Un laser cu heliu-neon este un laser cu gaz la scară mică. Are multe aplicații științifice și industriale, este folosit și în laborator pentru demonstrații optice . Emite în roșu la 632,8 nm ( nanometri ).
Mediul de amplificare este un amestec de neon și heliu gazos , într - o cantitate de la Variabil 1 / de 5 acompaniat de 1 / de 20 , presiune scăzută închisă (în medie 50 Pa pe centimetru de lungime a cavității) într - o fiolă de sticlă. Sursa de energie a laserului (sau „sursa de pompare”) este o descărcare electrică de ordinul unui kilovolt aplicat anodului și catodului situat pe ambele părți ale tubului de sticlă. În cazul unei emisii continue, cel mai des se folosește un curent de 5 până la 100 mA . Cavitatea optică a laserului constă de obicei dintr - o oglindă cu un grad ridicat de reflexie de putere pe o parte a tubului, și o oglindă concavă ( cuplor de ieșire ) , cu un indice de transmisie de aproximativ 1% , pe de altă parte.
Laserele cu heliu-neon sunt de obicei de dimensiuni mici, cu o cavitate optică care măsoară 15 până la 50 cm lungime și o putere de ieșire de 1 la 100 mW .
Lungimea de undă a roșului în laserele cu heliu-neon este de obicei dată ca 632 nm . Cu toate acestea, valoarea sa exactă în aer fiind de 632.816 nm , 633 nm ar fi mai aproape de adevăr. Pentru a calcula energia fotonului, trebuie să păstrăm valoarea lungimii de undă în vid, care este 632,991 nm . Lungimea de undă specifică funcționează de la aproximativ 0,002 nm datorită expansiunii termice a cavității. Există versiuni stabilizate a căror precizie este de ordinul 10 -12 nm.
Într-un laser cu heliu-neon, totul începe cu coliziunea unui electron de la descărcarea electrică cu un atom de heliu în amestecul gazos. Această coliziune excită atomul de heliu de la starea sa fundamentală la stările cuantice de lungă durată 2 3 S 1 și 2 1 S 0 , care sunt stări excitate metastabile . O coliziune a unui atom de heliu excitat cu un atom de neon în starea sa fundamentală creează un transfer de energie către atomul de neon care este apoi excitat în starea 3s 2 . Acest lucru se datorează concordanței nivelurilor de energie ale atomilor de heliu și neon.
Procesul este descris de ecuația:
He (2 1 S) * + Ne + ΔE → He (1 1 S) + Ne3s 2 *în care (*) reprezintă o stare excitată și ΔE diferența mică de energie între stările de energie ale celor doi atomi, de ordinul 0,05 eV ( electron-volt ) sau 387 cm -1 , care este furnizată de l ' energie cinetică . Numărul atomilor de neon în starea excitată crește pe măsură ce coliziile dintre atomii de heliu și neon cresc, rezultând , în cele din urmă , o inversare a populației . Emisia spontană și emisia stimulată între stările 3s 2 și 2p 4 produc o emisie de lumină de peste 632,82 nm, care este lungimea de undă caracteristică a laserului cu heliu-neon. Apare apoi o degradare rapidă a radiației de la nivelul 2p la nivelul fundamental 1s. Deoarece nivelul superior de energie al neonului este saturat cu un curent puternic, în timp ce nivelul său inferior variază liniar cu intensitatea, laserul cu heliu-neon este redus la utilizări de putere redusă pentru a menține energia.
Prin adaptarea cavității optice, laserul cu heliu-neon poate emite la alte lungimi de undă.
De exemplu :
Linia roșie tradițională de 633 nm a unui laser cu heliu-neon are de fapt un câștig mai mic decât alte linii, cum ar fi 3,39 μm și 1,15 μm . Cu toate acestea, acestea din urmă pot fi eliminate printr-un tratament adecvat de suprafață al oglinzilor cavității optice care, astfel, reflectă numai lungimea de undă sau lungimile de undă dorite.
Lumina vizibilă a laserului cu heliu-neon și calitatea sa spațială ridicată îl fac o sursă bună pentru holografie , o referință pentru spectroscopie și face parte, de asemenea, din sistemele standard pentru definirea contorului .
De fapt, banda de câștig a laserului He-Ne este foarte îngustă, dominată de lărgirea Doppler mai degrabă decât de efectul presiunii, datorită presiunilor scăzute de gaz. Lățimea la înălțimea medie a tranziției la 633 nm este, așadar, de numai 1,5 GHz, ceea ce corespunde unei lățimi de 2 μm în lungime de undă și unei lungimi de coerență de aproximativ 20 cm. Pentru lungimi ale cavității de 15 până la 50 cm, acest lucru permite 2 până la 8 moduri longitudinale să oscileze simultan (există lasere cu un singur mod pentru aplicațiile care le necesită).
Laserul cu heliu-neon este primul laser cu gaz care a fost inventat. Îi datorăm lui Ali Javan, William Bennett Jr. și Donald Herriott care, în 1960, au reușit la Laboratoarele Bell cu o emisie continuă cu acest laser pe 1,15 μm .
Înainte de apariția laserelor cu diode , atât de numeroase și ieftine astăzi, laserele cu heliu-neon erau folosite pentru a citi codurile de bare .