ヘリウムネオンレーザーの変動。講義十三。ガスレーザー。ヘリウムネオンレーザー。ヘリウムネオンレーザーの医療への応用

知識ベースであなたの良い仕事を送信するのは簡単です。以下のフォームを使用してください

研究や仕事で知識ベースを使用する学生、大学院生、若い科学者は、あなたに非常に感謝しています.

http://www.allbest.ru/でホスト

1.はじめに

2. レーザーの動作原理

3. ガスレーザー

4. ヘリウムネオンレーザー

5. ヘリウムネオンレーザータイプ LG-36a

6. ヘリウムネオンレーザーの医療への応用

7. 最新のヘリウムネオンレーザーに関する情報

8. 使用文献一覧

1. 序章

レーザーまたは光量子発生器は、最新のコヒーレント放射源です。彼らの創造は、20 世紀の物理学の最も重要な成果の 1 つです。レーザーは、科学技術、医学、軍事だけでなく、科学のほぼすべての分野でかなり幅広い用途を見出しています。

歴史を少し掘り下げてみましょう。

20世紀初頭に誘導放出を観察するためにガス放電を研究するという考えは誰にも思いつきませんでした.結局のところ、科学者たちはまだその存在を疑っていませんでした.

1913 年、アルバートアインシュタインは、星の内部で強制光子の作用によって放射線が生成される可能性があるという仮説を立てました。 1917 年に発表された古典的な記事「放射の量子論」で、アインシュタインは、量子力学と熱力学の一般原理からそのような放射の存在を推測しただけでなく、同じ方向、波長、位相、偏光を持っていることも証明しました。、つまり、コヒーレントに放射を強制します。そして10年後、ポール・ディラックはこれらの結論を厳密に実証し、要約しました。

最初の実験。

理論家の仕事は見過ごされませんでした。 1928 年、カイザーヴィルヘルム協会の物理化学および電気化学研究所の原子物理部門の責任者であるルドルフラーデンブルクと、彼の学生であるハンスコプファーマンは、ネオン管を使った実験で反転分布を実験的に観察しました。しかし、誘導放出は非常に弱く、自然放出の背景と区別することは困難でした。

レーザーを作成する試みの 1 つは、誘導放出を使用した光信号の増幅に関連するかなり深刻な作業でした。この作品は、1940 年に出版された白雲母バレンティンファブリカントの博士論文でした。 1951年にV. ファブリカント、F.A. ブタエバとM.M. Vudinsky は、反転分布を持つ媒体の使用に基づいて電磁放射を増幅する新しい方法の発明を出願しました。残念ながら、この作品はわずか 8 年後に出版されたものであり、ほとんどの人に気づかれず、動作する光増幅器を構築する試みは成果を上げませんでした。その理由は、レゾネーターの欠如でした。

レーザーの作成への道は、光学技師ではなく、共振器とフィードバックを使用して電磁振動の発生器と増幅器を構築することができた電波物理学者によって発見されました。光だけでなくマイクロ波のコヒーレント放射の最初の量子発生器を設計する運命にあったのは彼らでした。

このような発電機を作成する可能性は、コロンビア大学の物理学教授であるチャールズタウンズによって最初に実現されました。彼は、いくつかのエネルギーレベルを持つ分子のビームを使用して、マイクロ波発生器を構築できることに気付きました。これを行うには、それらを静電場で分離し、励起された分子のビームを金属キャビティに送り込み、そこでより低いレベルに移動して電磁波を放出する必要があります。この空洞が共振器として機能するには、その線形寸法が放出される波の長さと等しくなければなりません。タウンズは、この考えを大学院生のジェームズ・ゴードンと研究助手のハーバート・ザイガーと共有しました。彼らは媒質としてアンモニアを選びました。その分子は、励起された振動レベルから基底レベルへの遷移時に長さ 12.6 mm の波を放出します。 1954 年 4 月、タウンズとゴードンは世界初のマイクロ波量子発生器を発売しました。タウンズはこの装置をメーザーと呼んだ。

ソ連科学アカデミーの物理研究所の振動研究所では、上級研究員のアレクサンダー・プロホロフと大学院生のニコライ・バソフが同じトピックを扱っていました。 1952 年 5 月、電波分光法に関する全連合会議で、彼らは、同じアンモニアの分子のビームで動作するマイクロ波放射用の量子増幅器を作成する可能性について報告しました。 1954 年、Towns、Gordon、および Zeiger による研究が発表された直後に、Prokhorov と Basov は、そのようなデバイスの操作を理論的に正当化する記事を発表しました。タウンズ、バソフ、プロホロフは、その研究により 1964 年にノーベル賞を受賞しました。

マイクロ波から光へ。

光の波長は 10 分の 1 ミクロン単位で測定されるため、このサイズの空洞共振器を製造することは現実的ではありませんでした。おそらく、巨視的なオープンミラー共振器を使用して光を生成する可能性は、1956 年 5 月にこのアイデアを特許出願で正式化したアメリカの物理学者 Robert Dicke によって最初に実現されました。 1957 年 9 月、タウンズはそのような発電機の計画をノートにスケッチし、それを光メーザーと呼びました。 1 年後、Towns は、Artur Shavlov と共同で、Prokhorov とは独立して、コヒーレント光を生成するこの方法の理論的正当性を含む論文を発表しました。

「レーザー」という用語自体は、ずっと前に生まれました。この英語の略語、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (文字通り「誘導放射による光増幅」と訳されていますが、レーザーを増幅器ではなく放射発生器と呼ぶのが今でも通例ですが、増幅という言葉を生成に置き換えると発音しにくい音になります。コンビネーション lgser) は、コロンビア大学の博士課程の学生である Gordon Gould を思いつきました。Gordon Gould は、光学範囲の誘導放出を得るための方法の詳細な分析を独自に実行しました。

最初の実用的なレーザーは、活性媒体としてルビーを選んだ Hughes Aircraft Corporation の従業員である Theodor Meiman の手から生まれました。 Meiman は、大きな隙間で隔てられたクロム原子がガス原子と同じように「輝く」ことができることに気付きました。光共鳴を得るために、彼は合成ルビーシリンダーの研磨された平行な端に銀の薄い層を堆積させました。シリンダーはユニオン・カーバイド社が特注で製作し、完成までに 5 か月を要しました。 Meiman は、ルビーの柱をらせん状のチューブに入れ、明るい閃光を放ちました。 1960 年 5 月 16 日、世界初のレーザーが最初のビームを発射しました。そして同年 12 月には、アリジャバン、ウィリアムベネット、ドナルドハリオットによって作成されたヘリウムネオンレーザーがベル研究所で打ち上げられました。

レーザーの科学的価値と実用性は非常に明白であったため、さまざまな国の何千人もの科学者やエンジニアがすぐにレーザーを取り上げました。 1961 年に最初のネオジムガラスレーザーが発売され、5 年以内に半導体レーザーダイオード、有機色素レーザー、化学レーザー、二酸化炭素レーザーが開発されました。 1963 年、Zhores Alferov と Herbert Kremer は、半導体ヘテロ構造の理論を独自に開発しました。これに基づいて、後に多くのレーザーが作成されました。

前述のように、レーザーは私たちの生活に入り込み、非常にうまく定着し、科学技術の多くの分野で良い位置を占めています。

気体、液体、固体など、さまざまな凝集状態の物質が最新のレーザーの作業体として使用されています。

私はガスレーザーに焦点を当て、活性媒体がヘリウムとネオンの混合物であるレーザーをより詳細に研究したいと考えています。

アクションヘリウムネオンレーザー医学

2. レーザーの動作原理

基底準位 W 1 にある原子にエネルギーが与えられると、励起準位の 1 つに移動できることがわかっています (図 1a)。それどころか、励起された原子は、光の量子の形でエネルギーの特定の部分を放出しながら、自発的に（自発的に）より低い準位の1つに行くことができます（図1b）。エネルギー準位 W m からエネルギー準位 W n への原子の遷移中に光の放出が発生した場合、放出 (または吸収) された光の周波数は

n mn \u003d（W m - W n）/ h。

加熱された物体と発光ガスで発生するのは、これらの自発的な放射プロセスです。加熱または放電により、一部の原子が励起状態に移行します。より低い状態に入ると、それらは光を発します。自然遷移の過程で、原子は互いに独立して発光します。光量子は、波列の形で原子からランダムに放出されます。列車は時間的に互いに調整されていません。異なるフェーズを持っています。したがって、自然放出はインコヒーレントです。

励起原子の自然放出に加えて、刺激 (または誘導) 放出があります。励起原子は、光などの急速に変化する外部電磁界の作用下で放射します。外部電磁波の作用下で、原子は二次波を放出し、その周波数、分極、伝播方向、および位相は、原子に作用する外部波のパラメーターと完全に一致することがわかります。外部波の一種のコピーがあります（図1c）。誘導放出の概念は、1916 年に A. アインシュタインによって物理学に導入されました。誘導放出の現象により、電磁波を使用して原子の放出を制御し、コヒーレント光を生成および増幅することが可能になります。

そのためには、3 つの条件を満たす必要があります。

1. 共鳴が必要です。入射光の周波数と、原子のスペクトルの周波数 h mn の 1 つとの一致。自然そのものが共鳴条件の充足を世話しました。同一原子の発光スペクトルは完全に同一です。

2. 別の条件は、さまざまなレベルの母集団に関連しています。上準位Ｗｍの原子による誘導放出とともに、下準位Ｗｎに存在する原子による共鳴吸収も起こる。下準位Ｗｎに位置する原子は、光量子を吸収しながら上準位Ｗｍに移動する。

共鳴吸収により、光の発生が妨げられます。

原子系が光を生成するかどうかは、物質内にどの原子が多いかによって決まります。生成が起こるためには、上位準位の原子の数Ｎｍが、遷移が発生する下位準位の原子の数Ｎｎよりも多いことが必要である。

もちろん、遷移が可能なレベルのペアのみを使用できます。任意の 2 つのレベル間のすべての移行が自然に許可されるわけではありません。自然条件下では、どの温度においても、低いレベルよりも高いレベルの方が粒子が少なくなります。したがって、どのような物体でも、どれほど強く加熱されても、強制遷移中は光の吸収が放射よりも優先されます。

コヒーレント光の生成を励起するには、選択した 2 つのレベルのうち上の方のレベルが下のレベルよりも多くなるように、特別な対策を講じる必要があります。エネルギーの高い準位の原子数が、エネルギーの低い準位の原子数よりも多い物質の状態を活性状態または反転分布（逆転）を伴う状態と呼びます。

したがって、コヒーレント光の生成を励起するには、レベルのペアに反転分布が必要であり、その間の遷移は生成周波数に対応します。

3. レーザーを作成するために解決する必要がある 3 つ目の問題は、フィードバックの問題です。光が原子の放出を制御するためには、放出された光のエネルギーの一部が常に機能物質内部に留まる、いわば「再生」する必要があり、どんどん新しい原子が強制的に光を放出させていきます。これはミラーの助けを借りて行われます。最も単純なケースでは、作業物質は2つのミラーの間に配置され、そのうちの1つは約99.8％の反射係数を持ち、2つ目（出力）は約97〜98％で、誘電体コーティングを使用することによってのみ達成できます. 原子の自発的な遷移の結果として任意の場所で放出された光波は、作用物質を伝搬する際に誘導放出により増幅されます。出力ミラーに到達すると、光は部分的に透過します。光エネルギーのこの部分は、外部のレーザーによって放出され、使用することができます。半透明の出力ミラーから反射された光の一部は、新しい光子の雪崩を引き起こします。この雪崩は、誘導放出の特性により、以前のものと変わらない。

この場合、他の共振器と同様に、共振条件は、整数個の波長が共振器内の二重光路に収まる波に対してのみ満たされます。共振器の軸に沿って伝播する波に対して最も好ましい条件が形成され、レーザー放射の非常に高い指向性が保証されます。

記載された条件の充足は、レーザー生成にはまだ不十分です。光の生成が発生するためには、活性物質のゲインが十分に大きくなければなりません。しきい値と呼ばれる特定の値を超える必要があります。実際、出力ミラーに入射する光束の一部が反射されます。ミラー間の距離の 2 倍 (1 回のパス) での増幅は、出力ミラーに戻される光エネルギーが前回よりも少なくならないようにする必要があります。そうして初めて、光の波は通路から通路へと成長し始めます。そうでない場合、出力ミラーは 2 番目のパスで前の時点よりも低いエネルギーに到達し、3 番目のパスではさらに低いエネルギーに到達します。減衰プロセスは、光束が完全に消えるまで続きます。出力ミラーの反射係数が低いほど、作業物質が持つ必要がある閾値増幅が大きくなることは明らかです。したがって、ミラーは損失の原因のリストの最初に来ます。

そこで、コヒーレント光源を作成するために必要な条件を簡単に定式化しましょう。

· 逆母集団を持つ作用物質が必要です。そうして初めて、強制遷移による光の増幅が可能になります。

· 作業物質は、フィードバックを提供するミラーの間に配置する必要があります。

· 作業物質によって与えられるゲイン。これは、作業物質内の励起原子または分子の数が、出力ミラーの反射係数に依存するしきい値よりも大きくなければならないことを意味します。

この3つの条件が揃うと、レーザーと呼ばれるコヒーレント光を発生できるシステムができあがります。

3. ガスレーザー

ガスレーザーと呼ばれ、活性媒体はガス、複数のガスの混合物、またはガスと金属蒸気の混合物です。

気体活性媒体の特徴。

ガスレーザーの媒質には、いくつかの注目すべき特性があります。まず第一に、気体媒体のみが、スペクトルの真空 UV 領域から IR (基本的にはマイクロ波) 範囲までの広いスペクトル範囲で透明になることができます。その結果、ガスレーザーは広範囲の波長で動作します。

さらに遠く。固体や液体と比較して、気体は密度が大幅に低く、均一性が高くなります。したがって、ガス中の光ビームは、歪みや散乱が少なくなります。これにより、レーザー放射発散の回折限界に到達しやすくなります。低密度では、ガスはスペクトル線のドップラー広がりによって特徴付けられます。その値は、凝縮された媒体の発光線の幅と比較して小さいです。これにより、ガスレーザーの放射の高い単色性を達成することが容易になります。

知られているように、自己励起の条件を満たすためには、レーザー共振器の 1 回の通過中の活性媒体の利得が損失を上回らなければなりません。気体では、活性媒質に直接非共鳴エネルギー損失がないため、この条件の実現が容易になります。損失が 1% を大幅に下回るミラーを製造することは技術的に困難です。したがって、ゲインは 1% より大きくなければなりません。たとえば、活性媒体の長さを長くすることによって、ガスでこの要件を満たすのが比較的容易であることは、広範囲の波長で多数のガスレーザーが存在することを説明しています。

同時に、気体の密度が低いため、固体の特徴である高密度の励起粒子が得られません。

したがって、ガスレーザーの比エネルギー出力は、凝縮物質レーザーのエネルギー出力よりも大幅に低くなります。

ガスの特異性は、反転分布を作成するために使用されるさまざまな物理プロセスにも表れています。これらには、放電における衝突中の励起、ガス力学的プロセスにおける励起、化学励起、光ポンピング (レーザー放射による)、および電子ビーム励起が含まれます。

このホワイトペーパーの後半で詳しく説明するレーザーでは、励起は放電によって行われます。

4. ヘリウムネオンレーザー

ヘリウム-ネオン混合レーザーは、Ne 原子の 2S 準位と 2P 準位の間の遷移の結果として、1.15 μm の波長からの放射が発生する最初の連続波レーザーでした。

その後、Ne の他の遷移を使用して、n = 0.6328 μm および n = 3.39 μm でのレーザー発振が得られました。

この動作は、図 3 を使用して説明できます。通常、ヘリウム (1 mmHg) とネオン (0.1 mmHg) を含む混合ガスでは、直流または高周波放電が発生します。

図3

電場によって加速された電子は、ヘリウム原子をさまざまな励起状態に移動させます。基底状態への励起原子の通常のカスケード緩和の間、それらの多くは長寿命の準安定準位 2(3)S 2(1)S に蓄積し、その寿命はそれぞれ 10 -4 秒と 5*10 -6 秒です。これらの準安定準位は、Ne の 2S および 3S 準位とエネルギーがほぼ一致するため、励起を Ne 原子に伝達できます。基底状態にあり、それらとエネルギーを交換します。わずかなエネルギーの差 (2S 準位の場合は ?400 cm -1 ) が、衝突後の原子の運動エネルギーに変換されます。これは、He-Ne システムの主要なポンピングメカニズムです。

1. 波長 0.6328 μm で生成。上のレーザーレベルは 3S ネオンレベルの 1 つで、下のレーザーレベルは 2P グループに属します。下部 2P レベルは、約 10 -8 秒の時定数で放射的に減衰します。長寿命の 1S 状態になります。この時間は、上部 3S レーザーレベルの寿命 (10 -7 秒) よりもはるかに短いです。したがって、3S–2P遷移における反転分布の条件が満たされます。

レベル 1S は重要です。この準位の寿命が長いため、下位の 2P レーザー準位からの放射遷移の間、原子はその上にとどまります。 1S 状態の原子は放電電子と衝突し、励起されて 2P レーザー準位に戻ります。これにより、反転が減少します。 1S 状態の原子は、主に放電管の壁との衝突時に緩和して基底状態に戻ります。このため、0.6328 µm 遷移でのゲインは、チューブ径の減少とともに増加します。

2. 波長 1.15 μm で生成。 2S ネオンの上部レーザー準位は、ヘリウムの準安定 2 3 S 準位との共鳴 (つまり、内部エネルギー保存) 衝突中にポンピングされます。下位レベルは、0.6328 μm 遷移での生成の場合と同じです。これは、壁との衝突に対するネオン 1S レベルの人口の依存にもつながります。

3. 波長 3.39 μm で生成。これは、ネオン原子の 3S-3P 遷移によるものです。現在、上部レーザーレベルは生成時と同じで、波長は 0.6328 μm です。この遷移で、小信号 1 の光ゲインは約 50 dB/m に達します。この大きなゲインは、3P 準位の短い寿命によって部分的に説明されます。これにより、大きな反転を作成できます。この遷移でのゲインが高いため、波長 3.39 µm での生成は、波長 0.6328 µm での生成を防ぎます。これは、3.39 µm 遷移のしきい値条件に最初に達したためです。これが発生すると、ゲイン飽和が 3S レベルの人口のさらなる増加を妨げ始めます。波長が 0.6328 μm のレーザーでは、これは、光ビームに追加の要素を導入することによって対処されます。たとえば、ガラスまたは石英のブリュースターウィンドウは、波長 3.39 μm の放射線を強く吸収し、0.6328 μm から透過します。この場合、ｎ＝３．３９μｍで発振する閾値励起レベルは、発振レベルよりも０．６３２８μｍ高くなる。

これは、レーザーキャビティ内の放電領域を 1 回のパスで伝搬する非常に弱い波の増幅について話しています。レーザーでは、パスゲインは、パスロスと等しくなるまで飽和によって減少します。

5. Gヘリウムネオンレーザー式 LG-36a

ヘリウムネオンレーザーでは、作動ガス混合物はガス放電管 (図 4) 内にあり、その長さは 0.2 ～ 1 m に達することがあります。

チューブは高品質のガラスまたは石英でできています。発電量はチューブ径に大きく依存します。直径の増加は作動混合物の体積の増加につながり、それは発電力の増加に貢献します。しかし、チューブの直径が大きくなると、プラズマの電子温度が低下し、ガス原子を励起できる電子の数が減少します。これは最終的に発電力を低下させます。損失を減らすために、ガス放電管の端は、管軸に対して垂直に配置されていない平行平面プレートで閉じられていますが、このプレートの法線が角度 i B \u003d arctg n (n はブリュースター角と呼ばれます。角度 i B での異なる媒体間の界面からの電磁波の反射の特性は、レーザー技術で広く使用されています。ブリュースター角でアクティブな媒体を持つセルの出口ウィンドウを設定すると、レーザー放射の偏光が一意に決まります。入射面で偏光された放射の場合、共振器での損失は最小限です。当然のことながら、レーザーで確立され、支配的なのは、この直線偏光放射です。

ガス放電管は、干渉コーティングを施したミラーで形成された光共振器内に配置されます。ミラーはフランジに固定されており、その設計により、調整中に調整ネジを回転させることにより、ミラーを2つの相互に垂直な平面で回転させることができます。混合ガスの励起は、電源から電極に高周波電圧を印加することにより行われます。電源は、数十ワットの電力で約 30 MHz の周波数の電磁振動を生成する高周波発生器です。

ガスレーザーには、安定化整流器を使用して得られる1000〜2000 Vの電圧で直流が広く供給されています。この場合、ガス放電管には、加熱または冷陰極および陽極が設けられる。管内の放電を開始するために、約12 kVのパルス電圧が印加される電極が使用されます。この電圧は、パルストランスの一次巻線を介して 1 ～ 2 マイクロファラッドのコンデンサを放電することによって得られます。

ヘリウムネオンレーザーの利点は、放射のコヒーレンス、低消費電力 (8 ～ 10 W)、および小型です。主な欠点は、効率が低い (0.01 ～ 0.1%) ことと、60 mW を超えない低出力電力です。これらのレーザーは、数マイクロ秒の持続時間を持つ大振幅のパルス電圧が励起に使用される場合、パルスモードでも動作できます。

6. Ge アプリケーション医学におけるリチウムネオンレーザー

前述のように、ヘリウムネオンレーザーは幅広い用途を持っています。この作品では、このレーザーの医療への応用を考えたいと思っています。つまり、ヘリウムネオンレーザーを使用して、人間のパフォーマンスを回復および改善します。

レーザーは、20 年以上にわたって医療に使用されてきました。この期間中、レーザー放射を使用した研究は、生物医学科学の専門分野で具体化されました。これには、比較的強力なレーザー放射による病理病巣の組織の破壊と、低エネルギー放射による生体刺激効果の2つの主要な分野が含まれます。

研究によると、ヘリウムネオンレーザーは生体に刺激効果をもたらし、微生物からの傷を浄化し、上皮化を促進し、高血圧患者の中枢神経系と脳循環の機能パラメーターを改善します。脊椎の骨軟骨症患者の痛みの停止または軽減を引き起こします。

多くの研究者は、これが人間の状態の自己調整の必要性によるものである場合、レーザー放射によってもたらされるエネルギーが「需要がある」ことを示しています。これにより、レーザー放射は刺激的でも刺激的でもなく、正常化する非ピンギング特性を持っていると信じる権利が与えられます.

医学の候補者であるT.I.准教授によって行われた研究をより詳細に考えてみましょう。 Dolmatova、G.L. Shreiberg、生物科学の候補者、N.I. 准教授全ロシア体育研究所の体育のモスクワ州立アカデミーのツイン。彼らは、体の表面にある生物活性点 (BAP) にレーザー光線を局所的に作用させました。 BAT のヘリウムネオンレーザーがスポーツで使用され、運動後の回復過程と放射線の影響が研究されました。レーザー照射はAG-50装置で行い、その波長は632A、照射出力は10mV、照射面積は0.5cm2であった。照射点 - 「ヘグ」 2 、「ジュサンリ」、露光時間 - 各対称点で 2.0 分、合計露光時間 - 10 分、手順は 10 日間毎日実行されました。

アスリートは、運動前にヘリウムネオンレーザーを照射されました。 5 日目には、運動後の回復が改善され、大きなウェイトを使ったトレーニングへの耐性も向上しました。ヘリウムネオンレーザーにさらされて 10 日目までに、アスリートの健康状態は良好なままで、喜んでトレーニングし、負荷にも十分耐えました。彼らはまた、運動直後の回復期間中にレーザーで行動し、研究は、回復、リラクゼーション、良い睡眠が放射線にさらされていない場合よりも早く発生し、心拍数の減少と最大および最小血圧の低下があったことを示しました.

したがって、ヘリウムネオンレーザー照射を受けたすべてのアスリートは、トレーニングセッションのサイクル中にスポーツパフォーマンスがより顕著に向上し、放射線にさらされなかった場合よりも回復がはるかに進んだ.

ヘグポイントは、握り締めた人差し指と親指の間の折り目の上部にあります。

7. フクロウに関するいくつかの情報ベルトヘリウムネオンレーザー

最も一般的なのは、ミラーと高電圧電源を内蔵した密閉型 He-Ne プラズマチューブです。外部ミラーを備えた実験用 He-Ne レーザーも存在しますが、高価です。

波長:

· 赤 632.8 nm (実際には橙赤色に見える) が現在最も一般的です。

オレンジ 611.9 nm

イエロー 594.1 nm

緑 543.5 nm

· IR 1523.1 nm (これらも存在しますが、効率が低く、同じビーム出力に対してより高価です)。

ビーム品質:

異常に高い。出力放射は光学系を追加しなくても良好にコリメートされ、優れたコヒーレンス長 (10 cm から数メートル以上) を備えています。ほとんどの小型チューブは、単一横モード (TEM00) で動作します。

出力電力:

0.5 ～ 35 mW (最も一般的) で、250 mW 以上のものがあります。

いくつかの用途:

工場設定と測定; 血球の計数と分析; 手術中の医療指導および観察（高出力レーザーの場合）; 高解像度の印刷、スキャン、デジタル化。バーコードスキャナー; 干渉測定と速度測定。非接触測定とモニタリング; 一般的な光学とホログラフィー; レーザーショー; レーザーディスクおよびその他の記憶媒体。

価格：

サイズ、品質、状態 (新品かどうか) に応じて、25 ドルから 5,000 ドル以上。

利点:

安価で、部品が広く入手可能で、信頼性が高く、長持ちします。

8. 参考文献

1. NV Karlov 量子物理学に関する講義。 314秒。

2. A. S. ボレイショレーザー: デバイスとアクション。サンクトペテルブルク 1992. 214p.

3. A. Yariv 光エレクトロニクスの紹介。「ハイスクール」、モスクワ、1983年、398ページ。

4. Yu. V. Baiborodin レーザー技術の基礎。「ハイスクール」1988.383p.

Allbest.ruでホスト

類似文書

ヘリウムネオンレーザーの一般的な特性、その設計と主なパラメーターの計算: 活性媒体のゲイン、最適な電流、キャビティ長、ビームウエスト半径、有効ビーム断面積、ポンプ出力と効率。

テスト、2013 年 7 月 24 日追加

レーザーの動作原理の基礎。レーザーの分類とその主な特徴。商品のマーキングにおけるレーザーの使用。活性物質の励起方法。レーザービームの発散。波長範囲。レーザーの応用分野。

クリエイティブ作品、2015 年 2 月 24 日追加

原子吸光測定の理論：光の放出と吸収、吸収線と吸収係数の概念、吸収線の輪郭。レーザーの動作原理。ヘリウムネオンレーザーの動作の説明。有機染料のレーザー。

要約、追加 03.10.2007

光量子発生器またはレーザーの作成は、物理学における大きな発見です。レーザーの動作原理。誘導放出と自然放出。ガス、連続半導体、ガスダイナミック、ルビーレーザー。レーザーの応用分野。

プレゼンテーション、2016 年 9 月 13 日追加

レーザー誕生の歴史。レーザーの動作原理。レーザー放射のいくつかのユニークな特性。さまざまな技術プロセスにおけるレーザーの応用。宝石業界、コンピューター技術におけるレーザーの使用。レーザー光線の威力。

要約、2014 年 12 月 17 日追加

レーザーは、可視および赤外線の範囲で放出する量子発生器です。レーザー装置のスキームとその動作原理。デバイスの一時的な動作モード、エネルギー供給の頻度。科学技術のさまざまな分野でのレーザーの使用。

要約、2011 年 2 月 28 日追加

概念、機能によるレーザーの分類、主なパラメーターの特性、それらの利点。ミラーの外部配置を備えたレーザーの設計の理由。活性媒質の生成に寄与するガス放電における物理的プロセスの説明。

要約、2011 年 1 月 13 日追加

半導体材料と放射線源の特性。ソースをファイバーに接続します。シングルモードレーザーの設計、DBRレーザーの特徴。ファブリペロー共振器を備えたマルチモードレーザーのパラメーターの計算。発光ダイオード (LED)。

要約、2011 年 6 月 11 日追加

最も単純な固体レーザーのデバイスと目的。ルビー、モリブデン酸塩、ガーネットからの製造。結晶の光学的性質と光発生の特徴についての知識。パルスレーザーのエネルギー特性の決定。

要約、2011 年 10 月 12 日追加

電磁放射発生器の作成の歴史に関する知識。電気回路の説明と半導体レーザーの動作原理の研究。物質に影響を与え、情報を伝達するためのレーザーの使用方法の検討。

ドイツの LSS 社が製造するガスヘリウムネオンレーザー (He-Ne レーザー) は、堅牢な設計、優れたビーム品質、および最大 20,000 時間という長い耐用年数を備えています。ヘリウムネオンレーザーシリーズは、シングルモードとマルチモードのさまざまなレーザーモデルで代表され、出力は 0.5 ～ 35 mW で、赤、緑、黄色のスペクトル範囲で発光します。教育および科学目的のブリュースターウィンドウレーザー管もあります。

すべてのモデルに電源が装備されています。 LGK シリーズのガスイオンアルゴンレーザーは、印象的な世界標準のリストを満たし、CDRH、IEC、CSA、CE、TUV、UL によって認定されています。 LSS は、自社生産の世界中のレーザーに効率的なサポートを提供し、レーザー管の交換のための便利で迅速なサービスを顧客に提供します。シリアルモデルに加えて、同社はカスタムメイドのレーザーシステムを製造しています。

ヘリウムネオンレーザーは、走査顕微鏡法、分光法、計測学、工業計測、位置決め、位置合わせ、照準、テスト、コード検証、科学、基礎、医学研究、教育目的など、幅広い用途向けに設計されています。

レーザーモジュールの仕様

以下の表は、レーザーの主な特性を示しています。以下のすべての項目について、記載されている仕様は標準モデルの総合性能です。個々の特性は、特定のアプリケーション向けに最適化できます。特別なご要望がある場合は、当社のコンサルタントにお問い合わせください。

レーザー管の仕様

電源仕様

LGKシリーズのガスイオンアルゴンレーザーは全機種LSS製電源ユニットを搭載。

最も一般的なガスレーザーは、ヘリウムネオン ( ヘネ) レーザー (中性原子レーザー)、10:1 の比率のヘリウムとネオンの混合物で動作します。このレーザーは、最初の連続レーザーでもあります。

ヘリウム準位とネオン準位のエネルギースキームを考えてみましょう (図 3.4)。生成はネオンレベル間で行われ、ポンピングプロセスを実行するためにヘリウムが追加されます。図からわかるように、レベルは 2 3 S 1と 2 1 S 0ヘリウムは、それぞれ、レベルの近くに位置しています 2秒と 3秒彼女ではありません。ヘリウムレベルだから 2 3 S 1と 2 1 S 0準安定である場合、励起された準安定ヘリウム原子がネオン原子と衝突すると、ネオン原子への共鳴エネルギー移動が発生します (第 2 種の衝突)。

だからレベル 2秒と 3秒ネオンを配置できるため、これらのレベルから生成を進めることができます。一生 s-状態 ( ts» 100 ns) はるかに長い寿命 R-状態 ( t p»10 ns) であるため、レーザーが 4 レベルスキームに従って動作するには、次の条件が満たされます。

1 1 S z (3s, 2s) z(3p,2p) z 1s .

トランジションの 1 つでレーザー生成が可能 a, b, c波長によるラ=3.39μm、 ポンド=0.633μm、 l s=1.15 μm、これは、共振器ミラーの反射係数を選択するか、分散要素を共振器に導入することによって取得できます。

米。 3.4。ヘリウムとネオンのエネルギー準位のスキーム。

このようなレーザーの発生特性を考えてみましょう。

図 3.5. ヘリウムネオンレーザーの発生特性。

ポンプ電流の増加に伴う出力電力の初期増加は、反転分布によって説明されます。最大出力に達した後、ポンプ電流がさらに増加すると、曲線は減少し始めます。これは、2p と 1s レベルがリラックスする時間がないという事実によって説明されます。電子は低エネルギー準位に行く時間がなく、隣接する 2p 準位と 1s 準位の電子数は同じになります。この場合、反転はありません。

ヘリウムネオンレーザーの効率は 0.1% のオーダーであり、これは励起粒子の体積密度が低いことによって説明されます。標準出力電力ヘネ-レーザ P~5-50 mW、発散 q~1 ミリラジアン。

アルゴンレーザー

これらは、イオンガスレーザーに関連する可視および近紫外スペクトル領域で最も強力な連続波レーザーです。作動ガスの上部レーザーレベルは、放電中に電子が 2 回連続して衝突することで生成されます。最初の衝突では中性原子からイオンが形成され、2 回目の衝突ではこれらのイオンが励起されます。したがって、ポンピングは 2 段階のプロセスであり、それぞれの効率は電流密度に比例します。効率的なポンピングには、十分に高い電流密度が必要です。

上のレーザーエネルギー準位図 Ar +図に示す。 3.3. 454.5 nm から 528.7 nm の間の線でのレーザー発光は、準位のグループが存在する場合に発生します。 4p基底状態または準安定状態の電子衝撃による励起による Ar + .

3.5 CO 2 レーザー

分子 CO2-レーザーは、電気エネルギーを放射エネルギーに変換する効率が最も高い (15 ～ 20%) ため、ガスレーザーの中で最も強力な cw レーザーです。レーザーの生成は振動-回転遷移で発生し、これらのレーザーの輝線は遠赤外線領域にあり、波長は 9.4 μm と 10.4 μm にあります。

で CO2レーザーはガスの混合物を使用します CO2, N 2と彼. ポンピングは、分子の衝突中に直接実行されます CO2電子と振動励起分子 N 2. 混合物中の He の熱伝導率が高いため、冷却が促進されます。 CO2、これは、熱励起の結果として取り込まれたより低いレーザーレベルの枯渇につながります。だから存在感 N 2混合物中のレーザーレベルの高い人口、および存在に貢献します彼– 下位レベルの枯渇、およびその結果、一緒になって反転分布の増加につながります。エネルギー準位図 CO2-レーザーは図に示されています。 3.4。レーザー生成は、分子の振動状態間の遷移中に実行されます CO 2 n 3 6月1日また n 3 6月2日回転状態の変化。

米。 3.4。エネルギー準位図 N 2と CO2の CO2-レーザ。

CO2レーザーは、連続モードとパルスモードの両方で動作できます。連続モードでは、その出力電力は数キロワットに達することがあります。

この作業の目的は、ヘリウムガスとネオンガスの混合物が活性物質として使用されるガスレーザーの主な特性とパラメーターを研究することです。

3.1. ヘリウムネオンレーザーの動作原理

ヘリウムネオンレーザーは、代表的で最も一般的なガスレーザーです。それは原子ガスレーザーに属し、その活性媒体は不活性ガスの中性（非イオン化）原子 - ヘリウムとネオン - の混合物です。ネオンは作動ガスであり、そのエネルギーレベル間で遷移が発生し、コヒーレントな電磁放射が放出されます。ヘリウムは補助ガスの役割を果たし、ネオンの励起と反転分布の作成に貢献します。

どのレーザーでも生成を開始するには、次の 2 つの重要な条件を満たす必要があります。

1. 動作中のレーザーレベル間に反転分布が存在する必要があります。

2. 活性媒体のゲインは、放射出力の「有用な」損失を含む、レーザーのすべての損失を上回っている必要があります。

システムに 2 つのレベルがある場合え 1 とえ 2 それぞれの粒子の数 N 1 と N 2 と縮退度 g 1 と g 2 の場合、母集団が N 2 /g 2つのトップレベルえ 2 人口が増える N 1 /g 1 下位レベルえ 1 、つまり反転度 Δ N正になります：

レベルならえ 1 とえ 2 が縮退していない場合、反転が発生するためには、粒子の数が N 2 最上位レベルえ 2 は粒子の数より多かった N 1 下のレベルでえ 1 。反転分布の形成と、コヒーレント電磁放射の放出を伴う強制遷移の発生が可能なレベルは、 ワーキングレーザーレベル.

反転分布状態は、次を使用して作成されます。 ポンピング– さまざまな方法によるガス原子の励起。と呼ばれる外部ソースのエネルギーにより、 ポンプ源、地上エネルギー準位からの Ne 原子え熱力学的平衡状態に対応する 0 は、励起状態 Ne* になります。ポンプ強度に応じて、さまざまなエネルギーレベルへの遷移が発生する可能性があります。次に、より低いエネルギーレベルへの自発的または強制的な移行があります。

ほとんどの場合、システム内のすべての状態間のすべての可能な遷移を考慮する必要はありません。これにより、2 レベル、3 レベル、および 4 レベルのレーザー動作スキームについて話すことができます。レーザー操作方式のタイプは、使用される励起方法だけでなく、活性媒体の特性によっても決定されます。

ヘリウムネオンレーザーは、図に示すように 3 レベル方式で動作します。 3.1. この場合、放射を励起および生成するためのチャネルは部分的に分離されています。活性物質をポンピングすると、地上レベルからの遷移が発生しますえ 0～興奮レベルえ 2 、これは作業レベル間の人口反転の出現につながりますえ 2 とえ 1 。作業レベルの反転分布を持つ状態にある活性媒体は、周波数を持つ電磁放射を増幅することができます
誘導放出プロセスによるものです。

米。 3.1. ヘリウムネオンレーザーの動作を説明する、作動ガスと補助ガスのエネルギー準位の図

ガス中のエネルギー準位の広がりは小さく、広い吸収帯がないため、光放射を使用して逆数を取得することは困難です。ただし、ガスでは他のポンピング方法が可能です。原子の衝突による直接電子励起と共鳴エネルギー移動です。電子との衝突による原子の励起は、電子が電界によって加速される放電で最も簡単に実行できます。大きな運動エネルギーを得ることができます。電子と原子の非弾性衝突では、後者は励起状態になりますえ 2:

プロセス (3.4) が共鳴特性を持つことが重要です。異なる原子の励起エネルギー状態が一致する場合、つまり共鳴状態にある場合、エネルギー移動の確率は最大になります。

He と Ne のエネルギー準位と主な動作遷移を図 1 に詳細に示します。 3.2. 気体原子と高速電子 (3.2) および (3.3) との非弾性相互作用に対応する遷移は、上向きの点線矢印で示されています。電子衝突の結果、ヘリウム原子は準安定である 2 1 S 0 および 2 3 S 1 準位に励起されます。ヘリウムの基底状態 1 S 0 への放射遷移は、選択規則によって禁止されています。励起された He 原子が基底状態 1 S 0 の Ne 原子と衝突すると、励起移動 (3.4) が可能になり、ネオンは 2S または 3S 準位のいずれかに移動します。この場合、補助ガスと作動ガスの基底状態と励起状態の間のエネルギーギャップが互いに近いため、共鳴条件が満たされます。

ネオンの 2S および 3S レベルから 2P および 3P レベルへの放射遷移が発生する可能性があります。 He 原子からこれらの準位へのエネルギーの直接移動がないため、P 準位は上位の S 準位よりも人口が少ない。さらに、準位 P の寿命は短く、非放射遷移 P → 1S は準位 P を空にします。したがって、状況 (3.1) は、上位準位 S の人口が下位準位 P の人口よりも高い場合に発生します。つまり、レベル S と P の間に反転分布があります。これは、それらの間の遷移をレーザー生成に使用できることを意味します。

S準位とP準位の数が多いため、それらの間の異なる量子遷移の大規模なセットが可能です。特に、4 つの 2S レベルから 10 の 2P レベルまで、選択規則によって 30 の異なる遷移が許可され、そのほとんどが生成されたものです。 2S → 2P 遷移中の最も強い輝線は、1.1523 μm 線 (スペクトルの赤外領域) です。 3S→2Р 遷移の場合、最も重要な線は 0.6328 µm (赤色の領域) であり、3S→3Р – 3.3913 µm (IR 領域) の場合です。自然放出は、記載されているすべての波長で発生します。

米。 3.2. ヘリウム原子とネオン原子のエネルギー準位と He-Ne レーザーの動作スキーム

前述のように、P レベルへの放射遷移の後、P → 1S 遷移中に非放射放射減衰が発生します。残念ながら、ネオン 1S のレベルは準安定であり、ガス混合物に他の不純物が含まれていない場合、ネオン原子がレベル 1S から基底状態に遷移する唯一の方法は、容器の壁との衝突です。このため、放電管の直径が小さくなると、システムのゲインが増加します。ネオンの 1S 状態はゆっくりと枯渇するため、Ne 原子はこれらの状態に保持されます。これは非常に望ましくなく、このレーザーの多くの特徴を決定します。特に、ポンプ電流がしきい値を超えて増加すると、 j次に、レーザー放射のパワーが急速に増加し、飽和し、さらには減少します。これは、1Sレベルでの作業粒子の蓄積と、電子との衝突による2Pまたは3P状態への移行によるものです。これにより、高出力の放射電力を得ることができなくなります。

逆母集団の発生は、混合物中の He と Ne の圧力と電子温度に依存します。ガス圧力の最適値は、He で 133 Pa、Ne で 13 Pa です。電子温度は、ガス混合物に印加される電圧によって与えられます。通常、この電圧は 2 ～ 3 kV のレベルに維持されます。

レーザーを生成するには、レーザーに正のフィードバックが存在する必要があります。そうでない場合、デバイスは増幅器としてのみ機能します。これを行うために、活性ガス媒体が光共振器内に配置される。フィードバックを作成することに加えて、共振器を使用して発振の種類を選択し、生成波長を選択します。これらには、特別な選択ミラーが使用されます。

しきい値に近いポンプレベルでは、1 つのタイプの発振でのレーザー発振は比較的簡単です。興奮のレベルが上がると、特別な対策が講じられなければ、他の多くのモードが発生します。この場合、発生は原子線の幅内に含まれる共振器の共振周波数に近い周波数で発生します。軸方向の振動 (TEM 00 モード) の場合、隣接する最大値間の周波数距離
、どこ Lは共振器長です。いくつかのモードが同時に存在する結果、発光スペクトルにビートと不均一性が生じます。軸モードのみが存在する場合、スペクトルは別々の線になり、その間の距離は次のようになります。 c / 2L. しかし、共振器内で非軸タイプの振動、たとえば TEM 10 モードを励起することも可能であり、その存在はミラーのチューニングに大きく依存します。したがって、追加の衛星線が放射スペクトルに現れ、軸方向の振動の両側で周波数が対称的に配置されます。ポンプレベルの増加に伴う新しいタイプの振動の出現は、放射場の構造を視覚的に観察することで簡単に判断できます。コヒーレント放射モードの構造に対する共振器の配置の影響を視覚的に観察することもできます。

ガスは、凝縮された媒体よりも均質です。したがって、ガス中の光ビームは歪みや散乱が少なく、ヘリウムネオンレーザーの放射は、回折現象により限界に達する良好な周波数安定性と高い指向性を特徴としています。共焦点共振器の発散の回折限界

ここで、λ は波長です。 d 0 は、光線の最も狭い部分の直径です。

ヘリウムネオンレーザーの放射は、高度な単色性とコヒーレンスによって特徴付けられます。このようなレーザーの発光線の幅は、スペクトル線の「自然な」幅よりもはるかに狭く、最新の分光計の限界分解能よりも何桁も小さくなっています。したがって、それを決定するために、放射線のさまざまなモードのビートのスペクトルが測定されます。さらに、このレーザーの放射は、共振器の光軸に対してブリュースター角で配置されたウィンドウの使用により平面偏光されます。

放射線のコヒーレンスの証拠は、光源の異なる点から受けた放射線の重ね合わせにおける回折パターンの観察である可能性があります。たとえば、コヒーレンスは、複数のスロットからなるシステムからの干渉を観察することによって推定できます。ヤングの経験から、通常の「古典的な」光源からの光の干渉を観察するために、放射が最初に 1 つのスリットを通過し、次に 2 つのスリットを通過し、次にスクリーン上に干渉縞が形成されることが知られています。レーザー放射を使用する場合、最初のスリットは不要であることがわかります。この状況は基本的です。さらに、2 つのスリット間の距離とその幅は、従来の実験よりも計り知れないほど大きくなる可能性があります。ガスレーザーの出射窓には 2 つのスリットがあり、その間の距離は 2 a. 入射放射線がコヒーレントである場合、離れた場所にあるスクリーンで dスリットから干渉パターンが観察されます。この場合、バンドの最大値 (最小値) 間の距離

ヘリウムネオンレーザー装置

ヘリウムネオンレーザーの作動媒体は、ヘリウムとネオンを 5:1 の比率で混合したもので、低圧 (通常は約 300 Pa) のガラスフラスコ内にあります。ポンプのエネルギーは、フラスコの端にある約 1000 ～ 5000 ボルトの電圧 (チューブの長さによる) の 2 つの放電器から供給されます。このようなレーザーの共振器は、通常、バルブの片側と2番目の側が完全に不透明な2つのミラーで構成され、デバイスの出力側で入射放射の約1％を通過します。

ヘリウムネオンレーザーはコンパクトで、通常の共振器サイズは 15 cm ～ 2 m で、出力は 1 ～ 100 mW です。

動作原理

ヘリウムネオンレーザー。中央の光るビームは放電です。

こちらもご覧ください

ウィキメディア財団。 2010 .

他の辞書で「ヘリウムネオンレーザー」とは何かを参照してください。

ヘリウムネオンレーザー- helio neolazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. ヘリウムネオンレーザー vok。ヘリウムネオンレーザー、m rus。ヘリウムネオンレーザー、m pranc。ヘリウムとネオンのレーザー混合物、m; レーザーヘリウムネオン、m … Radioelectronics terminų žodynas

核励起レーザーは、活性媒体が核放射線 (ガンマ量子、核粒子、核反応生成物) によって励起されるレーザーデバイスです。このようなデバイスの放射波長は、... ... ウィキペディア

この用語には他の意味があります。レーザー (意味) を参照してください。レーザー（NASA研究所）…ウィキペディア

強力な光放射源である量子発生器 (レーザーは、誘導放出による光増幅という表現の略語です)。レーザーの動作原理は以前に作成したものと同じですが…… コリアー百科事典

原子および分子の誘導放出 (誘導放出を参照) に基づく、可視、赤外、および紫外範囲の電磁放射源。「レーザー」という言葉は言葉の頭文字(略称)で構成されており……

ガス状活性媒体によるレーザー。アクティブなガスを含むチューブは、最も単純なケースでは 2 つの平行ミラーで構成される光共振器内に配置されます。そのうちの1つは半透明です。チューブのどこかで放出されて…… 偉大なソビエト百科事典

光量子。ガス状の活性媒体を備えた発電機。ガス、エネルギー内線を犠牲にしてキロムで。ソース(ポンプ)、2つのエネルギー準位(レーザーの上下準位)の反転分布で状態を作り、光学的に配置し…… 百科事典

レーザー (NASA 研究所) レーザー (英語のレーザー、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation の略「Lightamplification by Stimulated Emission」) 誘導 (stimulated) の量子力学的効果を利用したデバイス ... ウィキペディア