Методические указания к лабораторным работам Особенности устройства и работы гелий-неонового лазера 2007 г (стр. 1 из 2)

Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Н.Э.БАУМАНА

Методические указания к лабораторным работам

Особенности устройства и работы гелий-неонового лазера

2007 г.

He-Ne-лазер, созданный Джаваном, Беннетом и Эриотом в конце 1960 года, был исторически первым газовым лазером и первым лазером с непрерывной генерацией. Гелий-неоновый лазер и в настоящее время имеет наибольшее значение среди прочих лазеров (за исключением полупроводниковых), отличается совершенством конструкции, надежностью, наиболее широкой номенклатурой серийно выпускаемых моделей. В зависимости от режима работы, конструкции и габаритных размеров мощность излучения составляет от десятых долей до сотен милливатт при КПД от тысячных до сотых долей процента. Стабильность частоты в одночастотном режиме достигает

, расходимость одномодового излучения 0,5–1 мрад. При достаточно высокой безотказности большинство лазеров имеет срок службы от 5000 до 20000 ч, а в отдельных случаях – до 100 тыс. ч.

Основные схемы конструкций He-Ne-лазеров приведены на рис. 1. Существенными ее элементами являются зеркала оптического резонатора 1, 2 и газоразрядная трубка (рабочий капилляр) 3, заполненная смесью двух инертных газов.

Возбуждение атомов Не осуществляется вследствие их соударения со свободными быстрыми электронами, для разгона которых используется тлеющий разряд. Для тлеющего разряда характерны небольшая плотность тока и, соответственно, слабый разогрев (до нескольких десятков градусов) и свечение плазмы. Тлеющий разряд можно получить либо с помощью высоковольтного постоянного напряжения (рис. 1 а) между электродами: анодом А и катодом К (несколько киловольт на метр разрядного промежутка), либо с помощью высокочастотного (в несколько десятков или сотен МГц) и сравнительно низковольтного напряжения. В последнем случае внешние по отношению к разрядному капилляру электроды упрощают конструкцию разрядной трубки, сглаживают шумы разряда, но усиливают процесс дегазации активной смеси; по этой причине (а также из-за заметного усложнения блока питания и, соответственно, его стоимости) ВЧ-накачка применяется сравнительно редко.

Как видно из рис. 1 а, в схеме с накачкой разрядом постоянного тока с помощью впаянных в газоразрядную трубку электродов 5 и 6 и источника питания с постоянным напряжением

зажигается и поддерживается электрический разряд. Последовательно с газоразрядной трубкой включен балансный резистор , ограничивающий силу разрядного тока (после поджига), стабилизирующий разряд и защищающий источник питания от перегрузок.

Источник питания представляет собой маломощный высоковольтный выпрямитель, рассчитанный на питание от сети переменного тока (обычно

В) или от аккумулятора. Поскольку напряжение зажигания разряда в несколько раз превышает напряжение горения, имеется дополнительная цепь поджига, в которой конденсатор заряжается от источника высокого напряжения , затем через кнопку «Поджиг» и повышающую обмотку импульсного трансформатора на трубку подается (на короткое время) , необходимое для ионизации газового столба (пробоя газа) и предварительного формирования тлеющего разряда.

При расположении зеркал резонатора вне газоразрядной трубки (см. рис. 1 а), необходимо исключить потери при выводе лазерного излучения через ее торцы 4, которые обусловлены в основном френелевским отражением.

Обычно торцы трубки представляют собой плоскопараллельные пластины (заглушки) из стекла или кварца. При нормальном падении излучения на заглушки потери на отражение за полный цикл (от одного зеркала до него же) составит

, что существенно превышает (на длине волны 0,633 мкм) усиление в активной среде; следовательно, условие самовозбуждения не выполняется и лазерная генерация невозможна. Потери на отражение минимизируются, если заглушки расположены на торцах газоразрядной трубки не перпендикулярно ее оси, а под углом, равным углу Брюстера . В этом случае согласно формулам Френеля коэффициент отражения для волны, поляризованной параллельно плоскости падения, становится равным нулю и френелевские потери будут отсутствовать. Такие окна называются окнами Брюстера.

Для определения угла Брюстера можно воспользоваться известным соотношением

, где n – относительный показатель преломления пластины. В частности, для границы раздела стекло-воздух и . Очевидно, что излучение лазера, внутри резонатора которого расположены окна Брюстера, будет плоскополяризованным, поскольку условие самовозбуждения будет выполняться только для волны, вектор Е которой лежит в плоскости параллелен оптической оси резонатора.

Поскольку коэффициент усиления в He-Ne-лазере мал, особенно для (красной)

мкм и «нетрадиционных» длин волн генерации (зеленой мкм, желтой мкм, оранжевой мкм), то для повышения усиления за один пробег используют длинные газоразрядные трубки, а для уменьшения потерь — окна Брюстера на торцах трубки и резонатор с высокой добротностью. Это накладывает жесткие требования к качеству зеркал резонатора. Коэффициент отражения на рабочей длине волны для одного из них должен быть близок к 100% (глухое зеркало), а для другого — 99,5…98% при пропускании 0,5-2%. Металлические покрытия этим требованиям не удовлетворяют и в резонаторе He-Ne-лазера всегда применяются многослойные (интерференционные) диэлектрические зеркала. Они представляют собой плоские или сферические пластины, изготовленные из оптического стекла (реже - из плавленого кварца, ситалла, лейкосапфира и других кристаллов), на которые обычно методом испарения в вакууме нанесены чередующиеся диэлектрические слои толщиной и с разными показателями преломления и (см. рис. 2, а): высоким и низким .

Оптическая толщина каждого слоя

и подбирается такой, чтобы интерференция шла на максимум (или минимум). Например, при соблюдении условия

на длине волны

будет наблюдаться максимум отражения и минимум пропускания в многослойном покрытии из диэлектрических слоев, как показано на рис. 2 б. Для видимой и ближней инфракрасной областей ( мкм) часто используются слои из сернистого цинка ZnS ( ) и фтористого магния MgF₂ ( ). Для других спектральных областей применяются другие материалы.

Изменение коэффициента отражения в максимуме достигается изменением числа слоев. Так, диэлектрические покрытия в 15-17 слоев обеспечивают высокие коэффициенты отражения зеркал (

) при поглощении и светорассеянии порядка долей процента ( ). Дальнейшее увеличение количества слоев, как правило, не приводит к увеличению коэффициента отражения ( ), а иногда и снижает его за счет возрастания светорассеяния.

Технология интерференционных покрытий зеркал лазера обеспечивает также получение значительной выходной мощности и стабильной генерации лазера, например, на длине волны

мкм, путем подавления сопутствующей генерации на мкм за счет высокого отражения на рабочей длине волны и малого — на длине волны конкурирующего перехода.