Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Hostené na http://www.allbest.ru/

1. Úvod

2. Princíp činnosti laserov

3. Plynové lasery

4. Hélium-neónový laser

5. Hélium-neónový laser typu LG-36a

6. Aplikácia hélium-neónového lasera v medicíne

7. Niekoľko informácií o moderných héliovo-neónových laseroch

8. Zoznam použitej literatúry

1. Úvod

Modernými zdrojmi koherentného žiarenia sú lasery alebo optické kvantové generátory. Ich vytvorenie bolo jedným z najdôležitejších úspechov fyziky dvadsiateho storočia. Lasery našli pomerne široké uplatnenie takmer vo všetkých oblastiach vedy, ako aj techniky, medicíny a vojenských záležitostí.

Poďme sa trochu ponoriť do histórie:

Myšlienka študovať výboje plynu kvôli pozorovaniu stimulovanej emisie na začiatku 20. storočia nikoho nenapadla - veď vedci ešte netušili o jej existencii.

V roku 1913 Albert Einstein vyslovil hypotézu, že žiarenie by sa mohlo generovať vo vnútri hviezd pôsobením sily fotónov. V klasickom článku „The Quantum Theory of Radiation“, publikovanom v roku 1917, Einstein nielenže odvodil existenciu takéhoto žiarenia zo všeobecných princípov kvantovej mechaniky a termodynamiky, ale tiež dokázal, že má rovnaký smer, vlnovú dĺžku, fázu a polarizáciu. , teda koherentne vynucujúce žiarenie. A o desať rokov neskôr Paul Dirac tieto závery dôsledne zdôvodnil a zhrnul.

Prvé pokusy.

Práca teoretikov nezostala nepovšimnutá. V roku 1928 Rudolf Ladenburg, riaditeľ oddelenia atómovej fyziky Ústavu pre fyzikálnu chémiu a elektrochémiu Spoločnosti cisára Wilhelma, a jeho študent Hans Kopfermann experimentálne pozorovali inverziu populácie pri pokusoch s neónovými trubicami. Ale stimulovaná emisia bola veľmi slabá a bolo ťažké ju rozlíšiť na pozadí spontánnej emisie.

Jedným z pokusov o vytvorenie lasera bola pomerne vážna práca súvisiaca so zosilňovaním optických signálov pomocou stimulovanej emisie. Táto práca bola dizertačná práca Moskovčana Valentina Fabrikanta, publikovaná v roku 1940. V roku 1951 V.A. Fabrikant, F.A. Butaev a M.M. Vudinsky podal prihlášku na vynález nového spôsobu zosilnenia elektromagnetického žiarenia založeného na použití média s inverziou populácie. Žiaľ, toto dielo vyšlo až o 8 rokov neskôr a všimlo si ho málokto a pokusy o zostrojenie operačného optického zosilňovača sa ukázali ako bezvýsledné. Dôvodom bol nedostatok rezonátora.

Cestu k vytvoreniu lasera nenašli optici, ale rádiofyzici, ktorí už dávno dokázali zostrojiť generátory a zosilňovače elektromagnetických kmitov pomocou rezonátorov a spätnej väzby. Boli to oni, ktorí boli predurčení navrhnúť prvé kvantové generátory koherentného žiarenia, len nie svetla, ale mikrovlnného žiarenia.

Možnosť vytvorenia takéhoto generátora si prvýkrát uvedomil Charles Townes, profesor fyziky na Kolumbijskej univerzite. Uvedomil si, že je možné zostrojiť mikrovlnný generátor pomocou zväzku molekúl s niekoľkými energetickými úrovňami. Aby to bolo možné, musia byť oddelené elektrostatickými poľami a vháňať lúč excitovaných molekúl do kovovej dutiny, kde prejdú na nižšiu úroveň a vyžarujú elektromagnetické vlny. Aby táto dutina fungovala ako rezonátor, jej lineárne rozmery sa musia rovnať dĺžke emitovaných vĺn. Towns zdieľal túto myšlienku s postgraduálnym študentom Jamesom Gordonom a výskumným asistentom Herbertom Zeigerom. Za úlohu média zvolili amoniak, ktorého molekuly pri prechode z excitovanej vibračnej hladiny na prízemnú vyžarujú vlny s dĺžkou 12,6 mm. V apríli 1954 Townes a Gordon spustili prvý mikrovlnný kvantový generátor na svete. Townes toto zariadenie nazval maser.

V Laboratóriu kmitov Fyzikálneho ústavu Akadémie vied ZSSR sa rovnakou témou zaoberal vedúci výskumník Alexander Prochorov a jeho postgraduálny študent Nikolaj Basov. V máji 1952 na celozväzovej konferencii o rádiovej spektroskopii vypracovali správu o možnosti vytvorenia kvantového zosilňovača pre mikrovlnné žiarenie pracujúceho na zväzku molekúl rovnakého amoniaku. V roku 1954, krátko po uverejnení práce Townsa, Gordona a Zeigera, publikovali Prochorov a Basov článok, ktorý poskytoval teoretické zdôvodnenie fungovania takéhoto zariadenia. Townesovi, Basovovi a Prochorovovi bola za ich výskum v roku 1964 udelená Nobelova cena.

Od mikrovlniek po svetlo.

Keďže vlnové dĺžky svetla sa merajú v desatinách mikrónu, výroba dutinového rezonátora tejto veľkosti bola nereálna. Pravdepodobne možnosť generovania svetla pomocou makroskopických otvorených zrkadlových rezonátorov prvýkrát realizoval americký fyzik Robert Dicke, ktorý túto myšlienku v máji 1956 formalizoval v patentovej prihláške. V septembri 1957 Townes načrtol do notebooku plán takéhoto generátora a nazval ho optický maser. O rok neskôr Towns spolu s Arturom Shavlovom a nezávisle od nich Prokhorovom publikovali články obsahujúce teoretické zdôvodnenia tejto metódy generovania koherentného svetla.

Samotný pojem „laser“ vznikol oveľa skôr. Táto anglická skratka Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (v doslovnom preklade „zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia“, hoci je stále zvykom nazývať lasery nie zosilňovačmi, ale generátormi žiarenia, nahradenie slova zosilnenie generáciou dáva nevysloviteľný zvuk kombinácia lgser), prišiel s doktorandom Columbia University Gordonom Gouldom, ktorý nezávisle vykonal podrobnú analýzu metód na získanie stimulovanej emisie optického rozsahu.

Prvý funkčný laser pochádzal z rúk Theodora Meimana, zamestnanca Hughes Aircraft Corporation, ktorý si ako aktívne médium zvolil rubín. Meiman si uvedomil, že atómy chrómu oddelené veľkými medzerami nemôžu „svietiť“ o nič horšie ako atómy plynu. Aby získal optickú rezonanciu, naniesol tenkú vrstvu striebra na leštené paralelné konce syntetického rubínového valca. Valec bol vyrobený na mieru spoločnosťou Union Carbide, čo trvalo päť mesiacov, kým sa dokončili. Meiman umiestnil rubínový stĺpec do špirálovej trubice, ktorá dáva jasné záblesky svetla. 16. mája 1960 vypálil prvý laser na svete svoj prvý lúč. A v decembri toho istého roku bol v Bell Labs spustený hélium-neónový laser, ktorý vytvorili Ali Javan, William Bennett a Donald Harriot.

Vedecká hodnota a praktické využitie laserov boli také zrejmé, že sa ich okamžite chopili tisíce vedcov a inžinierov z rôznych krajín. V roku 1961 bol uvedený na trh prvý laser z neodýmového skla, do piatich rokov boli vyvinuté polovodičové laserové diódy, lasery s organickým farbivom, chemické lasery a lasery na oxid uhličitý. V roku 1963 Zhores Alferov a Herbert Kremer nezávisle vyvinuli teóriu polovodičových heteroštruktúr, na základe ktorej neskôr vzniklo mnoho laserov.

Ako už bolo spomenuté vyššie, lasery vstúpili do nášho života a usadili sa v ňom celkom dobre, pričom zaujímajú dobré postavenie v mnohých oblastiach vedy a techniky.

Ako pracovné telesá moderných laserov sa používajú látky v rôznych stavoch agregácie: plyny, kvapaliny, pevné látky.

Chcem sa zamerať na plynové lasery a podrobnejšie študovať laser, ktorého aktívnym médiom je zmes hélia a neónu.

akčný héliový neónový laserový liek

2. Princíp činnosti laserov

Vieme, že ak atóm nachádzajúci sa na úrovni zeme W 1 dostane energiu, potom môže prejsť do jednej z excitovaných úrovní (obr. 1a). Naopak, excitovaný atóm môže spontánne (spontánne) prejsť do niektorej z nižších úrovní, pričom vyžaruje určitú časť energie vo forme kvanta svetla (obr. 1b). Ak k emisii svetla dôjde pri prechode atómu z energetickej hladiny W m na energetickú hladinu W n, potom frekvencia emitovaného (alebo absorbovaného) svetla

n mn \u003d (W m - W n) / h.

Práve tieto spontánne procesy žiarenia sa vyskytujú vo vyhrievaných telesách a svietiacich plynoch. Zahriatie alebo elektrický výboj prenesie niektoré z atómov do excitovaného stavu; prechodom do nižších stavov vyžarujú svetlo. V procese spontánnych prechodov vyžarujú atómy svetlo nezávisle na sebe. Svetelné kvantá sú náhodne vyžarované atómami vo forme vlnových sledov. Vlaky nie sú navzájom časovo koordinované, t.j. majú inú fázu. Preto je spontánna emisia nekoherentná.

Spolu so spontánnou emisiou excitovaného atómu dochádza k stimulovanej (alebo indukovanej) emisii: excitované atómy vyžarujú pôsobením vonkajšieho rýchlo sa meniaceho elektromagnetického poľa, ako je svetlo. Ukazuje sa, že pri pôsobení vonkajšej elektromagnetickej vlny atóm vyžaruje sekundárnu vlnu, pri ktorej sa frekvencia, polarizácia, smer šírenia a fáza úplne zhodujú s parametrami vonkajšej vlny pôsobiacej na atóm. Dochádza k určitému kopírovaniu vonkajšej vlny (obr. 1c). Koncept stimulovanej emisie zaviedol do fyziky A. Einstein v roku 1916. Fenomén stimulovanej emisie umožňuje riadiť emisiu atómov pomocou elektromagnetických vĺn a tým vytvárať a zosilňovať koherentné svetlo.

Aby sa tak stalo, musia byť splnené tri podmienky.

1. Je potrebná rezonancia - zhoda frekvencie dopadajúceho svetla s jednou z frekvencií h mn spektra atómu. O splnenie rezonančnej podmienky sa postarala sama príroda, od r emisné spektrá identických atómov sú absolútne identické.

2. Ďalšia podmienka súvisí s populáciou rôznych úrovní. Spolu so stimulovanou emisiou svetla atómami v hornej hladine Wm dochádza aj k rezonančnej absorpcii atómami obývajúcimi nižšiu hladinu Wn. Atóm nachádzajúci sa na spodnej úrovni W n absorbuje svetelné kvantá, zatiaľ čo sa pohybuje na hornej úrovni W m .

Rezonančná absorpcia zabraňuje tvorbe svetla.

Či systém atómov bude generovať svetlo alebo nie, závisí od toho, ktorých atómov je v látke viac. Aby došlo ku generovaniu, je potrebné, aby počet atómov na hornej úrovni Nm bol väčší ako počet atómov na spodnej úrovni Nn, medzi ktorými dochádza k prechodu.

Samozrejme, môžete použiť len dvojicu úrovní, medzi ktorými je prechod možný, pretože nie všetky prechody medzi akýmikoľvek dvoma úrovňami povoľuje príroda. V prirodzených podmienkach je na vyššej úrovni pri akejkoľvek teplote menej častíc ako na nižšej úrovni. Preto v akomkoľvek tele, bez ohľadu na to, ako silne sa zahrieva, bude pri vynútených prechodoch prevládať absorpcia svetla nad žiarením.

Na vybudenie generovania koherentného svetla je potrebné prijať špeciálne opatrenia, aby horná z dvoch zvolených úrovní bola viac obývaná ako spodná. Stav hmoty, v ktorom je počet atómov na jednej z úrovní s vyššou energiou väčší ako počet atómov na úrovni s nižšou energiou, sa nazýva aktívny stav alebo stav s inverziou populácie (obrátením).

Na vybudenie generovania koherentného svetla je teda potrebná populačná inverzia pre pár úrovní, pričom prechod medzi nimi zodpovedá frekvencii generovania.

3. Tretím problémom, ktorý je potrebné vyriešiť, aby vznikol laser, je problém spätnej väzby. Aby svetlo kontrolovalo emisiu atómov, je potrebné, aby časť vyžarovanej svetelnej energie vždy zostala vo vnútri pracovnej látky, takpovediac na „rozmnožovanie“, čo spôsobuje nútenú emisiu svetla čoraz viac nových atómov. To sa deje pomocou zrkadiel. V najjednoduchšom prípade je pracovná látka umiestnená medzi dve zrkadlá, z ktorých jedno má koeficient odrazu asi 99,8% a druhé (výstup) - asi 97-98%, čo sa dá dosiahnuť iba použitím dielektrických povlakov. . Svetelná vlna vyžarovaná na akomkoľvek mieste v dôsledku spontánneho prechodu atómu je zosilnená v dôsledku stimulovanej emisie, keď sa šíri cez pracovnú látku. Po dosiahnutí výstupného zrkadla ním svetlo čiastočne prejde. Túto časť svetelnej energie vyžaruje laser von a možno ju použiť. Časť svetla odrazená od polopriepustného výstupného zrkadla dáva vznik novej lavíne fotónov. Táto lavína sa nebude líšiť od predchádzajúcej vďaka vlastnostiam stimulovanej emisie.

V tomto prípade, ako v každom rezonátore, je podmienka rezonancie splnená iba pre tie vlny, pre ktoré sa na dvojitú optickú dráhu vo vnútri rezonátora zmestí celý počet vlnových dĺžok. Najpriaznivejšie podmienky sú vytvorené pre vlny šíriace sa pozdĺž osi rezonátora, čo zabezpečuje extrémne vysokú smerovosť laserového žiarenia.

Splnenie opísaných podmienok je pre generovanie lasera stále nedostatočné. Aby mohlo dôjsť k tvorbe svetla, musí byť prírastok účinnej látky dostatočne veľký. Musí prekročiť určitú hodnotu, ktorá sa nazýva prah. V skutočnosti nech sa časť svetelného toku dopadajúceho na výstupné zrkadlo odrazí späť. Zosilnenie pri dvojnásobnej vzdialenosti medzi zrkadlami (jeden prechod) by malo byť také, aby svetelná energia vrátená do výstupného zrkadla nebola menšia ako predtým. Až potom začne svetelná vlna rásť z priechodu do priechodu. Ak tomu tak nie je, potom počas druhého priechodu výstupné zrkadlo dosiahne nižšiu energiu ako v predchádzajúcom okamihu, počas tretieho - ešte nižšiu atď. Proces útlmu bude pokračovať až do úplného zhasnutia svetelného toku. Je zrejmé, že čím nižší je koeficient odrazu výstupného zrkadla, tým väčšie prahové zosilnenie musí mať pracovná látka. Zrkadlá sú teda na prvom mieste v zozname zdrojov strát.

Stručne teda sformulujme podmienky potrebné na vytvorenie zdroja koherentného svetla:

· je potrebná pracovná látka s inverzným počtom obyvateľov. Len potom je možné dosiahnuť zosilnenie svetla v dôsledku nútených prechodov;

· pracovná látka by mala byť umiestnená medzi zrkadlá, ktoré poskytujú spätnú väzbu;

· zosilnenie dané pracovnou látkou, čo znamená, že počet excitovaných atómov alebo molekúl v pracovnej látke musí byť väčší ako prahová hodnota, ktorá závisí od koeficientu odrazu výstupného zrkadla.

Ak sú splnené tieto tri podmienky, dostaneme systém schopný generovať koherentné svetlo, nazývaný laser.

3. Plynové lasery

Plyn nazývané lasery, v ktorých je aktívnym prostredím plyn, zmes viacerých plynov alebo zmes plynov s parami kovu.

Vlastnosti plynného aktívneho média.

Médium v ​​plynových laseroch má niekoľko pozoruhodných vlastností. Po prvé, iba plynné médiá môžu byť transparentné v širokom spektrálnom rozsahu od vákuovej UV oblasti spektra po IR, v podstate mikrovlnnú oblasť. Výsledkom je, že plynové lasery pracujú v širokom rozsahu vlnových dĺžok.

Ďalej. V porovnaní s pevnými látkami a kvapalinami majú plyny výrazne nižšiu hustotu a vyššiu homogenitu. Preto je svetelný lúč v plyne menej skreslený a rozptýlený. To uľahčuje dosiahnutie difrakčného limitu divergencie laserového žiarenia. Pri nízkej hustote sa plyny vyznačujú Dopplerovým rozšírením spektrálnych čiar, ktorého hodnota je malá v porovnaní so šírkou luminiscenčnej čiary v kondenzovanom prostredí. To uľahčuje dosiahnutie vysokej monochromatičnosti žiarenia plynových laserov.

Ako je známe, na splnenie podmienok samobudenia musí zisk v aktívnom médiu pri jednom prechode laserového rezonátora prevýšiť straty. V plynoch uľahčuje splnenie tejto podmienky absencia rezonančných strát energie priamo v aktívnom médiu. Je technicky náročné vyrobiť zrkadlá so stratami výrazne menšími ako 1 %. Preto musí byť zisk väčší ako 1 %. Relatívna jednoduchosť splnenia tejto požiadavky v plynoch, napríklad zväčšením dĺžky aktívneho média, vysvetľuje prítomnosť veľkého počtu plynových laserov v širokom rozsahu vlnových dĺžok.

Nízka hustota plynov zároveň bráni získaniu tak vysokej hustoty excitovaných častíc, ktorá je charakteristická pre tuhé látky.

Preto je merný energetický výstup plynových laserov výrazne nižší ako u laserov s kondenzovanou hmotou.

Špecifickosť plynov sa prejavuje aj v rozmanitosti rôznych fyzikálnych procesov používaných na vytvorenie populačnej inverzie. Patria sem budenie pri zrážkach v elektrickom výboji, budenie v plynodynamických procesoch, chemické budenie, optické čerpanie (laserovým žiarením) a budenie elektrónovým lúčom.

V laseri, o ktorom bude podrobnejšie popísané neskôr v tomto článku, sa budenie uskutočňuje elektrickým výbojom.

4. Héliový neónový laser

Hélium-neónový zmesový laser bol prvým laserom s kontinuálnou vlnou, v ktorom žiarenie s vlnovou dĺžkou 1,15 μm vzniká ako výsledok prechodov medzi úrovňami 2S a 2P v atómoch Ne.

Neskôr sa použili iné prechody v Ne na získanie laserového žiarenia pri n = 0,6328 μm a pri n = 3,39 μm.

Pôsobenie je možné vysvetliť pomocou obr. 3 V plynnej zmesi obsahujúcej zvyčajne hélium (1 mmHg) a neón (0,1 mmHg) vzniká jednosmerný prúd alebo vysokofrekvenčný výboj.

Obr.3

Elektróny zrýchlené elektrickým poľom prenášajú atómy hélia do rôznych excitovaných stavov. Počas normálnej kaskádovej relaxácie excitovaných atómov do základného stavu sa mnohé z nich akumulujú na metastabilných úrovniach 2(3)S 2(1)S s dlhou životnosťou, ktorých životnosť je 10-4 a 5*10-6 sekúnd. Keďže tieto metastabilné hladiny sa energeticky takmer zhodujú s hladinami 2S a 3S v Ne, môžu prenášať excitáciu na atómy Ne. Byť v základnom stave a vymieňať si s nimi energiu. Malý rozdiel v energii (~400 cm -1 v prípade hladiny 2S) sa po zrážke premení na kinetickú energiu atómu. Toto je hlavný čerpací mechanizmus v systéme He-Ne.

1. Generovanie pri vlnovej dĺžke 0,6328 μm. Horná laserová hladina je jednou z 3S neónových úrovní, zatiaľ čo spodná patrí do skupiny 2P. Spodná hladina 2P sa rozpadá radiačne s časovou konštantou asi 10 -8 s. do dlhotrvajúceho stavu 1S. Tento čas je oveľa kratší ako životnosť (10 -7 s) hornej úrovne 3S lasera. Podmienka populačnej inverzie pri prechode 3S–2P je teda splnená.

Úroveň 1S je dôležitá. Atómy na ňom zotrvávajú pri radiačných prechodoch zo spodnej hladiny 2P lasera vďaka dlhej životnosti tejto hladiny. Atómy v stave 1S sa zrážajú s výbojovými elektrónmi a sú excitované späť na nižšiu úroveň 2P lasera. Tým sa znižuje inverzia. Atómy v stavoch 1S sa uvoľňujú späť do základného stavu hlavne pri zrážkach so stenou výbojky. Z tohto dôvodu sa zisk pri prechode 0,6328 µm zvyšuje so zmenšujúcim sa priemerom trubice.

2. Generovanie pri vlnovej dĺžke 1,15 μm. Horná laserová hladina 2S neónu je pumpovaná pri rezonančných (tj so zachovaním vnútornej energie) zrážkach s metastabilnou 2 3 S hladinou hélia. Spodná úroveň je rovnaká ako v prípade generovania na prechode 0,6328 μm, čo tiež vedie k závislosti populácie neónovej úrovne 1S na zrážkach so stenami.

3. Generovanie pri vlnovej dĺžke 3,39 μm. Je to spôsobené prechodmi 3S-3P v neónových atómoch. Teraz je horná hladina lasera rovnaká ako pri generovaní, pri vlnovej dĺžke 0,6328 μm. Pri tomto prechode dosahuje optický zisk pre malý signál 1 asi 50 dB/m. Tento veľký zisk je čiastočne vysvetlený krátkou životnosťou úrovne 3P, ktorá umožňuje vytvoriť veľkú inverziu. Kvôli vysokému zisku pri tomto prechode bráni generovanie pri vlnovej dĺžke 3,39 µm generovaniu pri vlnovej dĺžke 0,6328 µm. Je to preto, že prahové podmienky sa najskôr dosiahnu pre prechod 3,39 µm. Akonáhle sa to stane, saturácia zisku začne interferovať s akýmkoľvek ďalším nárastom populácie na úrovni 3S. V laseroch s vlnovou dĺžkou 0,6328 μm sa proti tomu bojuje zavedením ďalších prvkov do optického lúča, napríklad sklenených alebo kremenných Brewsterových okienok, ktoré silne absorbujú žiarenie s vlnovou dĺžkou 3,39 μm a prepúšťajú od 0,6328 μm. V tomto prípade je prahová úroveň čerpania laserom o n=3,39 μm vyššia ako úroveň laserového žiarenia o 0,6328 μm.

Hovoríme o zosilnení veľmi slabej vlny šíriacej sa oblasťou výboja vnútri dutiny lasera v jednom priechode. V laseri sa zisk pri prechode znižuje saturáciou, až kým sa nerovná strate pri prechode.

5. Ghélium-neónový laser typu LG-36a

V hélium-neónovom laseri je pracovná plynná zmes umiestnená v plynovej výbojke (obr. 4), ktorej dĺžka môže dosahovať 0,2-1 m.

Rúrka je vyrobená z vysoko kvalitného skla alebo kremeňa. Výrobný výkon podstatne závisí od priemeru rúrky. Zväčšenie priemeru vedie k zvýšeniu objemu pracovnej zmesi, čo prispieva k zvýšeniu výkonu. So zväčšujúcim sa priemerom trubice sa však elektrónová teplota plazmy znižuje, čo vedie k zníženiu počtu elektrónov schopných vzbudiť atómy plynu. Čo v konečnom dôsledku znižuje výrobný výkon. Na zníženie strát sú konce trubice na vypúšťanie plynu uzavreté planparalelnými doskami, ktoré nie sú umiestnené kolmo na os trubice, ale tak, aby kolmica k tejto doske zvierala uhol i B \u003d arctg n (n je index lomu materiálu dosky), nazývaný Brewsterov uhol. Zvláštnosť odrazu elektromagnetickej vlny od rozhrania medzi rôznymi médiami pod uhlom i B je široko používaná v laserovej technológii. Nastavenie výstupných okienok bunky s aktívnym médiom pod Brewsterovým uhlom jednoznačne určuje polarizáciu laserového žiarenia. Pre žiarenie polarizované v rovine dopadu sú straty v rezonátore minimálne. Prirodzene, je to toto lineárne polarizované žiarenie, ktoré je založené v laseri a je prevládajúce.

Plynová výbojka je umiestnená v optickom rezonátore, ktorý je tvorený zrkadlami s interferenčným povlakom. Zrkadlá sú upevnené v prírubách, ktorých konštrukcia umožňuje otáčanie zrkadiel pri nastavovaní otáčaním nastavovacích skrutiek v dvoch na seba kolmých rovinách. Excitácia plynnej zmesi sa uskutočňuje privedením vysokofrekvenčného napätia z napájacieho zdroja na elektródy. Zdrojom je vysokofrekvenčný generátor, ktorý generuje elektromagnetické kmity s frekvenciou cca 30 MHz pri výkone niekoľkých desiatok wattov.

Plynové lasery sú široko napájané jednosmerným prúdom s napätím 1000-2000 V, získaným pomocou stabilizovaných usmerňovačov. V tomto prípade je plynová výbojka vybavená vyhrievanou alebo studenou katódou a anódou. Na zapálenie výboja v trubici sa používa elektróda, na ktorú je privedené impulzné napätie asi 12 kV. Toto napätie sa získa vybitím 1-2 mikrofaradového kondenzátora cez primárne vinutie impulzného transformátora.

Výhodou hélium-neónových laserov je koherencia ich žiarenia, nízka spotreba energie (8-10 W) a malé rozmery. Hlavnými nevýhodami sú nízka účinnosť (0,01-0,1%) a nízky výstupný výkon, nepresahujúci 60 mW. Tieto lasery môžu pracovať aj v pulznom režime, ak sa na budenie použije pulzné napätie s veľkou amplitúdou s trvaním niekoľkých mikrosekúnd.

6. Aplikácia Gelítium-neónový laser v medicíne

Ako už bolo spomenuté vyššie, hélium-neónový laser má široké uplatnenie. V tejto práci sa chcem zamyslieť nad využitím tohto lasera v medicíne. A to využitie hélium-neónového lasera na obnovu a zlepšenie výkonnosti človeka.

Lasery sa v medicíne používajú už viac ako 20 rokov. Počas tohto obdobia sa v špecializovanej oblasti biomedicínskej vedy formovali štúdie využívajúce laserové žiarenie, ktoré zahŕňa dve hlavné oblasti: deštrukciu tkanív patologických ložísk relatívne silným laserovým žiarením a biostimulačné účinky nízkoenergetickým žiarením.

Štúdie preukázali, že hélium-neónový laser pôsobí stimulačne na živý organizmus, pomáha pri čistení rán od mikroorganizmov a urýchľuje epitelizáciu, zlepšuje funkčné parametre centrálneho nervového systému a cerebrálneho obehu u pacientov s hypertenziou; spôsobuje zastavenie bolesti alebo ich zníženie u pacientov s osteochondrózou chrbtice.

Mnohí výskumníci ukázali, že energia, ktorú prináša laserové žiarenie, je „žiadaná“ v prípade, že je to kvôli potrebe samoregulácie ľudského stavu. To dáva právo domnievať sa, že laserové žiarenie nie je dráždivé, vzrušujúce, ale má normalizujúci, nepingový charakter.

Pozrime sa podrobnejšie na štúdiu, ktorú vykonal kandidát lekárskych vied, docent T.I. Dolmatová, G.L. Shreiberg, kandidát biologických vied, docent N.I. Dvojča Moskovskej štátnej akadémie telesnej kultúry Celoruského výskumného ústavu telesnej kultúry. Lokálne pôsobili laserovým lúčom na biologicky aktívne body (BAP) na povrchu tela. Hélium-neónový laser na BAT sa používal v športe na štúdium procesov regenerácie po fyzickej námahe a dôsledkov žiarenia. Laserové žiarenie sa uskutočňovalo pomocou prístroja AG-50, ktorého vlnová dĺžka bola 632 A, výkon žiarenia bol 10 mV, plocha žiarenia bola 0,5 cm2; body ožiarenia - "he-gu" 2, "ju-san-li", čas expozície - 2,0 minúty pre každý symetrický bod, celkový čas expozície - 10 minút, postup sa vykonával denne počas 10 dní.

Športovci boli pred cvičením ožarovaní hélium-neónovým laserom. Na 5. deň zaznamenali lepšiu regeneráciu po cvičení, lepšie znášali aj tréning s veľkými váhami. Do 10. dňa vystavenia hélium-neónovému laseru zostal zdravotný stav športovcov dobrý, trénovali s radosťou a dobre znášali záťaž. Laserom pôsobili aj v období rekonvalescencie, bezprostredne po cvičení, štúdie ukázali, že zotavenie, relaxácia, dobrý spánok nastali rýchlejšie ako bez vystavenia žiareniu, došlo k zníženiu srdcovej frekvencie a zníženiu maximálneho a minimálneho krvného tlaku.

Všetci športovci, ktorí dostali ožarovanie héliom-neónovým laserom, mali teda počas cyklu tréningov výraznejší nárast športového výkonu a regenerácia prebiehala oveľa lepšie ako bez vystavenia žiareniu.

Bod He-gu sa nachádza v hornej časti záhybu medzi zovretým ukazovákom a palcom.

7. Niekoľko informácií o sováchpásové hélium-neónové lasery

Najbežnejšie sú utesnené He-Ne plazmové trubice so zabudovanými zrkadlami a vysokonapäťovými zdrojmi. Laboratórne He-Ne lasery s vonkajšími zrkadlami tiež existujú a sú drahé.

Vlnové dĺžky:

· Červená 632,8 nm (v skutočnosti vyzerá ako oranžovo-červená) je teraz najbežnejšia.

Oranžová 611,9 nm

Žltá 594,1 nm

Zelená 543,5 nm

· IR 1523,1 nm (tiež existujú, ale sú menej účinné a preto drahšie pre rovnaký výkon lúča).

Kvalita lúča:

Výnimočne vysoká. Výstupné žiarenie je dobre kolimované bez prídavnej optiky a má vynikajúcu koherenčnú dĺžku (od 10 cm do niekoľkých metrov a viac). Väčšina malých trubíc pracuje v jednom priečnom režime (TEM00).

Výstupný výkon:

Od 0,5 do 35 mW (najbežnejšie) je 250 mW a viac.

Niektoré použitia:

Výrobné nastavenie a merania; počítanie a analýza krvných buniek; lekárske vedenie a pozorovanie počas operácií (pre vysokovýkonné lasery); tlač s vysokým rozlíšením, skenovanie a digitalizácia; snímače čiarových kódov; interferenčná metrológia a meranie rýchlosti; bezkontaktné merania a monitorovanie; všeobecná optika a holografia; laserové show; Laserový disk a iné pamäťové médiá.

Cena:

25 až 5 000 USD alebo viac v závislosti od veľkosti, kvality, stavu (nové alebo nie).

Výhody:

Lacné, diely široko dostupné, spoľahlivé, s dlhou životnosťou.

8. Bibliografia

1. NV Karlov Prednášky z kvantovej fyziky. 314s.

2. Lasery A. S. Boreisho: Zariadenie a činnosť. Petrohrad 1992. 214s.

3. A. Yariv Úvod do optickej elektroniky. „Stredná škola“, Moskva 1983. 398 s.

4. Yu.V. Baiborodin Základy laserovej technológie. „Vyššia škola“ 1988. 383s.

Hostené na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Všeobecná charakteristika héliovo-neónového lasera, jeho návrh a výpočet hlavných parametrov: zisk aktívneho média, optimálny prúd, dĺžka dutiny, polomer pásu lúča, efektívna plocha prierezu lúča, výkon a účinnosť čerpadla.

test, pridané 24.07.2013


Základ princípu fungovania laserov. Klasifikácia laserov a ich hlavné charakteristiky. Použitie lasera pri označovaní tovaru. Spôsob excitácie účinnej látky. Divergencia laserového lúča. Rozsah vlnovej dĺžky. Oblasti použitia lasera.

tvorivá práca, pridané 24.02.2015


Teória meraní atómovej absorpcie: emisia a absorpcia svetla, pojem absorpčná čiara a absorpčný koeficient, obrys absorpčnej čiary. Princíp činnosti lasera. Popis činnosti hélium-neónového lasera. Lasery na organické farbivá.

abstrakt, pridaný 03.10.2007


Vytvorenie optického kvantového generátora alebo lasera je veľkým objavom vo fyzike. Princíp činnosti laserov. Stimulovaná a spontánna emisia. Plynový, kontinuálny polovodičový, plynový dynamický, rubínový laser. Oblasti použitia laserov.

prezentácia, pridané 13.09.2016


História vzniku lasera. Princíp činnosti lasera. Niektoré jedinečné vlastnosti laserového žiarenia. Aplikácia laserov v rôznych technologických procesoch. Využitie laserov v klenotníckom priemysle, vo výpočtovej technike. Výkon laserových lúčov.

abstrakt, pridaný 17.12.2014


Laser je kvantový generátor vyžarujúci v rozsahu viditeľného a infračerveného žiarenia. Schéma laserového zariadenia a princíp jeho činnosti. Dočasné režimy prevádzky zariadenia, frekvencia dodávky energie. Využitie laserov v rôznych oblastiach vedy a techniky.

abstrakt, pridaný 28.02.2011


Koncepcia, klasifikácia laserov podľa vlastností, charakteristika hlavných parametrov, ich výhody. Dôvody pre návrh laserov s vonkajším usporiadaním zrkadiel. Popis fyzikálnych procesov vo výbojoch plynov, ktoré prispievajú k vytvoreniu aktívneho média.

abstrakt, pridaný 13.01.2011


Charakteristika polovodičových materiálov a zdrojov žiarenia. Pripojenie zdroja k vláknu. Návrhy jednovidových laserov, vlastnosti DBR laserov. Výpočet parametrov multimódového lasera s Fabryho-Perotovým rezonátorom. Svetelné diódy (LED).

abstrakt, pridaný 6.11.2011


Zariadenie a účel najjednoduchšieho pevnolátkového lasera; ich výroba z rubínov, molybdénanov, granátov. Oboznámenie sa s optickými vlastnosťami kryštálov a vlastnosťami generovania svetla. Stanovenie energetických charakteristík pulzného lasera.

abstrakt, pridaný 12.10.2011


Oboznámenie sa s históriou vzniku generátorov elektromagnetického žiarenia. Opis elektrického obvodu a štúdium princípov činnosti polovodičového lasera. Zváženie spôsobov použitia lasera na ovplyvňovanie látky a na prenos informácií.

Plynové hélium-neónové lasery (He-Ne lasery) vyrábané nemeckou spoločnosťou LSS majú robustnú konštrukciu, dobrú kvalitu lúča a dlhú životnosť - až 20 000 hodín. Séria hélium-neónových laserov je zastúpená širokou škálou modelov laserov, jednomódových a multimódových, s výstupným výkonom od 0,5 do 35 mW, vyžarujúcich v spektrálnom rozsahu červenej, zelenej a žltej farby. Existujú tiež Brewsterove okenné laserové trubice na vzdelávacie a vedecké účely.

Všetky modely sú vybavené napájacím zdrojom. Plynové iónové argónové lasery radu LGK spĺňajú pôsobivý zoznam svetových štandardov a sú certifikované CDRH, IEC, CSA, CE, TUV, UL. LSS poskytuje efektívnu podporu pre lasery vlastnej výroby na celom svete a svojim zákazníkom poskytuje pohodlný a rýchly servis pri výmene laserových trubíc. Okrem sériových modelov spoločnosť vyrába laserové systémy na mieru.

Héliový neónový laser je určený pre široké spektrum aplikácií, ako je skenovacia mikroskopia, spektroskopia, metrológia, priemyselné meranie, polohovanie, zarovnávanie, zameriavanie, testovanie, overovanie kódu, vedecký, základný a lekársky výskum, ako aj na vzdelávacie účely.

Špecifikácie laserových modulov

Nižšie uvedené tabuľky ukazujú kľúčové vlastnosti laserov. Pre všetky položky nižšie uvedené špecifikácie predstavujú celkový výkon štandardných modelov. Jednotlivé charakteristiky je možné optimalizovať pre špecifické aplikácie. Ak máte špeciálne požiadavky, kontaktujte nášho firemného konzultanta.

Špecifikácie laserových trubíc

Špecifikácie napájacieho zdroja

Všetky modely plynových iónových argónových laserov radu LGK sú vybavené napájacou jednotkou vyrábanou spoločnosťou LSS.

Najbežnejším plynovým laserom je hélium-neónový ( He-Ne) laser (laser s neutrálnym atómom), ktorý pracuje so zmesou hélia a neónu v pomere 10:1. Tento laser je zároveň prvým kontinuálnym laserom.

Zvážte energetickú schému hladín hélia a neónu (obr. 3.4). Generovanie prebieha medzi úrovňami neónu a na proces čerpania sa pridáva hélium. Ako je zrejmé z obrázku, úrovne 2 3 S 1 a 2 1 S 0 hélium sa nachádzajú v blízkosti hladín 2s a 3s nie ona. Pretože hladina hélia 2 3 S 1 a 2 1 S 0 sú metastabilné, potom pri zrážke metastabilných excitovaných atómov hélia s neónovými atómami dôjde k rezonančnému prenosu energie na neónové atómy (zrážky druhého druhu).

Takže úrovne 2s a 3s neón môže byť osídlený, a preto môže generácia postupovať z týchto úrovní. Život s- uvádza ( t s» 100 ns) oveľa dlhšia životnosť R- uvádza ( t p»10 ns), takže nasledujúca podmienka je splnená, aby laser fungoval podľa štvorúrovňovej schémy:

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

Generovanie lasera je možné na jednom z prechodov a, b, c podľa vlnových dĺžok l a= 3,39 µm, lb= 0,633 µm, l s=1,15 μm, ktorý možno získať výberom koeficientu odrazu zrkadiel rezonátora alebo zavedením disperzných prvkov do rezonátora.

Ryža. 3.4. Schéma energetických hladín hélia a neónu.

Uvažujme o generačnej charakteristike takéhoto lasera.

Obr.3.5. Generačná charakteristika hélium-neónového lasera.

Počiatočný nárast výstupného výkonu so zvyšujúcim sa prúdom čerpadla sa vysvetľuje inverziou populácie. Po dosiahnutí maximálneho výkonu začne krivka klesať s ďalším zvýšením prúdu čerpadla. Vysvetľuje to skutočnosť, že úrovne 2p a 1s nemajú čas na relaxáciu; elektróny nemajú čas prejsť na nízku energetickú hladinu a počet elektrónov v susedných hladinách 2p a 1s sa zhoduje. V tomto prípade nedochádza k inverzii.

Účinnosť hélium-neónových laserov je rádovo 0,1 %, čo sa vysvetľuje nízkou objemovou hustotou excitovaných častíc. Typický výstupný výkon He-Ne-laser P~5-50 mW, divergencia q~1 mrad.

Argónový laser

Ide o najvýkonnejšie lasery s kontinuálnou vlnou vo viditeľnej a blízkej ultrafialovej spektrálnej oblasti súvisiace s iónovými plynovými lasermi. Horná hladina lasera v pracovnom plyne je obsadená v dôsledku dvoch po sebe nasledujúcich kolízií elektrónov počas elektrického výboja. Pri prvej zrážke vznikajú ióny z neutrálnych atómov a pri druhej sú tieto ióny excitované. Preto je čerpanie dvojstupňový proces, pričom účinnosť každého z nich je úmerná hustote prúdu. Pre efektívne čerpanie sú potrebné dostatočne vysoké prúdové hustoty.

Diagram úrovne energie lasera je zapnutý Ar + znázornené na obr. 3.3. Laserová emisia v radoch medzi 454,5 nm a 528,7 nm nastáva, keď je obsadená skupina úrovní 4p excitáciou dopadom elektrónov na zem alebo metastabilné stavy Ar + .

3,5 CO 2 laser

Molekulárna CO 2-Lasery sú najvýkonnejšie cw lasery medzi plynovými lasermi, vďaka najvyššej účinnosti premeny elektrickej energie na energiu žiarenia (15-20%). Generácia lasera sa vyskytuje na vibračno-rotačných prechodoch a emisné čiary týchto laserov sú vo vzdialenej infračervenej oblasti, ktoré sa nachádzajú pri vlnových dĺžkach 9,4 μm a 10,4 μm.

AT CO 2 Laser využíva zmes plynov CO 2, N 2 a On. Čerpanie sa vykonáva priamo pri zrážkach molekúl CO 2 s elektrónmi a vibračne excitovanými molekulami N 2. Vysoká tepelná vodivosť He v zmesi podporuje chladenie CO 2, čo vedie k vyčerpaniu spodnej hladiny lasera osídlenej v dôsledku tepelnej excitácie. Takže prítomnosť N 2 v zmesi prispieva k vysokej populácii hornej úrovne lasera, a prítomnosti On– vyčerpanie nižšej úrovne a v dôsledku toho spolu vedú k zvýšeniu populačnej inverzie. Diagram energetickej hladiny CO 2-laser je znázornený na obr. 3.4. Generovanie lasera sa uskutočňuje počas prechodu medzi vibračnými stavmi molekuly CO 2 n 3 1. jún alebo n 3 jún 2 so zmenou rotačného stavu.

Ryža. 3.4. Diagram energetickej hladiny N 2 a CO 2 v CO 2-laser.

CO 2 Laser môže pracovať v kontinuálnom aj pulznom režime. V nepretržitom režime môže jeho výstupný výkon dosiahnuť niekoľko kilowattov.

Cieľom tejto práce je študovať hlavné charakteristiky a parametre plynového lasera, v ktorom sa ako účinná látka používa zmes héliových a neónových plynov.

3.1. Princíp činnosti hélium-neónového lasera

Héliový neónový laser je typický a najbežnejší plynový laser. Patrí medzi atómové plynové lasery a jeho aktívnym prostredím je zmes neutrálnych (neionizovaných) atómov inertných plynov – hélia a neónu. Neón je pracovný plyn a medzi jeho energetickými hladinami dochádza k prechodom s emisiou koherentného elektromagnetického žiarenia. Hélium hrá úlohu pomocného plynu a prispieva k excitácii neónu a vytváraniu populačnej inverzie v ňom.

Na spustenie generovania v akomkoľvek laseri musia byť splnené dve dôležité podmienky:

1. Medzi pracovnými hladinami lasera musí byť inverzia populácie.

2. Zisk v aktívnom médiu musí prevýšiť všetky straty v laseri, vrátane „užitočných“ strát na výstupe žiarenia.

Ak má systém dve úrovne E 1 a E 2 s počtom častíc na každej z nich N 1 a N 2 a stupeň degenerácie g 1 a g 2 , potom dôjde k inverzii populácie, keď populácia N 2 /g 2 najvyššie úrovne E 2 bude viac obyvateľov N 1 /g 1 nižšia úroveň E 1, teda stupeň inverzie A N bude pozitívny:

Ak úrovne E 1 a E 2 sú nedegenerované, potom pre vznik inverzie je potrebné, aby počet častíc N 2 na najvyššej úrovni E 2 bol väčší ako počet častíc N 1 na nižšej úrovni E jeden . Úrovne, medzi ktorými je možný vznik populačnej inverzie a výskyt vynútených prechodov s emisiou koherentného elektromagnetického žiarenia, sú tzv. pracovné laserové úrovne.

Stav inverzie populácie je vytvorený pomocou čerpanie– excitácia atómov plynu rôznymi metódami. Vplyvom energie vonkajšieho zdroja, tzv zdroj čerpadla, atóm Ne z úrovne prízemnej energie E 0, zodpovedajúci stavu termodynamickej rovnováhy, prechádza do excitovaného stavu Ne*. V závislosti od intenzity čerpadla môže dôjsť k prechodom na rôzne úrovne energie. Potom dochádza k spontánnym alebo núteným prechodom na nižšie energetické hladiny.

Vo väčšine prípadov nie je potrebné zvažovať všetky možné prechody medzi všetkými stavmi v systéme. To umožňuje hovoriť o dvoj-, troj- a štvorúrovňových schémach laserovej prevádzky. Typ schémy laserovej prevádzky je určený vlastnosťami aktívneho média, ako aj použitou metódou čerpania.

Hélium-neónový laser pracuje v trojúrovňovej schéme, ako je znázornené na obr. 3.1. V tomto prípade sú kanály na čerpanie a generovanie žiarenia čiastočne oddelené. Čerpanie účinnej látky spôsobuje prechody z úrovne terénu E 0 na vzrušenú úroveň E 2, čo vedie k objaveniu sa populačnej inverzie medzi pracovnými úrovňami E 2 a E jeden . Aktívne médium, ktoré je v stave populačnej inverzie pracovných úrovní, je schopné zosilňovať elektromagnetické žiarenie s frekvenciou
v dôsledku stimulovaných emisných procesov.

Ryža. 3.1. Schéma energetických hladín pracovného a pomocného plynu, vysvetľujúca činnosť hélium-neónového lasera

Pretože rozšírenie energetických hladín v plynoch je malé a neexistujú žiadne široké absorpčné pásma, je ťažké získať inverznú populáciu pomocou optického žiarenia. V plynoch sú však možné aj iné spôsoby čerpania: priame elektronické budenie a rezonančný prenos energie pri zrážke atómov. Excitácia atómov pri zrážke s elektrónmi sa dá najjednoduchšie uskutočniť v elektrickom výboji, kde sú elektróny urýchlené elektrickým poľom môže získať významnú kinetickú energiu. Pri nepružných zrážkach elektrónov s atómami prechádzajú atómy do excitovaného stavu E 2:

Je dôležité, aby proces (3.4) mal rezonančný charakter: pravdepodobnosť prenosu energie bude maximálna, ak sa excitované energetické stavy rôznych atómov zhodujú, t.j. sú v rezonancii.

Energetické hladiny He a Ne a hlavné pracovné prechody sú podrobne znázornené na obr. 3.2. Prechody zodpovedajúce neelastickým interakciám atómov plynu s rýchlymi elektrónmi (3.2) a (3.3) sú znázornené bodkovanými šípkami nahor. V dôsledku dopadu elektrónov sú atómy hélia excitované na úrovne 2 1 S 0 a 2 3 S 1, ktoré sú metastabilné. Radiačné prechody v héliu do základného stavu 1 S 0 sú zakázané pravidlami výberu. Keď sa excitované atómy He zrazia s atómami Ne v základnom stave 1S 0, je možný prenos excitácie (3.4) a neón prechádza do jednej z úrovní 2S alebo 3S. V tomto prípade je podmienka rezonancie splnená, pretože energetické medzery medzi základným a excitovaným stavom v pomocnom a pracovnom plyne sú blízko seba.

Radiačné prechody sa môžu vyskytnúť z hladín 2S a 3S neónu na úrovne 2P a 3P. Úrovne P sú menej obývané ako horné úrovne S, pretože nedochádza k priamemu prenosu energie z atómov He na tieto úrovne. Navyše hladiny P majú krátku životnosť a neradiačný prechod P → 1S vyprázdni hladiny P. Nastáva teda situácia (3.1), keď je populácia vyšších úrovní S vyššia ako populácia nižších úrovní P, tj medzi úrovňami S a P je populačná inverzia, čo znamená, že prechody medzi nimi môžu byť použité na generovanie lasera.

Keďže počet úrovní S a P je veľký, je medzi nimi možný veľký súbor rôznych kvantových prechodov. Najmä zo štyroch úrovní 2S do desiatich úrovní 2P je podľa pravidiel výberu povolených 30 rôznych prechodov, z ktorých väčšina generuje generovanie. Najsilnejšia emisná čiara počas prechodov 2S → 2P je čiara 1,1523 μm (infračervená oblasť spektra). Pre prechody 3S→2Р je najvýznamnejšia čiara 0,6328 µm (červená oblasť) a pre 3S→3Р – 3,3913 µm (IR oblasť). Spontánna emisia sa vyskytuje pri všetkých uvedených vlnových dĺžkach.

Ryža. 3.2. Energetické hladiny atómov hélia a neónu a schéma činnosti He-Ne lasera

Ako už bolo spomenuté, po radiačných prechodoch na hladiny P dochádza počas prechodov P → 1S k nežiarivému radiačnému rozpadu. Žiaľ, hladiny neónu 1S sú metastabilné a ak zmes plynov neobsahuje iné nečistoty, potom jediný spôsob prechodu atómov neónu do základného stavu z hladiny 1S je kolízia so stenami nádoby. Z tohto dôvodu sa zisk systému zvyšuje so zmenšujúcim sa priemerom výbojovej trubice. Keďže stavy 1S neónu sa pomaly vyčerpávajú, atómy Ne sa v týchto stavoch zadržiavajú, čo je vysoko nežiaduce a určuje množstvo vlastností tohto lasera. Najmä pri zvýšení prúdu čerpadla nad prahovú hodnotu j potom dochádza k rýchlemu nárastu a následne saturácii až poklesu výkonu laserového žiarenia, čo je spôsobené práve akumuláciou pracovných častíc na úrovniach 1S a následným ich prechodom do stavov 2P alebo 3P pri zrážke s elektrónmi. To znemožňuje dosiahnuť vysoký výkon žiarenia.

Výskyt inverznej populácie závisí od tlaku He a Ne v zmesi a od teploty elektrónov. Optimálne hodnoty tlaku plynu sú 133 Pa pre He a 13 Pa pre Ne. Teplota elektrónov je daná napätím aplikovaným na zmes plynov. Zvyčajne sa toto napätie udržiava na úrovni 2…3 kV.

Na získanie laserovej generácie je potrebné, aby v laseri existovala pozitívna spätná väzba, inak bude zariadenie fungovať len ako zosilňovač. Na tento účel sa aktívne plynné médium umiestni do optického rezonátora. Okrem vytvárania spätnej väzby slúži rezonátor na výber typov kmitov a výber generačnej vlnovej dĺžky, na čo sa používajú špeciálne selektívne zrkadlá.

Pri hladinách čerpadiel blízko prahu je laserové žiarenie na jeden typ oscilácie relatívne jednoduché. So zvýšením úrovne budenia, ak sa neprijmú žiadne špeciálne opatrenia, vzniká množstvo ďalších režimov. V tomto prípade dochádza ku generovaniu pri frekvenciách blízkych rezonančným frekvenciám rezonátora, ktoré sú obsiahnuté v šírke atómovej čiary. V prípade axiálnych typov vibrácií (režim TEM 00), frekvenčná vzdialenosť medzi susednými maximami
, kde L je dĺžka rezonátora. V dôsledku súčasnej prítomnosti viacerých módov vznikajú v emisnom spektre údery a nehomogenity. Ak by existovali iba axiálne módy, potom by spektrum boli samostatné čiary, ktorých vzdialenosť by bola rovná c / 2L. Je však možné vybudiť aj neaxiálne typy kmitov v rezonátore, napríklad režimy TEM 10, ktorých prítomnosť silne závisí od ladenia zrkadiel. Preto sa v emisnom spektre objavujú ďalšie satelitné čiary, umiestnené symetricky vo frekvencii na oboch stranách axiálnych typov vibrácií. Vzhľad nových typov kmitov so zvýšením hladiny čerpadla je ľahko určený vizuálnym pozorovaním štruktúry poľa žiarenia. Je tiež možné vizuálne pozorovať vplyv usporiadania rezonátora na štruktúru koherentných režimov žiarenia.

Plyny sú homogénnejšie ako kondenzované médiá. Preto je svetelný lúč v plyne menej skreslený a rozptýlený a žiarenie hélium-neónového lasera sa vyznačuje dobrou frekvenčnou stabilitou a vysokou smerovosťou, ktorá vďaka difrakčným javom dosahuje svoj limit. Difrakčný limit divergencie pre konfokálny rezonátor

,

kde λ je vlnová dĺžka; d 0 je priemer svetelného lúča v jeho najužšej časti.

Žiarenie hélium-neónového lasera sa vyznačuje vysokým stupňom monochromatickosti a koherencie. Šírka emisných čiar takéhoto lasera je oveľa užšia ako "prirodzená" šírka spektrálnej čiary a o mnoho rádov menšia ako limitný stupeň rozlíšenia moderných spektrometrov. Preto sa na jeho určenie meria spektrum úderov rôznych režimov žiarenia. Okrem toho je žiarenie tohto lasera rovinne polarizované vďaka použitiu okienok umiestnených v Brewsterovom uhle k optickej osi rezonátora.

Dôkazom koherencie žiarenia môže byť pozorovanie difrakčného obrazca v superpozícii žiarenia prijatého z rôznych bodov zdroja. Napríklad koherenciu možno odhadnúť pozorovaním rušenia zo systému viacerých slotov. Z Youngovej skúsenosti je známe, že na pozorovanie interferencie svetla z bežného „klasického“ zdroja prechádza žiarenie najskôr jednou štrbinou a potom dvomi štrbinami a následne sa na obrazovke vytvoria interferenčné prúžky. V prípade použitia laserového žiarenia sa prvá štrbina ukazuje ako zbytočná. Táto okolnosť je zásadná. Navyše vzdialenosť medzi dvoma štrbinami a ich šírka môže byť neúmerne väčšia ako pri klasických experimentoch. Na výstupnom okne plynového lasera sú dve štrbiny, ktorých vzdialenosť je 2 a. V prípade, že dopadajúce žiarenie je koherentné, na obrazovke umiestnenej na diaľku d zo štrbín bude pozorovaný interferenčný obrazec. V tomto prípade vzdialenosť medzi maximami (minimami) pásiem

.

Hélium neónové laserové zariadenie

Pracovným médiom héliovo-neónového lasera je zmes hélia a neónu v pomere 5:1, umiestnená v sklenenej banke pod nízkym tlakom (zvyčajne okolo 300 Pa). Energia čerpadla je dodávaná z dvoch elektrických výbojov s napätím asi 1000÷5000 voltov (v závislosti od dĺžky trubice) umiestnených na koncoch banky. Rezonátor takéhoto lasera sa zvyčajne skladá z dvoch zrkadiel - úplne nepriehľadných na jednej strane žiarovky a druhého, prechádzajúceho cez seba asi 1% dopadajúceho žiarenia na výstupnej strane zariadenia.

Hélium-neónové lasery sú kompaktné, s typickou veľkosťou rezonátora medzi 15 cm a 2 m a ich výstupný výkon sa pohybuje od 1 do 100 mW.

Princíp fungovania

Hélium-neónový laser. Svetelný lúč v strede je elektrický výboj.

pozri tiež

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je "Hélium-neónový laser" v iných slovníkoch:

héliový neónový laser- helio neono lazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. héliový neónový laser vok. Héliový neónový laser, m rus. héliový neónový laser, m pranc. laser a mélange d hélium et neon, m; laser hélium neon, m… Rádioelektronika terminų žodynas

Laser s jadrovým čerpadlom je laserové zariadenie, ktorého aktívne médium je excitované jadrovým žiarením (gama kvantá, jadrové častice, produkty jadrových reakcií). Vlnová dĺžka žiarenia takéhoto zariadenia môže byť od ... ... Wikipedia

Tento výraz má iné významy, pozri Laser (významy). Laser (laboratórium NASA) ... Wikipedia

Kvantový generátor, zdroj výkonného optického žiarenia (laser je skratka výrazu zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia). Princíp činnosti lasera je rovnaký ako princíp predtým vytvoreného ... ... Collierova encyklopédia

Zdroj elektromagnetického žiarenia vo viditeľnom, infračervenom a ultrafialovom rozsahu, založený na stimulovanej emisii (pozri Stimulovaná emisia) atómov a molekúl. Slovo "laser" sa skladá zo začiatočných písmen (skratky) slov ... ...

Laser s plynným aktívnym médiom. Rúrka s aktívnym plynom je umiestnená v optickom rezonátore, ktorý v najjednoduchšom prípade pozostáva z dvoch paralelných zrkadiel. Jeden z nich je priesvitný. Vysielané na nejakom mieste trubice... Veľká sovietska encyklopédia

Optické kvantá. generátor s plynným aktívnym médiom. Plyn, v krom na úkor energií ext. zdroj (čerpadlo), vzniká stav s inverziou populácie dvoch energetických hladín (horná a dolná laserová hladina), umiestnených v optickom ... ... Fyzická encyklopédia

Laser (laboratórium NASA) Laser (anglicky laser, skratka pre Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation "Light amplification by stimulovaná emisia") zariadenie, ktoré využíva kvantový mechanický efekt stimulovaného (stimulovaného) ... Wikipedia