En helium-neonlaser är en laser vars aktiva medium är en blandning av helium och neon. Helium-neonlasrar används ofta i laboratorieexperiment och optik . Den har en operativ våglängd på 632,8 nm, belägen i den röda delen av det synliga spektrumet .
Arbetsmediet för en helium-neonlaser är en blandning av helium och neon i ett förhållande av 5:1, placerat i en glaskolv under lågt tryck (vanligtvis cirka 300 Pa ). Pumpenergin tillförs från två elektriska urladdare med en spänning på cirka 1000-5000 volt ( beroende på rörets längd) placerade i ändarna av kolven. Resonatorn för en sådan laser består vanligtvis av två speglar - helt ogenomskinliga på ena sidan av glödlampan och den andra, som sänder genom sig själv cirka 1% av den infallande strålningen på enhetens utgångssida.
Helium-neonlasrar är kompakta, med en typisk resonatorstorlek som sträcker sig från 15 cm till 2 m, och deras uteffekt varierar från 1 till 100 mW.
I en gasurladdning i en blandning av helium och neon bildas exciterade atomer av båda grundämnena . Det visar sig att energierna för den metastabila nivån av helium 1 S 0 och strålningsnivån för neon 2p 5 5s 2 [1/2] visar sig vara ungefär lika med 20,616 respektive 20,661 eV . Överföringen av excitation mellan dessa två tillstånd sker i följande process:
He* + Ne + ∆E → He + Ne*och dess effektivitet visar sig vara mycket stor (där (*) indikerar det exciterade tillståndet, och ΔE är skillnaden i energinivåerna för de två atomerna.) De saknade 0,05 eV tas från den kinetiska energin för atomernas rörelse . Populationen av neonnivån 2p 5 5s 2 [1/2] ökar och blir vid ett visst ögonblick större än den för den underliggande nivån 2p 5 3p 2 [3/2]. En inversion av nivåpopulationen sätter in - mediet blir kapabelt till lasergenerering.
Under neonatomens övergång från tillståndet 2p 5 5s 2 [1/2] till tillståndet 2p 5 3p 2 [3/2] emitteras strålning med en våglängd på 632,816 nm . Neonatomens 2p 5 3p 2 [3/2] tillstånd är också strålande med kort livslängd, och därför avexciteras detta tillstånd snabbt till 2p 5 3s nivåsystemet och sedan till 2p 6 grundtillståndet , antingen p.g.a. emission av resonansstrålning (strålande nivåer av 2p 5 3s-systemet), eller på grund av kollision med väggarna (metastabila nivåer av 2p 5 3s-systemet).
Dessutom, med rätt val av resonatorspeglar , är det möjligt att erhålla lasergenerering vid andra våglängder: samma nivå 2p 5 5s 2 [1/2] kan gå till 2p 5 4p 2 [1/2] med emission av en foton med en våglängd på 3,39 μm , och 2p 5 4s 2 [3/2] nivån, som uppstår i en kollision med en annan metastabil heliumnivå, kan gå till 2p 5 3p 2 [3/2] och emitterar en foton med en våglängd på 1,15 μm. Det är också möjligt att ta emot laserstrålning vid våglängder på 543,5 nm (grön), 594 nm (gul) eller 612 nm (orange).
Den spektrala bandbredden för en helium-neonlaser är ganska liten, cirka 1,5 GHz . Dess värde bestäms huvudsakligen av Doppler-breddningen av strålningen från neonatomer, som uppstår på grund av manifestationen av Dopplereffekten . Emissionsspektrumets smalhet gör helium-neonlasrar till bra strålningskällor för användning inom interferometri , holografi , spektroskopi , såväl som streckkodsläsare .
Den första gaslasern som drivs av en blandning av helium och neon demonstrerades av Ali Javan , William Bennett och D.R. Herriott ( eng. DR Herriott ) 1960 och avgav strålning vid en våglängd av 1,15 mikron (infraröd) [1] . Två år senare visade Alan David White och Dane Rigden att en helium-neonlaser kan sända ut strålning vid en våglängd på 632,8 nm, det vill säga inom det synliga området av spektrumet [2] . Det var denna cw-laser i det synliga området som sedan fick bred användning.