Исследование характеристик излучения гелий-неонового лазера

Цель работы. Ознакомление с принципом действия и конструкцией ге-лий-неонового лазера; измерение средней мощности и поляризации лазер-ного излучения; изучение способа преобразования линейно-поляризованно-го излучения в циркулярно-поляризованное.

Физический принцип действия гелий-неонового лазера

В гелий-неоновых лазерах используется принцип резонансной передачи энергии возбуждения от примесного газа (Не) к основному (Ne). Индуцированное излучение создается атомами неона. Рассмотрим энергетическую схему гелия и неона.

Гелий (Не). Электронная конфигурация. Основное состояниеНаинизшие возбужденные состояния:(19.818 эВ),(20.614 эВ). Оп-

тические переходыизапрещены правилами отбора для квантового числа L, поэтому состоянияихарактеризуются боль-шим временем жизни (с). Это метастабильные состояния.

Неон (Ne). Электронная конфигурация. Основное состояние

Наинизшие возбужденные состояния (обозначения по Пашену): (16.619...16.848 эВ); (18.381...18.966 эВ);

• (19.664...19.779 эВ); (20.149...20.368 зВ);
• (20.560...20.662 эВ)

На рис. 5.1 приведена диаграмма энергетических уровней гелия и не-она (на рис. 5.2 дан ее упрощенный вариант). Обозначения Пашена ком-пактны и носят полуэмпирический характер, не имея особого физического смысла. С этими обозначениями лучше познакомиться на примере атома Ne

Из рис. 5.1 видно, что первое возбуждённое состояниеобозначается по Пашенуа четыре его подуровня нумеруются в порядке убывания энергии отдоНа диаграмме этого же рисунка показаны другие кон-фигурации атомаNe(снизу под каждой группой уровней) и приведены соответствующие данным конфигурациям обозначения Пашена (сверху над каждой группой уровней). Стоящие сбоку около каждой конфигурации циф-ры показывают, какими индексами нумеруются подуровни соответствующих состояний. Так, около состояния с конфигурацией, обозначаемой по

Пашену как, стоят цифры 1; 10. Это значит, что десять подуровней этого состояния нумеруются сверху отдо.

Для уровней атома гелия (см. рис. 5.1) обозначения даются в терминах LS-связи. В этом случае состояние атома характеризуется суммарным ор-битальным моментом L и суммарным спиновым моментом S. Спектральные термы в зависимости от значения L обозначаются символами S, Р, D, F и т. д. Так, состояние сL=0 обозначается символомS, состояние с L = 1 -символом Р, состояниеcL=2- символомDи т. д. Сверху и слева от этих символов указывается мультиплетность терма 2S+1, внизу и справа - пол- ный момент атома J = L + S , а перед буквой, обозначающей спектральный терм, ставится значение главного квантового числа возбужденного электро-на. Например, обозначениеозначает, что речь идет о терме, у которого L = 1, J - 1, 2S + 1 = 1, т. е. S = 0 и главное квантовое число п = 3. Для атома гелия кроме основного состоянияна рис. 5.1 показаны два возбужден-ных состоянияиПереходы из обоих возбужденных состояний на основной уровень запрещены и, следовательно, уровниимета-стабильные (времена жизни каждого околос). Важно, что уровнии атома неона близки к метастабильным возбужденным уровням атома гелия. Например, разница энергий между(Не) и(Ne) составляет всего 0.039 зВ, что близко к значению кТ при комнатной температуре (при T = 300К kT = 0. О26эВ).

Рассмотрим механизм создания в неоне инверсной заселенности со-стояний.

Возбуждение газовой среды осуществляется или высокочастотным ге-нератором (30 МГц), или источником постоянного тока, который вызывает тлеющий разряд в трубке. Напряжение горения разряда составляет около 1...2 кВ, а сила разрядного тока 10..50 мА. Для зажигания разряда на элек-троды необходимо подать специальный пусковой импульс.

Наиболее важными механизмами газоразрядного возбуждения являют-ся столкновения первого и второго родов. Столкновения первого рода - это неупругие столкновения между электронами газового разряда и невозбужденными атомами:

(звездочкой отмечены возбужденные атомы).

Столкновения второго рода - это неупругие столкновения метаста-бильных возбужденных атомов одного сорта с невозбуждёнными атомами другого сорта при условии, что их энергетические уровни почти совпадают, т. е. почти резонансны.

При этом происходит эффективная передача энергии от атомов перво-го газа к атомам второго газа:

Сечение такого процесса (вероятность удара второго рода) большое при совпадении уровней, среднее при разнице между нимии очень мало при

В гелий-неоновом лазере проходят следующие процессы. При разряде в результате электронных ударов возбуждаются атомы гелия, т. е. заселя-ются метастабильные уровнии

Атомы неона также могут возбуждаться за счет электронных ударов первого рода. Этот процесс нежелателен, так как заселение состояний_и неона уменьшает степень инверсности. Однако концентрация неона вы-бирается в несколько раз меньшей по сравнению с концентрацией гелия и эффективность данного процесса невелика.

При столкновениях второго рода происходит возбуждение атомов не-она и заселение уровнейи

Очевидно, может происходить и обратная передача энергии - от воз-бужденных атомов Neк атомам Не, вследствие чего уменьшается заселен-ность верхних уровней. Поэтому мощность генерации очень критична к со-отношению парциальных давлений Не иNe. Уменьшение концентрации не-она предотвращает данный процесс. Таким образом, использование бу-ферного газа - гелия позволяет осуществить селективное заселение только 2s- и 3s- состояний неона. Поскольку время жизни этих состояний приблизи-тельно на порядок больше времени жизни 2р и Зр (с,

с,с), то между состояниями {2s, 3s} и {2р, Зр} неона образуется инверсная заселенность.

Основные переходы; (= 0,6328 мкм),

(=1.1523 мкм),(=3.3913 мкм).

С уровнейиатомы спонтанно переходят на метастабильный уровеньПоследний освобождается только за счет соударений атомов со стенками (диффузия к стенкам), если в газовой смеси нет иных примесей.

Мощность непрерывной генерации гелий-неоновых лазеров зависит от давления газа и силы разрядного тока. Соотношение парциальных давлений компонентов в смесиHe:Ne= 10:1 для= 0.6328 мкм, давление газа в
трубке100 Па, сила разрядного тока 30 мА.

Таковы оптимальные параметры гелий-неоновых лазеров.

?