Laserul cu he-ne

LASERUL CU He-Ne

Inversia de populatie in amestecul He-Ne

In cazul unui amestec de He-Ne realizarea inversei de poluare se poate explicautilizand diagram nivelelor de energie a celor doua gaze, He si Ne. Se observa ca nivelul metastabil 2³S al heliului este foarte apropiat de nivelul excitat 2s al neonului.Diferenta de energie dintre aceste doua nivele este ∆E=0,038 eV. Acelasi lucru se intampla si cu nivelele 2¹S ( He) si 3s (Ne).Aceasta situatie face ca inversia de populatie, necesara pentru realizarea efectului laser, sa fie efectuata cel mai usor prin procesul de transfer de exercitare de la specia heliu la specia neon. Sectiunea acestui process este de 3,7* 10 cm²[1-4], pentru transferul 2³S( He)→2S(Ne), SI RESPECTIV, 4,1*10 cm², pentru transferul 2¹S(He)→3s(Ne). Eficacitatea relative mica a mecanismului de exercitare prin aceste procese este compensate, intr-o oarecare masura, de timpul mare de viata a Ne in starile 3s si 2s, in comparatie cu nivelele 2p. Asa , de exemplu, nivelul 2s , legat prin tranzitie optica numai cu 2p , are un timp de viata mai mare de 25 de ori decat ultimul.

Cu ajutorul unei descarcari electrice ( mijlocul de pompaj) in current continu sau current alternative, in inalta frecventa sau pulsatorie atomii de heliu din starea fundamental vor fi excitati pe una din starile 2³S sau 2¹S, ca urmare a ciocnirilor cu electronii formati in descarcarea in gaz. Apoi atomii excitati He intr-una din cele doua stari, prin ciocniri de speta a doua cu atomii de neon aflati in starea fundamental, vor da nastere unui transfer de energie, neradiativ, din care va rezulta excitarea atomilor de Ne pe nivelul 2s sau respective pe 3s si revenir 616e47g ea atomilor de He in stareafundamentala. Cantitatea foarte mica de energie, egala cu diferenta dintre cele doua nivele, va fi transformata in energie cinetica a celor doi parteneri.

Starile 2s si 3p sunt metastabile, avand un timp de viata foarte lung ()

In cazul He-Ne , limitarea majora a mentinerii inversiei de populatie in mod continu este prezenta atomilor excitati cu timp de viata mare, de ordinal milisecundei, intr-un tub standard cu presiune de cativa milimetri. Ocuparea acestor nivele conduce la excitarea nefavorabila a nivelelor laser inferioare. Pragul de oscilare pentru multe tranzitii ale amestecului He-Ne este foarte scazut. Pentru regimuri de lucru pulsatoriu, la inceputul licitarii, densitatea acestor metastabili este mica si acestea permite mentinerea unei inversii de populatie sesizabila.

In cazul unui amestec He-Ne avem de-a aface cu urmatoarele specii imporatante:

Atomi de neon in starea fundamental, marea majoritate sip e starile excitate s, p d si f;

Atomi de heliu in diferite starii in mod remarcabil in starea fundamentala si starile metastabile ³S si ¹S;

Ioni de heliu;

Ioni de neon;

Electroni liberi;

O intelegere complete a unui system de asemanare complexitate ( incluzand cel putin o neuniformitate radial a tuturor speciilor) este tot atat de indepartata ca aceea a plasmei din descarcare. Pentru simplificare sa corelam factorii observati.

Deoarece He (2³S) este prima stare excitata a heliului, are o sectiune transversal de excitare exceptional de inalta. De asemenea in amestecul He-Ne raportul presiunilor partiale ale celor doi component este de 5 pana la 10 in favoarea heliului.

In conditiile de lucru din laser( presiuni, densitati de current), populatia starii fundamentale va fi cu cateva ordine de marime mai ridicata decat a oricarei alte stari si deci va fi in mod substantial uniform a pe sectiunea tubului. La o presiune de neon de 13 Pa densitatea atomilor de neon aflati in starea fundamental a este aproximativ 4*10¹ cm

Diferenta de energie intre nivelele 2³S( He) si 2 p (Ne) este mult prea mare pentru a permite poluarea directa a starilor 2p prin procesele de ciocniri.

Ciocnirile inelastice cu electronii complica si mai mult tabloul de mai sus. Tranzitiile care sunt premise, cu caracter de dipol electric, vor avea o mare sectiune transversala pentru excitarea prin ciocniri electronice . Predominante sunt excitarile de la starea fundamental la starile s . Aceste procese , de altfel , mentin inversia de populatie in cazul laserului pe radiatia 1152nm intr-o descarcare de neon pur.

Factorul de trapping ( intemnitarea radiatiei) este o functie de forma liniei, presiune, temperature si geometria recipientului gazului si poate fi estimate destul de bine prin teoria lui Holstein.

Oscilatiile laser in amestecul He-Ne

Primul laser cu gaz a fost realizat in 1961 tocmai intr-un amestec de He si Ne. Posibilitatea crearii acestui laser se bazeaza pe o serie de lucrari teoretice si experimentale facute anterior.

In amestecul He-Ne oscilatiile laser au fost obtinute pe un extreme de mare numar de tranzitii ale neonului, intinzandu-se de la 543,3 nm pana la cel putin 133µm.

Tranzitiile laser intr-un amestec He-Ne pot fi impartite in trei grupe mari:

Tranzitiile intre starile 2s→2p(Ne) dau nastere emisiei laser pe un mare numar de frecvente situate in I.R apropiat. Din acest grup cea mai puternica este radiatia 1152,3nm

Tranzitiile intre starile 3s→2p produc linii laser in vizibil, cea mai importanta dintre ele fiind tranzitia 633nm.

Tranzitiile intre starile 3s→3p care dau linii in I.R mediu. Dintre ele, tranzitia 3S →3p este cea mai importanta si da o emisie la 3390nm.

Tranzitiile intre starile 3p→2s care dau linii in I.r mediu. Aceste tranzitii prezinta un interes mult mai mica tat din punct de vedere aplicativ, cat si al castigului sau al puterilor emise pe aceste tranzitii. Totusi numai trei lungimi de unda laser ale neonului si partial toate cele din vizibil au fost bine studiate si utilizate :633nm;1150 nm si 3390 nm.propiettile acestor trei radiatii sunt intrepatrunse, asa cum era de asteptat din faptul ca doua din ele pornesc de pe acelasi nivel superior si doua se opresc pe acelasi nivel inferior. Deci exista o competitivitate intre ele, daca am avea un laser care sa functioneze simultan pe doua din aceste radiatii.

RADIATIA 1152 nm ( 2s →2p

Primul laser cu gaz pus la punct pe plan mondial a emis pe aceasta radiatie. In lucrarea lui Javan si colaboratorii sai, heliul a fost introdus in speranta ca popularea selective a starilor 2s va avea loc ca rezultat al ciocnirilor de ordinal doi intre atomii de neon aflati in starea fundamental a si atomii de heliu excitati, prin ciocniri electronice, pe starea metastabila ³S

Pentru a ne da seama de schimbarea intensitatii liniilor emise de un acelasi amestec de He-Ne in conditii identice de descarcare, dar o data neplasat in cavitatea rezonanta si a doua oara cand are cavitatea rezonanta .

Aceste rezultatate indica faptul ca spre deosebire de descarcarea in inalta frecventa sau cutent continu( in coloana pozitiva), amestecul este mult mai bogat in He , iar presiunea totala optima este mai mare .

RADIATIA 633 nm( 3s →2p

Aceasta oscilatie apare ca urmare a ciocnirilor de ordiul doi ale atomilor excitati de He din starea ¹S cu atomii de Ne aflati in starea fundamental prin transfer de excitare.

Oscilatia laser pe radiatia 633nm a fost pusa in evident a pentru prima data de White si Regden, apoi Bloom obtine efectul laser pe tranzitiile 3s →2p

Spectrogramele radiatiei laser intr-un amestec de He-Ne in regiunea infrarosie a spectrului indica emisia stimulate fie numai pe radiatia 1152,3nm , fie pe ea impreuna cu alte tranzitii si aceasta din urma cu diverse intensitati. Aceste linii , spre deosebire de radiatia 1152,3nm , sunt mult mai slabe si pentru ca sa apara este necesar sa existe anumite conditii atat de compozitia amestecului cat si de excitare optime pentru fiecare in parte.

Oscilatia laser pe radiatia 1152 nm s-a obtinut sic and amestecul He-Ne a fost excitat in impulsuri [56] si s-a obtinut o putere de iesire maxima p impuls de un watt sau mai mult. Mai tarziu s-au raportat puteri depasind 100 wati. In regim pulsatoriu de functionare pe radiatia 1152 nm se obtine o marire considerabia a puterii emise pe impuls [57-59].

Studii deosebit de numeroase au fost consecrate gasirii unor cai de crestere suplimentara a populatiei nivelului 3s al Ne , nivelul initial al tuturor oscilatiilor in domeniul vizibil. Una din caile pentru cresterea suplimentara a populatiei este folosirea He^3 in locul heliului natural. La temperature data, atomii de neon aflati in stare fundamenntala . Pe aceasta cale s-a obtinut cresterea cu 30% a popularii nivelului 3s₂ a Ne[20, 75, 76]. Daca in loc de neon natural se foloseste ²⁰Ne se obtine, in plus, o crestere a popularii de aproximativ 20% datorita unei mai bune coincidente energetic intre nivele.

O a doua cale de crestere suplimentara a popularii nivelului 3s₂ este cresterea temperaturii tubului laser. Cresterea temperaturii cu 300- 400 ^oC duce la cresterea cu 30- 40% a popularii nivelului 3s₂ al Ne [77- 79].

deosebire de emisia stimulata pe raditia 1152,3 nm, efectul laser in vizibil, datorita amplificarii mai mici, este mult mai sensibil la puritatea gazelor, deoarece urme spectroscopice de N₂ si H duc la extinctia efectului. De asemenea, orice impuritati pe ferestrele Brewster sau pe oglinzi (praf, grasimi organice) duc la scaderea apreciabila a puterii emise sau chiar la stoparea complete a radiatiei stimulate emise [2, 22]. Puterea laserului 633 nm, pentru o compozitie data de gaz, este invers proportional cu diametrul tubului [83] si castigul optim se obtine cand este indeplinita relatia experimentala

pD = 376 … 479 Pa* mm

p este presiunea totala a mediului activ laser

D diametrul

Raportul optim de heliu la neon variaza destul de mult de la autor la autor si are ca domeniu de la 5 : 1 pana la 8 : 1, spre deosebire de situatia pentru radiatia 1152,3 nm unde raportul era de 10:1.

Un rezultat interesant este faptul ca domeniul de existent al efectului laser pentru k mari este la presiuni mai mari decat pentru k mici.

Aceste fapte demonstreaza ca in cazul amestecului de He-Ne pentru existent a efectului laser este necesara o anumita cantitate de Ne in amestec, cantitate care daca este depasita sau prea mica duce la neindeplinirea conditiilor de inversie de populatie. O cantitate prea mare de Ne in amestec duce la micsorarea inversiei de populatie, caci creste popularea nivelelor 2p, iar prezenta unei cantitati prea mici de Ne face ca sa nu avem indeplinite conditiile pentru un transfer optim de energie din starea fundamental in starea superioara laser 3s₂ prin ciocniri cu He excitat in starea 2¹S.

Toate aceste fenomene fac ca valorile optime pentru raportul presiunilor partiale ale componentilor amestecului sa fie cuprinse intre k= 5 si k=8, iar presiunea totala intre 160 si 266 Pa. Cateva aspect e din laboratoarele romanesti care se ocupa cu studiul si productia laserilor cu He- Ne din tara noastra sunt redate in figurile 2.11 si 2.12.

Aparitia laserului a dat un impuls deosebit cercetarilor de spectroscopie, iar folosirea laserului in spectroscopie a dus la cresterea sensibilitatii metodelor spectroscopice, la determinari precise a structurii liniilor spectrale, iar prin metoda spectroscopiei neliniare sau de perturbatie [84, 85] este posibila determinarea largimii natural e a liniilor prin eliminarea largimii Doppler [62, 86-91].

In esenta, metoda spectroscopiei de perturbatie consta in perturbarea nivelelor rezonante cu o radiatie laser I masurarea marimilor fizice de interes utilizand un lant de masura extreme de complex si inalta sensibilitate

Este evident ca terminarea radiatiei laser He-Ne printr-o descarcare in Ne sau He-Ne va duce la perturbarea populatiilor nivelelor rezonante cu radiatia laser . Acest fapt se traduce in fond prin modificarea intensitatii liniilor emise de pe nivele respective

Prin modularea raditiei laser (perturbatoare) cu un disc rotator se poate utiliza o detective sensibila la faza, ceea ce duce la cresterea sen sibilitatii.

S-au facut numeroase studii prin spectroscopie de perturbatie pe He-Ne [62, 92-96] determinundu-se o serie de constant ale sistemelor atomice studiate.

RADIATIA 3390 nm (3s₂-> 3p₄)

In 1963 pentru prima data este pus in evidenta efectul laser pe aceasta radiatiei de catre grupul cercetatorilor A. L. Bloom, W. E. Bell, si R. C. Rempel [47] si apoi pentru intregul grup de tranzactii care pornesc de pe cele patru subnivele 3s catre subnivelele 3p [97].

Din acest grup de tranzactii laser cea mai imporatanta este 3s₂->3p₄.

Tranzitia este caracterizata printr-un castig enorm, insa nu prin puteri de iesire spectaculoase. Acest castig inalt conduce la o reducere substantiala a timpului de viata a nivelului 3s₂ in coloanele e descarcare cu lungimi peste un metru. In general tranzitia 3390 nm este greu de evitat in tuburile obisnuite de descarcare.

Ferestrele Brewster sa fie din sticla, pentru a absorbi radiatia 3390 nm. Acest fapt face ca amplificarea acestei radiatii sa aiba loc.