumunun enerjisi ne kadar yüksek olursa, bu durumdaki atomların N sayısının o kadar düşük olduğu görülebilir. Bu, denge durumunda alt seviyelerin daha kalabalık olduğu ve ışığın emilmesinin amplifikasyona üstün geldiği anlamına gelir.
Seviye popülasyonunun ters çevrilmesi, ortamdaki atomların dengesizlik durumuna karşılık gelir.
Böyle bir durum toplanarak yapay olarak yaratılabilir.
atomların üst enerji seviyesine aktarılması nedeniyle çalışma maddesine enerji. Bu süreç denir pompalandı. Farklı lazer türlerinde, pompalama farklı şekillerde gerçekleştirilir: katı hal lazerlerinde, ek lambalardan gelen ışığın emilmesiyle, gaz lazerlerinde - bir elektrik alanı tarafından hızlandırılan elektronların enerjisinin, gaz atomlarına aktarılmasıyla gerçekleştirilir. çarpışmalar.
Popülasyonun ters çevrilmesinin gerçekleştirildiği ortama aktif ortam denir.
"Lazer" kelimesi, İngilizce "Işığın Uyarılmış Emisyon Emisyonuyla Işık Amplifikasyonu" ifadesinin ilk harflerinden oluşur; bu, "uyarılmış radyasyon kullanılarak ışığın güçlendirilmesi" anlamına gelir. Lazerlere aynı zamanda optik kuantum osilatörleri (OQO'lar) da denir.
Gaz lazerleri. Helyum-neon lazer.
Helyum-neon sürekli dalga lazerinin ana elemanı
eylem, sırasıyla 1 ve 0,1 mmHg düzeyinde kısmi basınçlara sahip bir helyum ve neon karışımı ile doldurulmuş tüp 2'dir (Şekil 3). Borunun uçları, eksenine Brewster açısıyla monte edilen düzlemsel paralel cam plakalar (3) ile kapatılmıştır.
Bir gaz lazerinde pompalama, katot 4 ile anot 5 arasında parlak bir deşarjı koruyan bir güç kaynağının enerjisi kullanılarak gerçekleştirilir. Tüpteki deşarj 1,5-2,0 kV'de gerçekleşir. Tüpün deşarj akımı onlarca miliamperdir.
Helyum-neon lazerin çalışan atomları atomlardır.
neon, kırmızı fotonlar yayar (λ =632,8 nm), Şekil 2'de. Şekil 4, neon ve helyum atomlarının seviyelerinin basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir.
Saf neonda, pompalama sırasında 3S durumlarının popülasyonu etkisizdir çünkü bu seviyenin ömrü kısadır ve neon atomu kendiliğinden 2P durumuna geçer.
Neona helyum eklendiğinde durum değişir. Helyumun 2S seviyesinin enerjisi, neonun 3S seviyesinin enerjisine eşittir. Helyumun 2S enerji seviyesi uzun ömürlüdür ve pompalama sırasında etkili bir şekilde doldurulur. Uyarılmış helyum atomları neon atomlarıyla çarpıştığında enerji neon atomlarına aktarılır. Sonuç olarak, 3S neonunun çalışma seviyesinin ters bir popülasyonu yaratılıyor.
 |
Bundan sonra aktif ortamda çok sayıda olay meydana gelir.
3S→2P kendiliğinden geçiş eylemleri, ortaya çıkan fotonlar (λ =632,8 nm) zorunlu geçişlere yol açar. Tüp eksenine belirli bir açıyla hareket eden fotonlar, lazer ışınının üretilmesine katılmazlar. Lazer ışını yalnızca tüpün ekseni boyunca yayılan fotonlardan oluşur.
Işık, zorunlu geçişler nedeniyle tekrar güçlendirileceği aktif ortama geri döndürülürse ışın çok daha hızlı güçlendirilir. Bu duruma geri bildirim denir. Lazerlerde pozitif geri bildirim oluşturmak için iki aynadan (1) oluşan bir optik rezonatör kullanılır (Şekil 3).
Uyarılmış emisyonun yoğunluğu çığ gibi artar ve gelecekte göz ardı edilebilecek olan spontan emisyonun yoğunluğundan önemli ölçüde daha büyük hale gelir.
Lazer ışınının üretilmesi, zorlanmış geçişler nedeniyle radyasyon enerjisindeki artışın, rezonatörün her geçişinde enerji kaybını aştığı anda başlar. Işını rezonatörden çıkarmak için aynalardan (1) biri yarı saydam yapılır. Her iki aynanın yüzeyleri, kalınlığı istenilen dalga boyundaki dalgalar yansıtılacak ve diğerleri söndürülecek şekilde seçilen filmlerle kaplıdır.
Rezonatör aynalarının şeffaflığı genellikle %1'den azdır.
Lazer radyasyonunun özellikleri.
İlgili bilgiler.
Örnek olarak laboratuvarımızda kullanılan helyum-neon lazerin tasarımına ve çalışma prensibine bakalım. Çalışma maddesi neon atomlarıdır ( Hayır). Elektrikli pompalama kullanılır: bir gaz deşarj tüpünden bir elektron akışı akar; Hızlı elektronlar neon atomlarıyla çarpıştığında neon atomları uyarılır ve elektronları daha yüksek enerji seviyelerine doğru hareket eder. Ancak neon atomları için elektron etkisiyle doğrudan pompalamanın yeterince etkili olmadığı ortaya çıktı. Enerji transferini hızlandırmak için neona helyum eklenir ( O).
Pompalama devresi Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.2. Elektronlarla çarpışmalar sonucunda helyum atomları yer seviyesinden seviyeye doğru hareket eder. 2
S. Uyarılan bu helyum atomları neon atomlarıyla çarpışır ve depoladıkları enerjiyi onlara salar. Sonuç olarak neon atomları yer seviyesinden seviyeye yakın bir seviyeye doğru hareket eder. 2
S helyum Sonuç olarak, 
neon seviyesi tarafından yaratılmıştır 
önemli nüfus. Aynı zamanda seviye 
Daha düşük seviyelere kendiliğinden geçişler nedeniyle hızla temizlendiğinden seyrek nüfusludur. Geçişte 
ters bir popülasyon ortaya çıkar. Neon atomunun üstten geçişi 
seviyeden alt seviyeye 
dalga boyuna sahip lazer radyasyonuyla sonuçlanır 
µm, kırmızı ışığa karşılık gelir.
P 
Ters popülasyonun oluştuğu bir ortam olsun, yani. (4.7) koşulu geçerlidir. Böyle bir ortamda uyarılmış emisyon emilimden daha güçlüdür. Bu nedenle ortam, iletilen ışığı bir frekansla güçlendirecektir. ν
(dalga boyu λ)
ters popülasyonlu seviyeler arasındaki geçişe karşılık gelir (bkz. formül (4.2)). Ancak bu kazanç küçüktür: helyum-neon lazerde, ışık aktif ortamdan geçerek 1
m, yalnızca güçlendirilmiş 2
%. Bu nedenle parlak ışınım elde etmek için aktif ortamdaki ışığın yolunun çok uzun olması gerekir. Bu kullanılarak elde edilir optik rezonatör. Popülasyonun tersine çevrildiği aktif bir ortam ve bir optik boşluk, herhangi bir lazerin iki ana parçasıdır.
Şek. 4.3 helyum-neon lazer cihazını şematik olarak göstermektedir. Ortada aktif bir ortama sahip bir helyum-neon karışımı olan bir gaz boşaltma tüpü (GDT) vardır. Kısmi helyum basıncı – 1 mmHg ( 133 Pa) ve neon - 0,1 mmHg ( 13,3 Pa). Tüpün bir katotu vardır İLE ve anot A. Katot ısıtıldığında ve katot ile anot arasına yüksek voltaj uygulandığında tüpü dolduran gazlarda parlak bir elektrik deşarjı sağlanabilir. Deşarj sırasında tüpteki anot voltajı düşümü 1,5 kV, tüpten geçen akım ulaşır 30 mA. Bir karışımdan bir akım geçtiğinde, içinde bir popülasyon inversiyonu meydana gelir.
Optik rezonatör iki yüksek kaliteli aynadan oluşur Z1 Ve Z2(düz veya küresel), bunlardan biri ( Z2) yarı saydam. Aynalar gaz deşarj tüpünün uçlarına birbirine paralel olarak monte edilir. Rezonatör aynalarından yansıyan ışık, gaz deşarj tüpünden tekrar tekrar geçer. Sonuç olarak aktif ortamdaki ışığın yolu o kadar genişler ki ışık amplifikasyonu büyük bir değere ulaşır. Lazer üretimi başlamadan önce ortamda belirli miktarda kendiliğinden emisyon vardır. Aynalardan yansıyan bu ışınım aktif ortamdan defalarca geçer. Her geçişte ortamın uyarılmış radyasyonu nedeniyle güçlendirilir. Sonuç, yarı saydam bir aynadan çıkan parlak bir lazer ışınıdır.
Bununla birlikte, kendiliğinden emisyonun yalnızca küçük bir kısmı kalıcılığı tetikleyecektir. Bir optik rezonatörün büyük bir seçiciliği vardır: kendiliğinden radyasyon arasında belirli bir yayılma yönüne sahip dalgaları seçer. Aslında yalnızca rezonatörün optik ekseni boyunca yayılan dalgalar çoklu yansımalara maruz kalacaktır. Eksene belli bir açıyla gelen spontan emisyon rezonatörü terk eder ve lazer oluşumuna katılmaz. Bu nedenle lazer dar, düşük sapmalı bir ışık huzmesi üretir.
Helyum-neon lazerin radyasyonu eliptik olarak polarizedir. Bunun nedeni, gaz boşaltma borusunun pencerelerinin Brewster açısına monte edilmesidir. 
. İletilen ışığın gaz deşarj tüpünün pencerelerinden yansıması lazer oluşumunu baskılar. Pencereleri Brewster açısına yerleştirerek, vektörün bulunduğu ışığın e geliş düzleminde salınır, neredeyse hiç yansıma olmadan pencereden geçer. Sonuç olarak, lazer tarafından yalnızca bu tür polarize ışık üretilir.
Böylece, bir helyum-neon lazerinden dar bir kırmızı, eliptik olarak polarize ışık demeti ortaya çıkar. Bu ışık uyarılmış emisyonun sonucudur. Uyarılmış emisyonun yanı sıra, polarize olmayan ve lazerden her yöne çıkan spontan emisyon da vardır. Bu radyasyon lazer oluşumuna katılmaz. Spontan lazer radyasyonu, uyarılmış radyasyondan çok daha zayıftır; parlaklığı, geleneksel bir gaz deşarj tüpünün parlaklığıyla yaklaşık olarak aynıdır.
Çalışmanın amacı, aktif madde olarak helyum ve neon gazlarının bir karışımının kullanıldığı bir gaz lazerinin temel özelliklerini ve parametrelerini incelemektir.
3.1. Helyum-neon lazerin çalışma prensibi
He-Ne lazer tipik ve en yaygın gaz lazeridir. Atomik gaz lazerlerine aittir ve aktif ortamı, nötr (iyonize olmayan) atıl gaz atomlarının (helyum ve neon) bir karışımıdır. Neon çalışan bir gazdır ve tutarlı elektromanyetik radyasyonun yayılmasıyla enerji seviyeleri arasında geçişler meydana gelir. Helyum yardımcı bir gaz görevi görür ve neonun uyarılmasına ve içinde bir popülasyonun tersine çevrilmesine katkıda bulunur.
Herhangi bir lazerde lazer işlemine başlamak için en önemli iki koşulun karşılanması gerekir:
1. Çalışan lazer seviyeleri arasında bir popülasyon terslenmesi olmalıdır.
2. Aktif ortamdaki kazanç, radyasyon çıkışı için "faydalı" kayıplar da dahil olmak üzere, lazerdeki tüm kayıpları aşmalıdır.
Sistemde iki seviye varsa e 1 Ve e 2 sırasıyla her birindeki parçacık sayısıyla birlikte N 1 Ve N 2 ve yozlaşma derecesi G 1 Ve G 2, o zaman popülasyon ters çevrilmesi meydana gelecektir N 2 /G 2 üst seviye e 2 daha fazla nüfus olacak N 1 /G 1 alt seviye e 1, yani ters çevirme derecesi Δ N olumlu olacaktır:
Eğer seviyeler e 1 Ve e 2 dejenere değilse, tersinmenin gerçekleşmesi için parçacık sayısının gerekli olması gerekir. N 2 üst seviyede e 2 parçacık sayısından fazlaydı N 1 alt seviyede e 1. Popülasyonun tersine dönmesinin oluştuğu ve tutarlı elektromanyetik radyasyonun emisyonu ile zorunlu geçişlerin meydana geldiği seviyelere denir çalışan lazer seviyeleri.
Popülasyonun tersine çevrilmesi durumu kullanılarak oluşturulur pompalama– Gaz atomlarının çeşitli yöntemlerle uyarılması. Harici bir kaynağın enerjisi nedeniyle pompa kaynağı, Zemin enerji seviyesinden Ne atomu e Termodinamik denge durumuna karşılık gelen 0, uyarılmış duruma Ne* girer. Pompalama yoğunluğuna bağlı olarak farklı enerji seviyelerine geçişler meydana gelebilir. Daha sonra, daha düşük enerji seviyelerine kendiliğinden veya zorunlu geçişler meydana gelir.
Çoğu durumda sistemdeki tüm durumlar arasındaki olası tüm geçişleri dikkate almaya gerek yoktur. Bu, iki, üç ve dört seviyeli lazer çalışma şemalarından bahsetmeyi mümkün kılar. Lazer çalışma devresinin tipi, aktif ortamın özelliklerine ve kullanılan pompalama yöntemine göre belirlenir.
Helyum-neon lazeri, Şekil 2'de gösterildiği gibi üç seviyeli bir şemaya göre çalışır. 3.1. Bu durumda pompalama ve radyasyon üretim kanalları kısmen ayrılmıştır. Etkin maddenin pompalanması zemin seviyesinden geçişlere neden olur e 0'dan heyecanlı seviyeye e 2, işletim seviyeleri arasında popülasyonun tersine dönmesine yol açar e 2 ve e 1. Çalışma seviyelerinin popülasyonun ters çevrildiği bir durumdaki aktif bir ortam, elektromanyetik radyasyonu bir frekansla yükseltme kapasitesine sahiptir. 
Uyarılmış emisyon süreçleri nedeniyle.
Pirinç. 3.1. Helyum-neon lazerin çalışmasını açıklayan çalışma ve yardımcı gazın enerji seviyelerinin şeması
Gazlardaki enerji seviyelerinin genişlemesi küçük olduğundan ve geniş soğurma bantları olmadığından, optik radyasyon kullanarak popülasyonun tersine çevrilmesinin elde edilmesi zordur. Bununla birlikte, gazlarda başka pompalama yöntemleri de mümkündür: doğrudan elektronik uyarım ve atomların çarpışması sırasında rezonans enerji aktarımı. Elektronlarla çarpışmalarda atomların uyarılması, elektronların bir elektrik alanı tarafından hızlandırıldığı bir elektrik deşarjında en kolay şekilde gerçekleştirilebilir. 
önemli miktarda kinetik enerji elde edebilir. Elektronların atomlarla esnek olmayan çarpışmaları sırasında atomlar uyarılmış bir duruma geçer. e 2:
Sürecin (3.4) doğası gereği rezonans olması önemlidir: farklı atomların uyarılmış enerji durumları çakışırsa, yani rezonans içindeyse, enerji aktarımı olasılığı maksimum olacaktır.
He ve Ne'nin enerji seviyeleri ve ana operasyonel geçişler, Şekil 2'de ayrıntılı olarak gösterilmektedir. 3.2. Gaz atomlarının hızlı elektronlarla (3.2) ve (3.3) esnek olmayan etkileşimlerine karşılık gelen geçişler, noktalı yukarı oklarla gösterilmiştir. Elektron etkisi sonucunda helyum atomları yarı kararlı olan 2 1 S 0 ve 2 3 S 1 seviyelerine uyarılır. Helyumdaki 1 S 0 temel durumuna ışınımsal geçişler seçim kuralları tarafından yasaklanmıştır. Uyarılmış He atomları, 1 S 0 temel durumunda bulunan Ne atomlarıyla çarpıştığında, uyarılma aktarımı (3.4) mümkün olur ve neon, 2S veya 3S seviyelerinden birine gider. Bu durumda, yardımcı ve çalışma gazındaki temel ve uyarılmış durumlar arasındaki enerji boşlukları birbirine yakın olduğundan rezonans koşulu sağlanır.
Neonun 2S ve 3S seviyelerinden 2P ve 3P seviyelerine ışınımsal geçişler meydana gelebilir. He atomlarından bu seviyelere doğrudan enerji aktarımı olmadığından P seviyeleri üst S seviyelerine göre daha az nüfusludur. Ek olarak, P seviyelerinin ömrü kısadır ve ışınımsız geçiş P → 1S, P seviyelerini tahrip eder. Böylece, üst S seviyelerinin popülasyonunun, altta yatan P seviyelerinin popülasyonundan daha yüksek olduğu bir durum ortaya çıkar (3.1). yani S ve P seviyeleri arasında bir popülasyonun ters çevrilmesi, yani aralarındaki geçişlerin lazer üretimi için kullanılabileceği anlamına gelir.
S ve P seviyelerinin sayısı fazla olduğu için aralarında çok sayıda farklı kuantum geçişleri mümkündür. Özellikle dört 2S seviyesinden on 2P seviyesine kadar seçim kuralları 30 farklı geçişe izin verir ve bunların çoğu kalıcıdır. 2S→2P geçişleri sırasında en güçlü emisyon çizgisi 1,1523 μm'deki çizgidir (spektrumun kızılötesi bölgesi). 3S→2P geçişleri için en anlamlı çizgi 0,6328 μm (kırmızı bölge) ve 3S→3P – 3,3913 μm (IR bölgesi) için. Listelenen tüm dalga boylarında kendiliğinden emisyon meydana gelir.
Pirinç. 3.2. Helyum ve neon atomlarının enerji seviyeleri ve He-Ne lazerin çalışma şeması
Daha önce belirtildiği gibi, P seviyelerine ışınımlı geçişlerden sonra, P→1S geçişleri sırasında ışınımsız ışınımlı bozunma meydana gelir. Ne yazık ki, neonun 1S seviyeleri yarı kararlıdır ve eğer gaz karışımı başka yabancı maddeler içermiyorsa, o zaman neon atomlarının 1S seviyesinden temel duruma geçmesinin tek yolu kabın duvarlarıyla çarpışmasıdır. Bu nedenle basma borusunun çapı azaldıkça sistem kazancı artar. 1S neon durumları yavaşça boşaltıldığından Ne atomları bu durumlarda tutulur, bu da çok istenmeyen bir durumdur ve bu lazerin bir takım özelliklerini belirler. Özellikle pompa akımı eşik değerinin üzerine çıktığında J gözeneklerde hızlı bir artış ve ardından lazer radyasyon gücünde doygunluk ve hatta bir azalma olur; bu, çalışma parçacıklarının 1S seviyelerinde birikmesi ve ardından elektronlarla çarpışırken 2P veya 3P durumlarına geçmeleri ile tam olarak açıklanır. Bu, yüksek çıkışlı radyasyon güçlerinin elde edilmesini mümkün kılmaz.
Popülasyonun tersine dönmesinin meydana gelmesi, karışımdaki He ve Ne basıncına ve elektronların sıcaklığına bağlıdır. Optimum gaz basıncı değerleri He için 133 Pa, Ne için ise 13 Pa'dır. Elektron sıcaklığı, gaz karışımına uygulanan voltajla ayarlanır. Tipik olarak bu voltaj 2...3 kV seviyesinde tutulur.
Lazer lazeri elde etmek için lazerde pozitif geri beslemenin mevcut olması gerekir, aksi takdirde cihaz yalnızca amplifikatör olarak çalışacaktır. Bunu yapmak için aktif gaz ortamı bir optik rezonatöre yerleştirilir. Rezonatör, geri bildirim oluşturmanın yanı sıra, salınım türlerini seçmek ve özel seçici aynaların kullanıldığı lazer dalga boyunu seçmek için de kullanılır.
Eşiğe yakın pompa seviyelerinde, bir tür salınım kullanarak lazerleme nispeten kolaydır. Uyarılma düzeyi arttıkça, özel önlemler alınmadığı sürece başka modlar da ortaya çıkar. Bu durumda üretim, atom hattının genişliği içinde yer alan rezonatörün rezonans frekanslarına yakın frekanslarda meydana gelir. Eksenel salınım türleri durumunda (TEM 00 modu), bitişik maksimumlar arasındaki frekans mesafesi 
, Nerede L– rezonatörün uzunluğu. Radyasyon spektrumunda çeşitli modların eşzamanlı varlığı sonucunda atımlar ve homojensizlikler ortaya çıkar. Yalnızca eksenel modlar mevcut olsaydı, spektrum, aralarındaki mesafe şuna eşit olacak şekilde ayrı çizgileri temsil ederdi: C
/
2L. Ancak rezonatörde, varlığı büyük ölçüde aynaların konfigürasyonuna bağlı olan TEM 10 modları gibi eksenel olmayan salınım türlerini de uyarmak mümkündür. Bu nedenle, radyasyon spektrumunda, eksenel salınım türlerinin her iki tarafında frekans bakımından simetrik olarak yerleştirilmiş ek uydu çizgileri belirir. Artan pompa seviyesiyle birlikte yeni tip salınımların ortaya çıkışı, radyasyon alanının yapısının görsel olarak gözlemlenmesiyle kolaylıkla belirlenebilir. Ayrıca boşluk ayarının tutarlı radyasyon modlarının yapısı üzerindeki etkisini görsel olarak gözlemleyebilirsiniz.
Gazlar yoğunlaştırılmış ortama göre daha homojendir. Bu nedenle, gazdaki ışık ışını daha az bozulur ve dağılır ve helyum-neon lazerin radyasyonu, iyi frekans kararlılığı ve kırınım fenomeni nedeniyle sınırına ulaşan yüksek yönlülük ile karakterize edilir. Konfokal bir boşluk için diverjansın kırınım sınırı
|
|
,burada λ – dalga boyu; D 0, ışık ışınının en dar kısmındaki çapıdır.
Helyum-neon lazerin radyasyonu, yüksek derecede monokromatiklik ve tutarlılık ile karakterize edilir. Böyle bir lazerin emisyon çizgisi genişliği, "doğal" spektral çizgi genişliğinden çok daha dardır ve modern spektrometrelerin maksimum çözünürlüğünden birçok büyüklük düzeyinde daha azdır. Bu nedenle, bunu belirlemek için radyasyondaki çeşitli modların vuruş spektrumu ölçülür. Ek olarak, bu lazerin radyasyonu, rezonatörün optik eksenine Brewster açısında bulunan pencerelerin kullanılması nedeniyle düzlemsel polarizasyona sahiptir.
Radyasyonun tutarlılığının kanıtı, kaynağın farklı noktalarından alınan radyasyon üst üste bindirildiğinde kırınım modelinin gözlemlenmesiyle gözlemlenebilir. Örneğin tutarlılık, çoklu yarıklardan oluşan bir sistemin girişiminin gözlemlenmesiyle değerlendirilebilir. Young'ın deneyiminden, sıradan bir "klasik" kaynaktan gelen ışığın girişimini gözlemlemek için, radyasyonun önce bir yarıktan, sonra iki yarıktan geçtiği ve ardından ekranda girişim saçaklarının oluştuğu bilinmektedir. Lazer radyasyonunun kullanılması durumunda ilk yarığa gerek yoktur. Bu durum temeldir. Ayrıca iki yarık arasındaki mesafe ve genişlikleri klasik deneylere göre orantısız şekilde daha fazla olabilir. Gaz lazerinin çıkış penceresinde aralarında 2 mesafe bulunan iki yarık vardır. A. Gelen radyasyonun tutarlı olması durumunda, belirli bir mesafede bulunan bir ekranda D yarıklardan bir girişim deseni gözlemlenecektir. Bu durumda bantların maksimum (minimum) noktaları arasındaki mesafe
|
|
.