Теоретичні відомості. Оптичний квантовий генератор ЛГ-75, який працює на суміші газів гелію (He) і неону (Ne), складається з оптичного резонатора і активного елемента

Оптичний квантовий генератор ЛГ-75, який працює на суміші газів гелію (He) і неону (Ne), складається з оптичного резонатора і активного елемента. Оптичний резонатор утворений сферичним (1) і плоским (2) дзеркалами (див. рис. 1).

Рис. 1.

Активним елементом є газорозрядна трубка (3) з підігрівним катодом (4) і анодом (5), яка наповнена сумішшю He і Ne. Вихід випромінювання здійснюється зі сторони плоского дзеркала. Збудження газової суміші здійснюється джерелом постійного струму, який викликає тліючий розряд в трубці. Напруга горіння дорівнює 1-2 кВ, розрядний струм 20-30 мА. Для створення розряду між катодом і зовнішнім електродом трубки подається високовольтна напруга 18-20 кВ.

В He-Ne лазері використовується принцип резонансної передачі енергії збудження від He до основного газу Ne. Спрощену структуру енергетичних рівнів атомів He і Ne зображено на рис 2.

Рис. 2.

Гелій: Рівень 1 – основний стан. Рівень 2 – найнижчий збуджений стан. Оптичний перехід 1 2 заборонений за правилами відбору для квантового числа . Тому стан 2 є метастабільним із більшим часом життя ( с). Перехід з рівня 2 на рівень 1 здійснюється тільки при зіткненні зі стінками колби чи іншими атомами.

Неон: Рівень 1 – основний стан. Рівні 2, 3, 4 – найнижчі збуджені стани. Суттєво, що енергія рівня 2 (He) близька до енергії рівня 4 (Ne). Різниця енергій між цими рівнями дорівнює 0,039 еВ, що близьке до величини при кімнатній температурі.

Як відомо, для виникнення генерації необхідно створення інверсного заселення рівнів. Розглянемо, як створюється така інверсія в атомах неону. Електрони, імітовані підігрівним катодом трубки, прискорюються електричним полем. Атоми He, при зіткненні з електронами, переходять у збуджений стан 2 (He). При зіткненні збуджених атомів He з атомами Ne відбувається резонансний обмін енергією, при якому атом гелію повертається до основного стану 1 (He), а атом неону переходить у збуджений стан 4 (Ne).

Таким чином, використання буферного газу He дозволяє селективно заселити рівень 4 (Ne). З рівня 4 (Ne) дозволено випромінювальний перехід на рівень 3, а з рівня 3 – на рівень 2. Причому, час життя атому Ne на рівні 4 вище, ніж час життя на рівні 3. Тому між рівнями 4 і 3 (Ne) виникає інверсна заселеність, яка необхідна для генерації. Рівень 2 атома Ne є метастабільним. Перехід з рівня 2 до основного стану здійснюється при зіткненні зі стінками колби.

Атоми Ne також можуть бути збудженими, тобто переходити до стану 2, 3, 4 при зіткненні з електронами. Небажано, щоб відбувався цей процес, так як заселення рівня 3 зменшує степінь інверсності. Щоб зменшити ефективність таких процесів концентрація He в суміші приблизно в 10 разів вища концентрації Ne. Тиск суміші дорівнює 1-2мм. рт. ст. Подальше підвищення тиску викликає зниження кінетичної енергії електронів, збуджуючих атоми He, що призводить до падіння вихідної потужності чи навіть зриву генерації.