Гелий - неоновый лазер

В качестве активного вещества применяется смесь газов— гелия и неона (Р_He = 1 мм. рт. ст + P_Ne = 0,1 мм. рт. ст.) в разрядной трубке. Возбуждение осуществляется за счет тлеющего разряда (рис. 6).

Рис. 6. Схема гелий-неонового лазера: 1 − разрядная трубка; 2 − зеркала, одно прозрачно, другое полупрозрачно (8-10% пропускания); 3 − высоковольтный источник тока (1,5 кВ).

На рис. 7 показаны некоторые, интересующие нас уровни энергии атомов. Для получения индуцированного лазерного излучения, используется инверсная заселённость уровней 3S и 2P неона. Инверсная заселённость достигается следующим образом.

Смесь газов гелия (парциальное давление – 1 мм. рт. ст.) и неона (0,1 мм. рт. ст.) помещается в газоразрядную трубку. Внешний электрический источник поддерживает в трубке тлеющий разряд. Атомы гелия, соударяясь с электронами разряда, переходят в возбуждённое состояние 2S. Обратный переход маловероятен, т.к. состояние 2S метастабильно («почти стабильно»), время жизни атомов гелия в этом состоянии велико τ = 10 ^–3 с.

Рис. 7

До истечения времени жизни, атомы гелия успевают столкнутся с атомами неона и путём неупругого удара отдают запасённую энергию. Это приводит к возбуждению атома неона до уровня 3S. При переходе 3S — 2P происходит излучение фотонов красного цвета. Время жизни электронов на уровне 2P относительно невелико (10 ^–8  с против 10 ^–6с на уровне 3S), поэтому они быстро покидают это уровень, переходя в состояние 1S. Таким образом, в среднем на уровне 3S накапливается больше электронов, чем на уровне 2р, т.е. осуществляется инверсная заселённость. Случайный фотон, энергия которого соответствует разности энергий на уровнях 3S и 3P, может вызвать лавинообразное нарастающее индуцированное излучение.

Переходу 2P - 1S сопутствует спонтанное излучение. Уровень 1S также метастабильный, переход атомов неона в основное состояние происходит путём соударения их со стенками газоразрядной трубки. Поэтому трубки лазера имеют, как правило небольшой диаметр (около 5 мм). Энергия, выделенная при переходах 2P - 1S и 1S – основное состояние – это энергия потерь, объективно необходимая для обеспечения работы лазера.