Современные гелий-неоновые лазеры. Реферат по дисциплине Квантовая и оптическая электроника
 Скачать 218 Kb.
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра ЭПУ Реферат по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» Тема: Современные гелий-неоновые лазеры
ЗАДАНИЕ на реферат
Аннотация В данной работе будут изложены принципы работы, структура, характеристики гелий-неоновых лазеров. Подробно рассмотрены схема энергетических переходов и способ возбуждения энергетических уровней. Также в данной работе будут перечислены преимущества и недостатки He-Ne лазеров, и области их применения. Summary In this paper, the principles of operation, structure, and characteristics of helium-neon lasers will be described. The scheme of energy transitions and the method of excitation of energy levels are considered in detail. This paper will also list the advantages and disadvantages of He-Ne lasers, and their applications. содержание
введение Лазеры, в которых активной средой является газ или смесь газов, нашли наиболее широкое применение в различных областях науки и техники. Первый лазер был создан в 1960 г. Джаваном. В этом лазере использовалась смесь неона и гелия для генерации в ближней ИК области. В дальнейшем на смеси неона и гелия была осуществлена генерация в видимой части спектра λ = 6328 Ǻ. В настоящее время с помощью газовых лазеров перекрыт широкий диапазон частот, включающий УФ и ИК области. Разработано большое количество различных генераторов, как маломощных (выходная мощность ≤ 1 мВт), так и имеющих большую выходную мощность (до 104 Вт в непрерывном режиме и выше). Основным достоинством газов как рабочих веществ лазера является их высокая оптическая однородность. Плотность газа значительно ниже плотности твердых тел. Поэтому рассеяние света в газе на несколько порядков меньше. К тому же в газе не могут существовать большие градиенты концентрации частиц, так как они являются свободными и могут перемещаться в пространстве. Оптическая однородность газов допускает использование в лазерах открытых резонаторов с большим расстоянием между зеркалами, что облегчает получение высокой направленности излучения и его монохроматичности. Второе достоинство газов также связано с малой концентрацией частиц. Так как взаимодействие между частицами в газе мало, то энергетические уровни газа практически не отличаются от уровней атомов и молекул (с учетом их теплового движения). Это позволяет предсказывать возможные энергетические переходы в газовых лазерах. Одновременно с вышесказанным малая концентрация частиц в газе является источником основного недостатка газовых лазеров. Все они имеют малый коэффициент усиления. 1. Общие сведения о лазерах Устройство лазера Обобщенный лазер состоит из лазерной активной среды, системы «накачки» - источника напряжения и оптического резонатора (рис.1).  Рисунок 1 – Устройство лазера Система накачки передает энергию атомам или молекулам лазерной среды, давая им возможность перейти в возбужденное «метастабильное состояние» создавая инверсию населенности. При оптической накачке используются фотоны, обеспечиваемые источником, таким как ксеноновая газонаполненная импульсная лампа или другой лазер, для передачи энергии лазерному веществу. Оптический источник должен обеспечивать фотоны, которые соответствуют допустимым уровням перехода в лазерном веществе. Накачка при помощи столкновений основана на передаче энергии лазерному веществу в результате столкновения с атомами (или молекулами) лазерного вещества. При этом также должна быть обеспечена энергия, соответствующая допустимым переходам. Обычно это выполняется при помощи электрического разряда в чистом газе или в смеси газов в трубке. Химические системы накачки используют энергию связи, высвобождаемую в результате химических реакций для перехода лазерного вещества в метастабильное состояние. Оптический резонатор требуется для обеспечения нужного усилия в лазере и для отбора фотонов, которые перемещаются в нужном направлении. Когда первый атом или молекула в метастабильном состоянии инверсной населенности разряжается, за счет вынужденного излучения, он инициирует разряд других атомов или молекул, находящихся в метастабильном состоянии. Если фотоны перемещаются в направлении стенок лазерного вещества, обычно представляющего собой стержень или трубу, они теряются, а процесс усиления прерывается. Хотя они могут отразиться от стенок стержня или трубы, но рано или поздно они потеряются из системы, и не будут способствовать созданию луча. С другой стороны, если один из разрушенных атомов или молекул высвободит фотон, параллельный оси лазерного вещества, он может инициировать выделение другого фотона, и они оба отразятся зеркалом на конце генерирующего стержня или трубы. Затем, отраженные фотоны проходят обратно через вещество, инициируя дальнейшее излучение в точности по тому же пути, которое снова отразится зеркалами на концах лазерного вещества. Пока этот процесс усиления продолжается, часть усиления всегда будет выходить через частично отражающее зеркало. По мере того, как коэффициент усиления или прирост этого процесса превысит потери из резонатора, начинается лазерная генерация. Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света. Зеркала в лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для того, чтобы световые лучи были параллельны оси. Сам оптический резонатор, т.е. вещество среды, не должен сильно поглощать световую энергию. Лазерная среда (генерирующий материал) – обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа: • твердое вещество, • газ, • краситель, • полупроводник. Различные временные режимы работы лазера определяются частотой, с которой поступает энергия. Лазеры с непрерывным излучением (Continuous wave, CW) работают с постоянной средней мощностью луча. У одноимпульсных лазеров длительность импульса обычно составляет от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Этот режим работы обычно называется длинноимпульсным или нормальным режимом. Одноимпульсные лазеры с модуляцией добротности являются результатом внутрирезонаторного запаздывания (ячейка модуляции добротности), которое позволяет лазерной среде сохранять максимум потенциальной энергии. Затем, при максимально благоприятных условиях, происходит излучение одиночных импульсов, обычно с промежутком времени в 10-8 секунд. Эти импульсы обладают высокой пиковой мощностью, часто в диапазоне от 106 до 109 Вт. Импульсные лазеры периодического действия или сканирующие лазеры работают в принципе также как и импульсные лазеры, но с фиксированной (или переменной) частотой импульсов, которая может изменяться от нескольких импульсов в секунду до такого большого значения как 20 000 импульсов в секунду. [1] Принцип действия лазера Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.) Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности. Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера. 2. Гелий-неоновый лазер 2.1. Схема энергетических уровней Важнейшие для функции He-Ne-лазеров энергетические уровни гелия и неона представлены на рис. 2. Лазерные переходы осуществляются в атоме неона, причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волн 633, 1153 и 3391 нм.  Рисунок 2 - Схема энергетических уровней He-Ne-лазера. Генерация происходит между уровнями неона, а гелий добавляется для осуществления процесса накачки. Как видно из рисунка, уровни 23S1 и 21S0 гелия расположены, соответственно, близко к уровням 2s и 3s неона. Поскольку уровни гелия 23S1 и 21S0 являются метастабильными, то при столкновении метастабильных возбужденных атомов гелия с атомами неона, произойдет резонансная передача энергии к атомам неона (соударения второго рода).[2] Таким образом, уровни 2s и 3s неона могут заселяться и, следовательно, с этих уровней может идти генерация. Время жизни s-состояний (ts»100 нс) намного больше времени жизни р -состояний (tр»10 нс), поэтому выполняется условие для работы лазера по четырехуровневой схеме: 11S Þ (3s, 2s) Þ(3p,2p) Þ 1s . 2.2. Возбуждение Активная среда гелий-неонового лазера представляет собой газовую смесь, к которой в электрическом разряде подается необходимая энергия. Верхние лазерные уровни (2s и 2р) избирательно заселяются на основе столкновений с метастабильными атомами гелия (23S1, 21S0). При этих столкновениях происходит не только обмен кинетической энергией, но и передача энергии возбужденных атомов гелия атомам неона. Этот процесс называют столкновением второго рода: Не* + Ne -> Не + Ne* + ΔЕ, (1) где звездочка (*) символизирует именно возбужденное состояние. Разность энергий составляет в случае возбуждения 2s-уровня: ΔE=0,05 эВ. При столкновении имеющаяся разность преобразуется в кинетическую энергию, которая затем распределяется в виде тепла. Для 3s-уровня имеют место идентичные отношения. Такая резонансная передача энергии от гелия к неону и есть основной процесс накачки при создании инверсии населенностей. При этом долгое время жизни метастабильного состояния Не благоприятно сказывается на селективности заселения верхнего лазерного уровня. Возбуждение He-атомов происходит на основе соударения электронов - либо непосредственно, либо через дополнительные каскадные переходы из вышележащих уровней. Благодаря долгоживущим метастабильным состояниям плотность атомов гелия в этих состояниях весьма велика. Верхние лазерные уровни 2s и 3s могут - с учетом правил отбора для электрических доплеровских переходов - переходить только в нижележащие р-уровни. Для успешного генерирования лазерного излучения крайне важно, что время жизни s-состояний (верхний лазерный уровень) = примерно 100 нc, превышает время жизни р-состояний (нижний лазерный уровень) = 10 нc. 2.3. Длины волн Рассмотрим более детально важнейшие лазерные переходы. Самая известная линия в красной области спектра (0,63 мкм) возникает вследствие перехода 3s2 → 2р4. Нижний уровень расщепляется в результате спонтанного излучения в течение 10 нс в 1s-уровень (рис. 1). Последний устойчив к расщеплению благодаря электрическому дипольному излучению, так что для него характерна долгая естественная жизнь. Поэтому атомы концентрируются в данном состоянии, которое оказывается высоконаселенным. В газовом разряде атомы в таком состоянии сталкиваются с электронами, и тогда вновь происходит возбуждение 2р- и 3s-уровней. При этом уменьшается инверсия населенностей, что ограничивает мощность лазера. Опустошение ls-состояния осуществляется в гелий-неоновых лазерах преимущественно из-за столкновений со стенкой газоразрядной трубки, в связи с чем при увеличении диаметра трубки отмечается снижение усиления и понижение кпд. Поэтому на практике диаметр ограничивается примерно 1 мм, что, в свою очередь, приводит к ограничению выходной мощности He-Ne-лазеров несколькими десятками мВт. Участвующие в лазерном переходе электронные конфигурации 2s, 3s, 2р и Зр расщепляются в многочисленные подуровни. Это приводит, например, к дальнейшим переходам в видимой области спектра. Схема уровней (рис. 1) показывает, что верхние лазерные уровни располагаются примерно на 20 эВ выше основного состояния. Энергия же красного лазерного излучения составляет всего 2 эВ. Излучение в инфракрасном диапазоне около 1,157 мкм возникает посредством переходов 2s → 2р. То же самое относится к несколько более слабой линии примерно 1,512 мкм. Обе эти инфракрасных линии находят применение в лазерах коммерческого назначения. Характерной особенностью линии в ИК-диапазоне при 3,391 мкм является высокое усиление. В зоне слабых сигналов, то есть при однократном прохождении слабых световых сигналов, оно составляет порядка 20 дБ/м. Это соответствует коэффициенту 100 для лазера длиной в 1 метр. Верхний лазерный уровень такой же, как и при известном красном переходе (0,63 мкм). Высокое усиление, с одной стороны, вызвано крайне коротким временем жизни на нижнем 3p-уровне. С другой стороны, это объясняется относительно большой длиной волны и, соответственно, низкой частотой излучения. Обычно соотношение вынужденного и спонтанного излучений увеличивается для низких частот ƒ. Усиление слабых сигналов g, как правило, пропорционально g ƒ2. Без селективных элементов излучение гелий-неонового лазера происходило бы на линии 3,39 мкм, а не в красной области при 0,63 мкм. Возбуждению инфракрасной линии препятствует либо селективное зеркало резонатора, либо поглощение в брюстеровских окнах газоразрядной трубки. Благодаря этому порог генерации лазера может повыситься до уровня, достаточного для излучения 3,39 мкм, так что здесь появляется только более слабая красная линия. 2.4. Конструктивное исполнение  Рисунок 3 – Конструктивное исполнение He-Ne-лазера Гелий-неоновые лазеры, как правило, имеют блочную конструкцию и состоят из блока питания и непосредственно излучателя, в котором находится стеклянная газоразрядная трубка (ГРТ), размещенная в резонаторе, образованном одним «глухим» и одним частично пропускающим зеркалами. Зеркала имеют диэлектрическое многослойное покрытие с максимумом отражения на одной (или нескольких) длинах волн. Радиусы кривизны зеркал подбираются так, чтобы при заданном расстоянии между зеркалами образовывался устойчивый оптический резонатор. Зеркала резонатора крепятся в специальных головках, механизм которых позволяет юстировать резонатор с необходимой точностью. Головки могут располагаться на общем жестком основании или сочленяться с каркасом корпуса лазера. В последних конструкциях используются, так называемые «внутренние» зеркала, которые одновременно служат и выходными окнами разрядной трубки. Такие конструкции не требуют дополнительной настройки резонатора (юстировки).[3] Для уменьшения потерь при выводе излучения торцы ГРТ располагают под углом Брюстера к оптической оси резонатора. В случае внутренних зеркал окно Брюстера помещается непосредственно вовнутрь ГРТ. С какой целью применяют окна Брюстера? Как известно, коэффициент отражения от поверхности, разделяющей две среды с различным показателем преломления, зависит от угла падения, относительного показателя преломления и типа поляризации падающего излучения. При нормальном падении потери колеблются в пределах 7–13 % и значительно превышают усиление в активной среде He-Ne лазера на длине волны 0,63 мкм; следовательно, условие самовозбуждения не выполняется и лазерная генерация невозможна. При наклонном падении излучения коэффициент отражения существенно зависит от ориентации его плоскости поляризации. В случае совпадения плоскости поляризации падающего излучения с плоскостью падения, когда угол падения равен углу Брюстера, коэффициент отражения становится равным нулю. Для определения угла Брюстера можно воспользоваться простым соотношением: tgαБр = n, где n – относительный показатель преломления. В частности, для границы раздела стекло-воздух n = 1,5–1,6 и αБр = 56–58 °. Именно под таким углом к оптической оси трубки надо расположить торцевую пластинку, чтобы свести потери на отражение к минимуму. При этом излучение на выходе становится линейно поляризованным. Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров при отсутствии ошибок в изготовлении ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. Обычно производитель гарантирует минимальную наработку 10000 часов. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений Не и Ne. Поэтому мощность излучения постепенно уменьшается. КПД He-Ne лазера на всех лазерных переходах очень низкий (<10-3). Главной причиной столь низкого КПД является малая величина квантовой эффективности лазера. Действительно, каждый элементарный процесс накачки требует затраты энергии около 20 эВ, в то время как энергия лазерного фотона не превышает 2 эВ. С другой стороны, наличие очень узкой линии усиления в таком лазере является очевидным преимуществом при получении генерации в одномодовом режиме. Если длина резонатора достаточно мала (< 15–20 см), генерацию на одной продольной моде можно реализовать путем тонкой подстройки длины резонатора (например, с помощью пьезокерамического устройства), добиваясь, таким образом, совпадения частоты моды с центром контура усиления. В одномодовом He-Ne лазере можно обеспечить очень высокую степень стабилизации частоты ∆ν/ν = 10-11 – 10-12. 3. Области применения гелий-неоновых лазеров Гелий-неоновые лазеры часто используются в научных исследованиях и оптике. Этот лазер предназначен для широкого круга приложений таких областей, как сканирующая микроскопия, спектроскопия, метрология, промышленные измерения, позиционирование, выравнивание, направленных, тестирования, проверки кода, научные, фундаментальные и медицинские исследования, а также для образовательных целей.[4] Генерирующие на красном переходе He-Ne лазеры до сих пор находят широкое применение во многих областях, где требуется маломощное когерентное излучение видимого диапазона (например, для юстировки приборов или при считывании штрих- кодов). В супермаркетах используют красные He-Ne лазеры для считывания информации, содержащейся в штрих-коде каждого продукта. He-Ne лазеры зеленого диапазона, благодаря тому, что зеленый свет намного лучше воспринимается глазом, все в большей степени используются при юстировке приборов, а также в клеточной цитометрии. Кроме того, одночастотные He-Ne лазеры часто используются в метрологических приложениях (например, в высокоточных интерференционных устройствах измерения расстояний) и в голографии. В медицине He-Ne лазеры применяются для низкоинтенсивной лазерной терапии. заключение Гелий-неоновый лазер - относится к числу наиболее часто используемых и самых приемлемых по цене лазеров для видимой области спектра. Достоинством гелий-неоновых лазеров является высокая когерентность излучения, малая потребляемая мощность и небольшие габариты. Основные недостатки – невысокий КПД (от 0,01 до 0,1%) и низкая выходная мощность, не превышающая 100 мВт. He-Ne-лазеры способны, наряду с красными линиями, излучать также оранжевые, желтые и зеленые, что достигается благодаря соответствующим селективным зеркалам. список использованных источников Устройство и применение лазера // Учебные материалы. URL: https://works.doklad.ru/view/V2f_owzXWvs.html . Гелий-неоновый лазер // Poznayka. URL: https://poznayka.org/s71779t1.html. Основы лазерной безопасности. Исследование принципа работы и параметров генерации He‐Ne лазера/ сост.: Ф.А. Губарев. Томск: Изд-во НИ ТПУ, 2017. Гелий-неоновый лазер //Wiki. URL: https://ru.qaz.wiki/wiki/Helium–neon_laser | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||