لیزر هلیوم نئون

لیزر هلیوم-نئون یا لیزر He-Ne، نوعی لیزر گازی است که محیط پرانرژی آن از مخلوطی به نسبت ۱۰:۱ هلیوم و نئون با فشار کلی حدود ۱ تور داخل یک تخلیه الکتریکی کوچک تشکیل شده‌است. شناخته شده‌ترین و پرکاربردترین لیزر هلیوم-نئون در طول موج ۶۳۲٫۸ نانومتر، در قسمت قرمز طیف مرئی کار می‌کند.

لیزر هلیوم-نئون در دانشگاه کمنیتس آلمان

تاریخچه توسعه لیزر هلیوم-نئون

اولین لیزرهای هلیوم-نئون در ۱۱۵۰ نانومتر فروسرخ گسیل کردند، و اولین لیزرهای گازی و اولین لیزرهایی با خروجی موج پیوسته بودند. با این حال، لیزری که در طول موج‌های مرئی کار می‌کرد، بسیار مورد تقاضا بود، و تعدادی از انتقال‌های نئونی دیگر برای شناسایی مواردی که در آن‌ها می‌توان به وارونگی جمعیت دست یافت، مورد بررسی قرار گرفت. خط ۶۳۳ نانومتر مشخص شد تا دارای بالاترین بهره در طیف مرئی و این طول موج انتخابی برای اکثر لیزرهای هلیوم-نئون باشد. با این حال، سایر طول موج‌های انتشار-تحریک شده مرئی و مادون قرمز، و با استفاده از پوشش‌های آینه ای با حداکثر بازتاب آنها در این طول موج‌های دیگر امکان‌پذیر می‌باشند. لیزرهای هلیوم-نئون را می‌توان برای استفاده از این انتقال‌ها مهندسی کرد، از جمله لیزرهای مرئی که قرمز، نارنجی، زرد و سبز به نظر می‌رسند.^[1] انتشارات تحریک شده از بیش از ۱۰۰ میکرومتر مورد در مادون قرمز دور تا ۵۴۰ نانومتر در مرئی شناخته شده‌اند.

از آنجایی که انتقال‌های مرئی تا حدی دارای بهره کمتری هستند، این لیزرها عموماً بازده خروجی کمتری دارند، هزینه بیشتری نیز دارند. ۳٫۳۹ میکرومتر انتقال بهره بسیار بالایی دارد، اما از استفاده در لیزر هلیوم-نئون معمولی (با طول موج مورد نظر متفاوت) جلوگیری می‌شود، زیرا حفره و آینه‌ها در آن طول موج دارای تلفات هستند. با این حال، در لیزرهای پرقدرت هلیوم-نئون که دارای یک حفره به خصوص طولانی هستند، ابرلومینسانس در ۳٫۳۹ میکرومتر می‌تواند به یک مزاحم تبدیل شود، انرژی را از محیط انتشار تحریک‌شده سلب کند، که اغلب به سرکوب اضافی نیاز دارد.

شناخته شده‌ترین و پرکاربردترین لیزر هلیوم-نئون در طول موج ۶۳۲٫۸ نانومتر، در قسمت قرمز طیف مرئی کار می‌کند. در سال ۱۹۶۲ در آزمایشگاه تلفن بل،^[2][3] 18 ماه پس از نمایش پیشگامانه اولین لیزر گازی هلیوم-نئون مادون قرمز پیوسته در همان آزمایشگاه در دسامبر ۱۹۶۰ توسعه یافت.^[4]

ساخت و بهره‌برداری

محیط بهره لیزر، همان‌طور که از نامش پیداست، مخلوطی از گازهای هلیوم و نئون به نسبت تقریباً ۱۰:۱ است که با فشار کم در یک پاکت شیشه ای موجود است. مخلوط گاز بیشتر هلیوم است، به طوری که اتم‌های هلیوم می‌توانند برانگیخته شوند. اتم‌های هلیوم برانگیخته با اتم‌های نئون برخورد می‌کنند و برخی از آنها را به حالتی برانگیخته می‌کند که ۶۳۲٫۸ نانومتر تابش می‌کند. بدون هلیوم، اتم‌های نئون بیشتر برانگیخته خواهند شد تا به حالت‌های برانگیخته پایین‌تر، مسئول خطوط غیر لیزری، برانگیخته می‌شوند.

نمودار شماتیک یک لیزر هلیوم-نئون

یک لیزر نئون بدون هلیوم می‌تواند ساخته شود، اما بدون این وسیله اتصال انرژی بسیار دشوارتر است؛ بنابراین، لیزر هلیوم-نئون که به اندازه کافی هلیوم خود را از دست داده‌است (مثلاً به دلیل انتشار از طریق مهر و موم یا شیشه) عملکرد لیزر خود را از دست می‌دهد زیرا راندمان پمپاژ بسیار پایین خواهد بود.^[5] منبع انرژی یا پمپ لیزر توسط یک تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا که از طریق گاز بین الکترودها (آند و کاتد) درون لوله عبور می‌کند، تأمین می‌شود. جریان دی‌سی ۳ تا ۲۰ میلی‌آمپر معمولاً برای عملیات CW مورد نیاز است. حفره نوری لیزر معمولاً از دو آینه مقعر یا یک صفحه و یک آینه مقعر تشکیل شده‌است: یکی دارای بازتاب بسیار بالا (معمولاً ۹۹٫۹٪) و آینه تزویج‌گر خروجی که امکان انتقال تقریباً ۱٪ را فراهم می‌کند.

لیزرهای تجاری هلیوم-نئون دستگاه‌های نسبتاً کوچکی هستند، در بین لیزرهای گازی که دارای طول حفره معمولاً بین ۱۵ تا ۵۰ است. سانتی‌متر (اما گاهی تا حدود ۱ متر برای دستیابی به بالاترین توان) و سطوح توان خروجی نوری از ۰٫۵ تا ۵۰ میلی‌وات.

سطوح انرژی در لیزر هلیوم-نئون

طول موج لیزر هلیوم-نئون قرمز ۶۳۳ نانومتر دارای طول موج خلاء واقعی ۶۳۲٫۹۹۱ است نانومتر یا حدود ۶۳۲٫۸۱۶ نانومتر در هوا طول موج حالت‌های انتشار تحریک شده در حدود ۰٫۰۰۱ قرار دارد نانومتر بالاتر یا کمتر از این مقدار، و طول موج آن حالت‌ها به دلیل انبساط و انقباض حرارتی حفره در این محدوده تغییر می‌کند. نسخه‌های تثبیت‌شده با فرکانس، طول موج یک حالت واحد را در ۱ مشخص می‌کنند. بخش 10⁸ با تکنیک مقایسه توان دو حالت طولی در قطبش‌های مخالف.^[6] تثبیت مطلق فرکانس (یا طول موج) لیزر به اندازه ۲٫۵ قطعات 10¹¹ را می‌توان با استفاده از سلول جذب ید به دست آورد.^[7]

لیزر رینگ هلیوم-نئون

سازوکار ایجاد وارونگی جمعیت و تقویت نور در پلاسمای لیزر هلیوم-نئون^[8] از برخورد غیرالاستیک الکترون‌های پرانرژی با اتم‌های هلیوم حالت پایه در مخلوط گاز سرچشمه می‌گیرد. همان‌طور که در نمودار سطح انرژی همراه نشان داده شده‌است، این برخوردها اتم‌های هلیوم را از حالت پایه به حالت‌های برانگیخته با انرژی بالاتر، از جمله ${\textstyle {\ce {2^3 S1}}}$ و ${\textstyle {\ce {2^1S0}}}$ (LS، یا جفت راسل-ساندر، شماره جلو، تحریک می‌کنند. ۲ نشان می‌دهد که یک الکترون برانگیخته n است = حالت ۲) حالت‌های فراپایدار با عمر طولانی هستند. به دلیل تصادفی تقریباً تصادفی بین سطوح انرژی دو حالت ناپایدار He و سطوح نئون 5s₂ و 4s₂ (نماد Paschen^[9] ])، برخورد بین این اتم‌های بی‌پایدار هلیوم و اتم‌های نئون حالت پایه منجر به انتقال انتخابی و کارآمد انرژی تحریک از هلیوم به نئون. این فرایند انتقال انرژی تحریکی توسط معادلات واکنش داده می‌شود

${\displaystyle {\ce {He^{\star }(2^{3}S1)+Ne^{1}S0->He(^{1}S0)+Ne^{\star }4s2+\Delta E}}}$ ,

${\displaystyle {\ce {He^{\star }(2^{1}S)+Ne^{1}S0+\Delta E->He(^{1}S0)+Ne^{\star }5s2}}}$

طیف لیزر هلیوم-نئون که خلوص طیفی بسیار بالای آن را نشان می‌دهد (محدود شده توسط دستگاه اندازه‌گیری). ۰٫۰۰۲ پهنای باند نانومتری محیط انتشار تحریک شده بیش از ۱۰۰۰۰ برابر باریکتر از عرض طیفی یک دیود گسیل کننده نور است (برای مقایسه به طیف آن مراجعه کنید)، با پهنای باند یک حالت طولی منفرد هنوز هم بسیار باریک‌تر است.

که در آن * یک حالت برانگیخته را نشان می‌دهد و ΔE اختلاف انرژی کوچک بین حالات انرژی دو اتم، از مرتبه ۰٫۰۵ است. eV یا ۳۸۷ سانتی‌متر ^-1، که توسط انرژی جنبشی تأمین می‌شود. انتقال انرژی - تحریک جمعیت سطوح نئون 4s ₂ و 5s ₂ را چندین برابر افزایش می‌دهد. هنگامی که جمعیت این دو سطح بالا از سطح پایین‌تر مربوطه، 3p₄ که به صورت نوری به آن متصل هستند، بیشتر شود، وارونگی جمعیت وجود دارد. این محیط قادر است نور را در یک باند باریک در ۱٫۱۵ تقویت کند میکرومتر (مرتبط با انتقال 4s₂ به 3p₄) و در یک نوار باریک در ۶۳۲٫۸ نانومتر (مرتبط با انتقال 5s ₂ به 3p ₄). سطح 3p ₄ به‌طور مؤثر با واپاشی تابشی سریع به حالت 3s تخلیه می‌شود و در نهایت به حالت پایه می‌رسد.

مرحله باقیمانده در استفاده از تقویت نوری برای ایجاد یک نوسان ساز نوری، قرار دادن آینه‌های بسیار بازتابنده در هر انتهای محیط تقویت کننده است، به طوری که یک موج در یک حالت فضایی خاص به خود منعکس می‌شود و در هر گذر، قدرت بیشتری نسبت به از دست دادن قدرت به دست می‌آورد. برای انتقال از طریق آینه‌ها و پراش. هنگامی که این شرایط برای یک یا چند حالت طولی برآورده می‌شود، تابش در آن حالت‌ها به سرعت افزایش می‌یابد تا زمانی که اشباع بهره رخ دهد، و در نتیجه یک خروجی پرتو لیزر پیوسته از طریق آینه جلویی (معمولاً ۹۹٪ بازتابنده) ایجاد می‌شود. پهنای باند بهره لیزر هلیوم-نئون به جای افزایش فشار به دلیل فشار کم گاز، تحت سلطه گسترش داپلر است و بنابراین کاملاً باریک است: فقط حدود ۱٫۵ گیگاهرتز عرض کامل برای ۶۳۳ انتقال نانومتر^[10][11] با حفره‌هایی با طول معمولی ۱۵ تا ۵۰ سانتی‌متر، این اجازه می‌دهد تا حدود ۲ تا ۸ حالت‌های طولی برای نوسان به‌طور همزمان (با این حال، واحدهای تک حالت طولی برای کاربردهای خاص در دسترس هستند). خروجی مرئی لیزر هلیوم-نئون قرمز، طول پیوستگی طولانی و کیفیت فضایی عالی آن، این لیزر را به منبع مفیدی برای هولوگرافی و به عنوان مرجع طول موج برای طیف‌سنجی تبدیل می‌کند. لیزر هلیوم-نئون تثبیت شده نیز یکی از سیستم‌های معیار برای تعریف متر است.^[12]

قبل از اختراع لیزرهای دایود ارزان و فراوان، لیزرهای قرمز هلیوم-نئون به‌طور گسترده در اسکنرهای بارکد در پیشخوان‌های فروشگاه‌های سوپرمارکت استفاده می‌شد. ژیروسکوپ‌های لیزری از لیزرهای هلیوم-نئون استفاده می‌کنند که در ۶۳۳ نانومتر کار می‌کنند در پیکربندی لیزر حلقه‌ای. لیزرهای هلیوم-نئون به‌طور کلی در آزمایشگاه‌های نوری آموزشی و تحقیقاتی وجود دارد.

برنامه‌های کاربردی

لیزرهای Red هلیوم-نئون کاربردهای صنعتی و علمی بسیار زیادی دارند. این لیزرها به دلیل هزینه نسبتاً پایین و سهولت کار در مقایسه با سایر لیزرهای مرئی که پرتوهایی با کیفیت مشابه از نظر انسجام فضایی (پرتو گاوسی تک حالته) و طول پیوستگی طولانی تولید می‌کنند، به‌طور گسترده در آزمایشات آزمایشگاهی در زمینه اپتیک استفاده می‌شوند. با این حال، از حدود سال ۱۹۹۰، لیزرهای نیمه هادی جایگزین کم هزینه ای برای بسیاری از کاربردهای این چنینی ارائه کرده‌اند.

از سال ۱۹۷۸، لیزرهای لوله ای هلیوم-نئون (تولید شده توسط توشیبا و ان‌ای‌سی) در پخش‌کننده‌های لیزردیسک پایونیر استفاده شد. این امر تا سال ۱۹۸۴ ادامه یافت که در مدل‌های سال ۱۹۸۴ از دیودهای لیزر مادون قرمز استفاده شد. پایونیر به استفاده از دیودهای لیزر در همه پخش‌کننده‌های بعدی تا زمان توقف این فرمت در سال ۲۰۰۹ ادامه داد.

جستارهای وابسته

لیست انواع لیزر

منابع

1. Willet, C.S. (1974). An Introduction to Gas Lasers. Pergamon Press. pp. 407–411
2. White, A.D.; Rigden, J.D. (1962). "Correspondence: Continuous gas maser operation in the visible". Proceedings of the IRE. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 50 (7): 1697. doi:10.1109/jrproc.1962.288157. ISSN 0096-8390.
3. White, A.D. (October 2011). "Recollections of the first continuous visible laser". Optics and Photonics News. Vol. 22, no. 10. p. 34–39.
4. Javan, A.; Bennett, W.R.; Herriott, D.R. (1961-02-01). "Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He–Ne mixture". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 6 (3): 106–110. Bibcode:1961PhRvL...6..106J. doi:10.1103/physrevlett.6.106. ISSN 0031-9007.
5. "Sam's Laser FAQ – Helium-Ne Lasers". K3PGP.org.
6. Niebauer, T.M.; Faller, James E.; Godwin, H.M.; Hall, John L.; Barger, R.L. (1988-04-01). "Frequency stability measurements on polarization-stabilized He–Ne lasers". Applied Optics. The Optical Society. 27 (7): 1285–1289. Bibcode:1988ApOpt..27.1285N. doi:10.1364/ao.27.001285. ISSN 0003-6935. PMID 20531556.
7. Iodine-stabilized helium–neon laser. National Institute of Standards and Technology (NIST). NIST Museum (Report). U.S. Department of Commerce. Archived from the original on 21 July 2006.
8. Javan, A.; Bennett, W.R.; Herriott, D.R. (1961-02-01). "Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He–Ne mixture". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 6 (3): 106–110. Bibcode:1961PhRvL...6..106J. doi:10.1103/physrevlett.6.106. ISSN 0031-9007.
9. "Notes on the Paschen notation". Archived from the original on 2012-06-18.
10. Niebauer, T.M.; Faller, James E.; Godwin, H.M.; Hall, John L.; Barger, R.L. (1988-04-01). "Frequency stability measurements on polarization-stabilized He–Ne lasers". Applied Optics. The Optical Society. 27 (7): 1285–1289. Bibcode:1988ApOpt..27.1285N. doi:10.1364/ao.27.001285. ISSN 0003-6935. PMID 20531556.
11. "Sam's Laser FAQ". RepairFAQ.
12. (Report). {{cite report}}: Missing or empty |title= (help)