En helium-neon laser er en laser , hvis aktive medium er en blanding af helium og neon. Helium-neon lasere bruges ofte i laboratorieforsøg og optik . Den har en driftsbølgelængde på 632,8 nm, placeret i den røde del af det synlige spektrum .
Arbejdsmediet i en helium-neon laser er en blanding af helium og neon i et forhold på 5:1, placeret i en glaskolbe under lavt tryk (normalt omkring 300 Pa ). Pumpeenergien tilføres fra to elektriske udladere med en spænding på omkring 1000-5000 volt ( afhængig af rørets længde) placeret i enderne af kolben. En sådan lasers resonator består normalt af to spejle - helt uigennemsigtige på den ene side af pæren og den anden, som transmitterer gennem sig selv omkring 1% af den indfaldende stråling på udgangssiden af enheden.
Helium-neon-lasere er kompakte med en typisk resonatorstørrelse, der spænder fra 15 cm til 2 m, og deres udgangseffekt varierer fra 1 til 100 mW.
I en gasudledning i en blanding af helium og neon dannes der exciterede atomer af begge grundstoffer . Det viser sig, at energierne af det metastabile niveau af helium 1 S 0 og strålingsniveauet af neon 2p 5 5s 2 [1/2] viser sig at være omtrent lig med henholdsvis 20,616 og 20,661 eV . Overførslen af excitation mellem disse to tilstande sker i følgende proces:
He* + Ne + ∆E → He + Ne*og dens effektivitet viser sig at være meget stor (hvor (*) angiver den exciterede tilstand, og ΔE er forskellen i energiniveauerne for de to atomer.) De manglende 0,05 eV er taget fra den kinetiske energi af atomernes bevægelse . Populationen af neonniveau 2p 5 5s 2 [1/2] stiger og bliver på et bestemt tidspunkt større end det underliggende niveau 2p 5 3p 2 [3/2]. En inversion af niveaupopulationen sætter ind - mediet bliver i stand til lasergenerering.
Under neonatomets overgang fra tilstanden 2p 5 5s 2 [1/2] til tilstanden 2p 5 3p 2 [3/2] udsendes stråling med en bølgelængde på 632.816 nm . Neonatomets 2p 5 3p 2 [3/2] tilstand er også strålingsdygtig med kort levetid, og derfor deexciteres denne tilstand hurtigt ind i 2p 5 3s niveausystemet, og derefter ind i 2p 6 grundtilstanden , enten pga. emission af resonansstråling (udstrålingsniveauer af 2p 5 3s-systemet), eller på grund af kollision med væggene (metastabile niveauer af 2p 5 3s-systemet).
Derudover er det med det rigtige valg af resonatorspejle muligt at opnå lasergenerering ved andre bølgelængder: samme niveau 2p 5 5s 2 [1/2] kan gå til 2p 5 4p 2 [1/2] med emission af en foton med en bølgelængde på 3,39 μm , og 2p 5 4s 2 [3/2] niveauet, som opstår ved en kollision med et andet metastabilt heliumniveau, kan gå til 2p 5 3p 2 [3/2] og udsende en foton med en bølgelængde på 1,15 μm. Det er også muligt at modtage laserstråling ved bølgelængder på 543,5 nm (grøn), 594 nm (gul) eller 612 nm (orange).
Den spektrale båndbredde af en helium-neon laser er ret lille, omkring 1,5 GHz . Dens værdi bestemmes hovedsageligt af Doppler-udvidelsen af strålingen af neonatomer, som opstår på grund af manifestationen af Doppler-effekten . Emissionsspektrets smalhed gør helium-neon-lasere til gode strålingskilder til brug i interferometri , holografi , spektroskopi samt stregkodelæsere .
Den første gaslaser drevet af en blanding af helium og neon blev demonstreret af Ali Javan , William Bennett og D.R. Herriott ( eng. DR Herriott ) i 1960 og udsendte stråling ved en bølgelængde på 1,15 mikron (infrarød) [1] . To år senere viste Alan David White og Dane Rigden , at en helium-neon-laser kan udsende stråling ved en bølgelængde på 632,8 nm, altså i det synlige område af spektret [2] . Det var denne cw laser i det synlige område, der efterfølgende fandt bred anvendelse.