1.doc

Obsah

1. 
   Úvod……………………………………………………………………………….3
2. 
   Princíp činnosti laserov……………………………………………………………… 6
3. 
   Plynové lasery……………………………………………………….…….10
4. 
   Hélium-neónový laser………………………………………………………..11
5. 
   Hélium-neónový laser typu LG-36a………………………………..…..13
6. 
   Aplikácia hélium-neónového lasera v medicíne………………………..15
7. 
   Niekoľko informácií o moderných héliovo-neónových laseroch ………17
8. 
   Zoznam použitej literatúry………………………………………..18

Úvod
lasery alebo optické kvantové generátory sú modernými zdrojmi koherentného žiarenia. Ich vytvorenie bolo jedným z najdôležitejších úspechov fyziky dvadsiateho storočia. Lasery našli pomerne široké uplatnenie takmer vo všetkých oblastiach vedy, ako aj techniky, medicíny a vojenských záležitostí.

Poďme sa trochu ponoriť do histórie:

Myšlienka skúmať výboje plynu kvôli pozorovaniu stimulovanej emisie na začiatku 20. storočia nikoho nenapadla – veď vedci o jej existencii ešte netušili.

V roku 1913 Albert Einstein vyslovil hypotézu, že žiarenie by mohlo byť generované vo vnútri hviezd pôsobením sily fotónov. V klasickom článku „Kvantová teória žiarenia“ publikovanom v roku 1917 Einstein nielenže odvodil existenciu takéhoto žiarenia z všeobecné zásady kvantovej mechaniky a termodynamiky, ale tiež dokázal, že má rovnaký smer, vlnovú dĺžku, fázu a polarizáciu, to znamená, že je koherentný s hnacím žiarením. A o desať rokov neskôr Paul Dirac tieto závery dôsledne zdôvodnil a zhrnul.

Prvé pokusy.

Práca teoretikov nezostala nepovšimnutá. V roku 1928 Rudolf Ladenburg, riaditeľ odd atómová fyzika Inštitút pre fyzikálnu chémiu a elektrochémiu Spoločnosti cisára Wilhelma a jeho študent Hans Kopfermann experimentálne pozorovali inverziu populácie pri pokusoch s neónovými trubicami. Ale stimulovaná emisia bola veľmi slabá a bolo ťažké ju rozlíšiť na pozadí spontánnej emisie.

Jedným z pokusov o vytvorenie lasera bola pomerne vážna práca súvisiaca so zosilňovaním optických signálov pomocou stimulovanej emisie. Touto prácou bola doktorandská dizertačná práca Moskovčana Valentina Fabrikanta, publikovaná v roku 1940. V roku 1951 V.A. Fabrikant, F.A. Butaev a M.M. Vudinsky podal prihlášku na vynález nového spôsobu zosilnenia elektromagnetického žiarenia založeného na použití média s inverziou obyvateľstva. Žiaľ, toto dielo vyšlo až o 8 rokov neskôr a všimol si ho málokto a pokusy o zostrojenie operačného optického zosilňovača sa ukázali ako bezvýsledné. Dôvodom bol nedostatok rezonátora.

Cestu k vytvoreniu laseru nenašli optici, ale rádiofyzici, ktorí už dávno dokázali zostrojiť generátory a zosilňovače elektromagnetických kmitov pomocou rezonátorov a spätná väzba. Boli to oni, ktorí boli predurčení navrhnúť prvé kvantové generátory koherentného žiarenia, len nie svetla, ale mikrovlnného.

Masers.

Možnosť vytvorenia takéhoto generátora si prvýkrát uvedomil Charles Townes, profesor fyziky na Kolumbijskej univerzite. Uvedomil si, že je možné zostrojiť mikrovlnný generátor pomocou zväzku molekúl s niekoľkými energetickými úrovňami. Na to je potrebné, aby boli oddelené elektrostatickými poľami a vháňali lúč excitovaných molekúl do kovovej dutiny, kde prešli na nižšiu úroveň a vyžarovali elektromagnetické vlny. Aby táto dutina fungovala ako rezonátor, jej lineárne rozmery sa musia rovnať dĺžke emitovaných vĺn. Towns zdieľal túto myšlienku s postgraduálnym študentom Jamesom Gordonom a výskumným asistentom Herbertom Zeigerom. Za úlohu média zvolili amoniak, ktorého molekuly pri prechode z excitovanej vibračnej hladiny na prízemnú vyžarujú vlny s dĺžkou 12,6 mm. V apríli 1954 Townes a Gordon spustili prvý mikrovlnný kvantový generátor na svete. Townes toto zariadenie nazval maser.

V Laboratóriu kmitov Fyzikálneho ústavu Akadémie vied ZSSR sa rovnakou témou zaoberal vedúci výskumník Alexander Prochorov a jeho postgraduálny študent Nikolaj Basov. V máji 1952 na celozväzovej konferencii o rádiovej spektroskopii vypracovali správu o možnosti vytvorenia kvantového zosilňovača pre mikrovlnné žiarenie pracujúceho na zväzku molekúl rovnakého amoniaku. V roku 1954, krátko po publikovaní práce Townsa, Gordona a Zeigera, publikovali Prochorov a Basov článok, ktorý poskytoval teoretické zdôvodnenie fungovania takéhoto zariadenia. Townesovi, Basovovi a Prochorovovi bola za ich výskum v roku 1964 udelená Nobelova cena.

Od mikrovlniek po svetlo.

Keďže vlnové dĺžky svetla sa merajú v desatinách mikrónu, výroba dutinového rezonátora tejto veľkosti bola nereálna. Pravdepodobne možnosť generovania svetla pomocou makroskopických otvorených zrkadlových rezonátorov prvýkrát realizoval americký fyzik Robert Dicke, ktorý túto myšlienku v máji 1956 formalizoval v patentovej prihláške. V septembri 1957 Townes načrtol do notebooku plán takéhoto generátora a nazval ho optický maser. O rok neskôr Towns spolu s Arturom Shavlovom a nezávisle od nich Prokhorovom publikovali práce obsahujúce teoretické zdôvodnenia tejto metódy generovania koherentného svetla.

Samotný pojem „laser“ vznikol oveľa skôr. Táto anglická skratka Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (doslova preložená ako „zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia“, hoci je stále zvykom nazývať lasery nie zosilňovačmi, ale generátormi žiarenia, nahradenie slova zosilnenie generáciou dáva nevysloviteľný zvuk kombinácia lgser), prišiel s doktorandom Kolumbijskej univerzity Gordonom Gouldom, ktorý nezávisle vykonal podrobnú analýzu metód na získanie stimulovanej emisie optického rozsahu.

Lasery.

Prvý funkčný laser pochádzal z rúk Theodora Meimana, zamestnanca Hughes Aircraft Corporation, ktorý si ako aktívne médium zvolil rubín. Meiman si uvedomil, že atómy chrómu oddelené veľkými medzerami nemôžu „svietiť“ o nič horšie ako atómy plynu. Aby získal optickú rezonanciu, naniesol tenkú vrstvu striebra na leštené paralelné konce syntetického rubínového valca. Valec bol vyrobený na mieru spoločnosťou Union Carbide, čo trvalo päť mesiacov, kým sa dokončili. Meiman umiestnil rubínový stĺpec do špirálovej trubice, ktorá dáva jasné záblesky svetla. 16. mája 1960 vypálil prvý laser na svete svoj prvý lúč. A v decembri toho istého roku bol v Bell Labs spustený hélium-neónový laser, ktorý vytvorili Ali Javan, William Bennett a Donald Harriot.

Vedecká hodnota a praktické využitie laserov boli také zrejmé, že sa ich okamžite chopili tisíce vedcov a inžinierov z rôznych krajín. V roku 1961 bol uvedený do prevádzky prvý laser z neodýmového skla, do piatich rokov boli vyvinuté polovodičové lasery. laserové diódy, lasery s organickým farbivom, chemické lasery, lasery na oxid uhličitý. V roku 1963 Zhores Alferov a Herbert Kremer nezávisle vyvinuli teóriu polovodičových heteroštruktúr, na základe ktorej neskôr vzniklo mnoho laserov.

Ako už bolo spomenuté vyššie, lasery vstúpili do nášho života a celkom dobre sa v ňom usadili, pričom zaujímajú dobré postavenie v mnohých oblastiach vedy a techniky.

Ako pracovné telesá moderných laserov sa používajú látky v rôznych stavoch agregácie: plyny, kvapaliny, pevné látky.

Chcem sa zamerať na plynové lasery a podrobnejšie študovať laser, ktorého aktívnym médiom je zmes hélia a neónu.

^ Princíp činnosti laserov
Vieme, že ak atóm nachádzajúci sa na úrovni zeme W 1 dostane energiu, potom môže prejsť do jednej z excitovaných úrovní (obr. 1a). Naopak, excitovaný atóm môže spontánne (spontánne) prejsť do niektorej z nižších úrovní, pričom vyžaruje určitú časť energie vo forme kvanta svetla (obr. 1b). Ak k emisii svetla dôjde pri prechode atómu z energetickej hladiny W m na energetickú hladinu W n, potom frekvencia emitovaného (alebo absorbovaného) svetla

νmn = (Wm - Wn)/h.

Práve tieto spontánne procesy žiarenia sa vyskytujú vo vyhrievaných telesách a svietiacich plynoch. Zahriatie alebo elektrický výboj prenesie niektoré z atómov do excitovaného stavu; prechodom do nižších stavov vyžarujú svetlo. V procese spontánnych prechodov vyžarujú atómy svetlo nezávisle na sebe. Svetelné kvantá sú náhodne vyžarované atómami vo forme vlnových sledov. Vlaky nie sú navzájom časovo koordinované, t.j. majú inú fázu. Preto je spontánna emisia nekoherentná.

Spolu so spontánnou emisiou excitovaného atómu dochádza k stimulovanej (alebo indukovanej) emisii: excitované atómy vyžarujú pôsobením externej rýchlo premennej elektromagnetického poľa, ako je svetlo. Ukazuje sa, že pod vplyvom vonkajšieho elektromagnetická vlna atóm vyžaruje sekundárnu vlnu, pri ktorej sa frekvencia, polarizácia, smer šírenia a fáza úplne zhodujú s parametrami vonkajšej vlny pôsobiacej na atóm. Dochádza k určitému kopírovaniu vonkajšej vlny (obr. 1c). Pojem stimulovanej emisie zaviedol do fyziky A. Einstein v roku 1916. Fenomén stimulovanej emisie umožňuje riadiť emisiu atómov pomocou elektromagnetických vĺn a tým vytvárať a zosilňovať koherentné svetlo.
Aby to bolo možné urobiť prakticky, je potrebné tri podmienky.

1. 
   Je potrebná rezonancia - zhoda frekvencie dopadajúceho svetla s jednou z frekvencií ν mn spektra atómu. O splnenie rezonančnej podmienky sa postarala sama príroda, od r emisné spektrá identických atómov sú absolútne identické.
2. 
   Ďalšia podmienka súvisí s populáciou rôznych úrovní. Spolu so stimulovanou emisiou svetla atómami v hornej hladine Wm dochádza aj k rezonančnej absorpcii atómami obývajúcimi nižšiu hladinu Wn. Atóm nachádzajúci sa na spodnej úrovni W n absorbuje svetelné kvantá, zatiaľ čo sa pohybuje na hornej úrovni W m .

Rezonančná absorpcia zabraňuje tvorbe svetla.

Či systém atómov bude generovať svetlo alebo nie, závisí od toho, ktorých atómov je v látke viac. Aby došlo ku generovaniu, je potrebné, aby počet atómov na hornej úrovni Nm bol väčší ako počet atómov na spodnej úrovni Nn, medzi ktorými dochádza k prechodu.

Samozrejme, môžete použiť len dvojicu úrovní, medzi ktorými je prechod možný, pretože nie všetky prechody medzi akýmikoľvek dvoma úrovňami povoľuje príroda.

V prirodzených podmienkach na viac vysoký stupeň pri akejkoľvek teplote je menej častíc ako pri nižšej. Preto v akomkoľvek tele, bez ohľadu na to, ako silne sa zahrieva, bude pri vynútených prechodoch prevládať absorpcia svetla nad žiarením.

Na vybudenie generovania koherentného svetla je potrebné prijať špeciálne opatrenia, aby horná z dvoch zvolených úrovní bola viac obývaná ako spodná. Stav hmoty, v ktorom je počet atómov na niektorej z úrovní s vyššou energiou väčší ako počet atómov na úrovni s nižšou energiou, sa nazýva aktívny stav alebo stav s inverziou populácie (obrátením).

Na vybudenie generovania koherentného svetla je teda potrebná populačná inverzia pre pár úrovní, pričom prechod medzi nimi zodpovedá frekvencii generovania.

1. 
   Tretím problémom, ktorý je potrebné vyriešiť, aby sa vytvoril laser, je problém spätnej väzby. Aby svetlo kontrolovalo emisiu atómov, je potrebné, aby časť vyžarovanej svetelnej energie zostala vždy vo vnútri pracovnej látky, takpovediac na „rozmnožovanie“, čo spôsobuje nútenú emisiu svetla čoraz viac nových atómov. To sa deje pomocou zrkadiel. V najjednoduchšom prípade je pracovná látka umiestnená medzi dve zrkadlá, z ktorých jedno má koeficient odrazu asi 99,8% a druhé (výstup) má odrazivosť asi 97-98%, čo sa dá dosiahnuť iba použitím dielektrických povlakov. Svetelná vlna vyžarovaná na akomkoľvek mieste v dôsledku spontánneho prechodu atómu je zosilnená v dôsledku stimulovanej emisie, keď sa šíri cez pracovnú látku. Po dosiahnutí výstupného zrkadla ním svetlo čiastočne prejde. Túto časť svetelnej energie vyžaruje laser von a možno ju použiť. Časť svetla odrazená od polopriepustného výstupného zrkadla dáva vznik novej lavíne fotónov. Táto lavína sa nebude líšiť od predchádzajúcej vďaka vlastnostiam stimulovanej emisie.

V tomto prípade, ako v každom rezonátore, je podmienka rezonancie splnená iba pre tie vlny, pre ktoré sa na dvojitú optickú dráhu vo vnútri rezonátora zmestí celý počet vlnových dĺžok. Väčšina priaznivé podmienky pripočítajte vlny šíriace sa pozdĺž osi rezonátora, čo zaisťuje extrémne vysokú smerovosť laserového žiarenia.

Splnenie opísaných podmienok je pre generovanie lasera stále nedostatočné. Aby mohlo dôjsť k tvorbe svetla, musí byť prírastok účinnej látky dostatočne veľký. Musí prekročiť určitú hodnotu, ktorá sa nazýva prah. Naozaj, nech sa rozlúči svetelný tok dopad na výstupné zrkadlo sa odráža späť. Zosilnenie pri dvojnásobnej vzdialenosti medzi zrkadlami (jeden prechod) by malo byť také, aby svetelná energia vrátená do výstupného zrkadla nebola menšia ako predtým. Až potom začne svetelná vlna rásť z priechodu do priechodu. Ak tomu tak nie je, tak pri druhom prechode výstupné zrkadlo dosiahne nižšiu energiu ako v predchádzajúcom momente, pri treťom prechode ešte nižšiu atď. Proces útlmu bude pokračovať až do úplného zhasnutia svetelného toku. Je zrejmé, že čím nižší je koeficient odrazu výstupného zrkadla, tým väčšie prahové zosilnenie musí mať pracovná látka. Zrkadlá sú teda na prvom mieste v zozname zdrojov strát.
Stručne teda sformulujme podmienky potrebné na vytvorenie zdroja koherentného svetla:

• 
  potrebujete pracovnú látku s inverzným počtom obyvateľov. Len potom je možné dosiahnuť zosilnenie svetla v dôsledku nútených prechodov;
• 
  pracovná látka by mala byť umiestnená medzi zrkadlá, ktoré poskytujú spätnú väzbu;
• 
  zisk daný pracovnou látkou, čo znamená, že počet excitovaných atómov alebo molekúl v pracovnej látke musí byť väčší ako prahová hodnota, ktorá závisí od koeficientu odrazu výstupného zrkadla.

Ak sú splnené tieto tri podmienky, dostaneme systém schopný generovať koherentné svetlo, nazývaný laser.
plynové lasery.
^

Plyn nazývané lasery, v ktorých je aktívnym prostredím plyn, zmes viacerých plynov alebo zmes plynov s parami kovu.

Vlastnosti plynného aktívneho média.

Médium v ​​plynových laseroch má niekoľko pozoruhodných vlastností. Po prvé, iba plynné médiá môžu byť transparentné v širokom spektrálnom rozsahu od vákuovej UV oblasti spektra po IR, v podstate mikrovlnnú oblasť. Výsledkom je, že plynové lasery pracujú v širokom rozsahu vlnových dĺžok.

Ďalej. V porovnaní s pevnými látkami a kvapalinami majú plyny výrazne nižšiu hustotu a vyššiu homogenitu. Preto svetelný lúč v plyne nižší stupeň skreslené a rozhádzané. To uľahčuje dosiahnutie difrakčného limitu divergencie laserového žiarenia. Pri nízkej hustote sa plyny vyznačujú Dopplerovým rozšírením spektrálnych čiar, ktorých hodnota je malá v porovnaní so šírkou luminiscenčnej čiary v kondenzovanom prostredí. To uľahčuje dosiahnutie vysokej monochromatickosti žiarenia plynových laserov.

Ako je známe, na splnenie podmienok samobudenia musí zisk v aktívnom médiu pri jednom prechode laserového rezonátora prevýšiť straty. V plynoch uľahčuje splnenie tejto podmienky absencia rezonančných strát energie priamo v aktívnom médiu. Je technicky náročné vyrobiť zrkadlá so stratami výrazne menšími ako 1 %. Preto musí byť zisk väčší ako 1 %. Prítomnosť vysvetľuje relatívna jednoduchosť splnenia tejto požiadavky v plynoch, napríklad zväčšením dĺžky aktívneho média Vysoké číslo plynové lasery v širokom rozsahu vlnových dĺžok. Nízka hustota plynov zároveň bráni získaniu tak vysokej hustoty excitovaných častíc, ktorá je charakteristická pre tuhé látky. Preto je merný energetický výkon plynových laserov výrazne nižší ako u laserov s kondenzovanou hmotou.

Špecifickosť plynov sa prejavuje aj v rozmanitosti rôznych fyzikálnych procesov používaných na vytvorenie populačnej inverzie. Patria sem budenie pri zrážkach v elektrickom výboji, budenie v plynodynamických procesoch, chemické budenie, optické čerpanie (laserovým žiarením) a budenie elektrónovým lúčom.

V laseri, o ktorom bude podrobnejšie popísané neskôr v tomto článku, sa budenie uskutočňuje elektrickým výbojom.

^ Héliový neónový laser
Héliovo-neónový zmesový laser bol prvým laserom s kontinuálnou vlnou, v ktorom žiarenie s vlnovou dĺžkou 1,15 μm vzniká ako výsledok prechodov medzi úrovňami 2S a 2P v atómoch Ne. Neskôr sa použili ďalšie prechody v Ne na získanie generovania lasera pri λ=0,6328 μm a pri λ=3,39 μm. Pôsobenie je možné vysvetliť pomocou obr. 3 V plynnej zmesi obsahujúcej zvyčajne hélium (1 mmHg) a neón (0,1 mmHg) vzniká jednosmerný prúd alebo vysokofrekvenčný výboj.

Obr.3
Elektróny zrýchlené elektrickým poľom prenášajú atómy hélia do rôznych excitovaných stavov. Počas normálnej kaskádovej relaxácie excitovaných atómov do základného stavu sa mnohé z nich akumulujú na metastabilných úrovniach 2(3)S 2(1)S s dlhou životnosťou, ktorých životnosť je 10-4 a 5*10-6 sekúnd. Pretože tieto metastabilné hladiny sa energeticky takmer zhodujú s hladinami 2S a 3S v Ne, môžu prenášať excitáciu na atómy Ne. Byť v základnom stave a vymieňať si s nimi energiu. Malý rozdiel v energii (≈400 cm -1 v prípade hladiny 2S) sa po zrážke premení na kinetickú energiu atómu. Toto je hlavný čerpací mechanizmus v systéme He-Ne.

1. 
   Generovanie pri vlnovej dĺžke 0,6328 μm. Horná laserová hladina je jednou z úrovní 3S neón, pričom tá nižšia patrí do skupiny 2P. Spodná hladina 2P sa rozpadá radiačne s časovou konštantou asi 10 -8 s. do dlhotrvajúceho stavu 1S. Tento čas je oveľa kratší ako životnosť (10 -7 s) hornej úrovne 3S lasera. Podmienka populačnej inverzie pri prechode 3S–2P je teda splnená.

Dôležitosť má úroveň 1S. Atómy sa na ňom zdržiavajú pri radiačných prechodoch zo spodnej úrovne 2P lasera vďaka dlhej životnosti tejto úrovne. Atómy v stave 1S sa zrážajú s výbojovými elektrónmi a sú excitované späť na nižšiu úroveň 2P lasera. Tým sa znižuje inverzia. Atómy v stavoch 1S sa uvoľnia späť do základného stavu hlavne pri zrážkach so stenou výbojky. Z tohto dôvodu sa zisk pri prechode 0,6328 µm zvyšuje so zmenšujúcim sa priemerom trubice.

1. 
   Generovanie pri vlnovej dĺžke 1,15 μm. Horná laserová hladina 2S neónu je pumpovaná pri rezonančných (tj so zachovaním vnútornej energie) zrážkach s metastabilnou 2 3 S hladinou hélia. Spodná úroveň je rovnaká ako v prípade generovania na prechode 0,6328 μm, čo tiež vedie k závislosti populácie neónovej úrovne 1S na zrážkach so stenami.
2. 
   Generácia pri vlnovej dĺžke 3,39 μm. Je to spôsobené prechodmi 3S-3P v neónových atómoch. Teraz je horná hladina lasera rovnaká ako pri generovaní, pri vlnovej dĺžke 0,6328 μm. Pri tomto prechode dosahuje optický zisk pre malý signál 1 asi 50 dB/m. Tento veľký zisk je čiastočne vysvetlený krátkou životnosťou úrovne 3P, ktorá umožňuje vytvoriť veľkú inverziu. Kvôli vysokému zisku pri tomto prechode bráni generovanie pri vlnovej dĺžke 3,39 µm generovaniu pri vlnovej dĺžke 0,6328 µm. Je to preto, že prahové podmienky sa najskôr dosiahnu pre prechod 3,39 µm. Akonáhle sa to stane, saturácia zisku začne interferovať s akýmkoľvek ďalším nárastom populácie úrovne 3S. V laseroch s vlnovou dĺžkou 0,6328 μm sa proti tomu bojuje zavedením ďalších prvkov do optického lúča, napríklad sklenených alebo kremenných Brewsterových okienok, ktoré silne absorbujú žiarenie s vlnovou dĺžkou 3,39 μm a prepúšťajú od 0,6328 μm. V tomto prípade sa úroveň prahového čerpania pre generovanie pri λ=3,39 μm stane vyššou ako úroveň pre generovanie pri 0,6328 μm.

1) Hovoríme o zosilnení veľmi slabej vlny šíriacej sa cez oblasť výboja vnútri dutiny lasera v jednom priechode. V laseri sa zisk pri prechode znižuje saturáciou, až kým sa nerovná strate pri prechode.

^ Hélium-neónový laser typu LG-36a.
V hélium-neónovom laseri je pracovná plynná zmes umiestnená v plynovej výbojovej trubici (obr. 4), ktorej dĺžka môže dosahovať 0,2-1 m.

Rúrka je vyrobená z vysoko kvalitného skla alebo kremeňa. Generovaný výkon podstatne závisí od priemeru rúrky. Zväčšenie priemeru vedie k zvýšeniu objemu pracovnej zmesi, čo prispieva k zvýšeniu výkonu výroby. So zväčšujúcim sa priemerom trubice sa však elektrónová teplota plazmy znižuje, čo vedie k zníženiu počtu elektrónov schopných vzbudiť atómy plynu. Čo v konečnom dôsledku znižuje výrobný výkon. Na zníženie strát sú konce trubice na vypúšťanie plynu uzavreté planparalelnými doskami, ktoré nie sú umiestnené kolmo na os trubice, ale tak, že normála k tejto doske zviera s trubicou uhol i B \u003d arctg n. os (n je index lomu materiálu dosky), nazývaný Brewsterov uhol. Zvláštnosť odrazu elektromagnetickej vlny od rozhrania medzi rôznymi médiami pod uhlom i B je široko používaná v laserovej technike. Nastavenie výstupných okienok bunky s aktívnym médiom pod Brewsterovým uhlom jednoznačne určuje polarizáciu laserového žiarenia. Pre žiarenie polarizované v rovine dopadu sú straty v rezonátore minimálne. Prirodzene, je to lineárne polarizované žiarenie, ktoré je založené v laseri a je prevládajúce.

Plynová výbojka je umiestnená v optickom rezonátore, ktorý tvoria zrkadlá s interferenčným povlakom. Zrkadlá sú upevnené v prírubách, ktorých konštrukcia umožňuje otáčanie zrkadiel pri nastavovaní otáčaním nastavovacích skrutiek v dvoch na seba kolmých rovinách. Vzrušenie zmes plynov sa vykonáva privedením vysokofrekvenčného napätia z napájacieho zdroja na elektródy. Zdrojom je vysokofrekvenčný generátor, ktorý generuje elektromagnetické kmity s frekvenciou cca 30 MHz pri výkone niekoľkých desiatok wattov.

Široké využitie plynových laserov priamy prúd pri napätí 1000-2000 V, získanom pomocou stabilizovaných usmerňovačov. V tomto prípade je plynová výbojka vybavená vyhrievanou alebo studenou katódou a anódou. Na zapálenie výboja v trubici sa používa elektróda, na ktorú je privedené impulzné napätie asi 12 kV. Toto napätie sa získa vybitím 1-2 mikrofaradového kondenzátora primárne vinutie pulzný transformátor.

Výhodami hélium-neónových laserov je koherencia ich žiarenia, nízka spotreba energie (8-10 W) a malá veľkosť. Hlavnými nevýhodami sú nízka účinnosť (0,01-0,1%) a nízky výstupný výkon, nepresahujúci 60 mW. Tieto lasery môžu pracovať aj v pulznom režime, ak sa na budenie použije pulzné napätie s vysokou amplitúdou s trvaním niekoľkých mikrosekúnd.
^ Aplikácia hélium-neónového lasera v medicíne.
Ako už bolo spomenuté vyššie, hélium-neónový laser má široké uplatnenie. V tejto práci sa chcem zamyslieť nad využitím tohto lasera v medicíne. A to využitie hélium-neónového lasera na obnovu a zlepšenie výkonnosti človeka.

Lasery sa v medicíne používajú už viac ako 20 rokov. V tomto období sa výskum využívajúci laserové žiarenie formoval v špecializovanej oblasti biomedicínskej vedy, ktorá zahŕňa dve hlavné oblasti: deštrukciu tkanív patologických ložísk relatívne silným laserovým žiarením a biostimulačné účinky nízkoenergetickým žiarením.

Štúdie preukázali, že hélium-neónový laser pôsobí stimulačne na živý organizmus, pomáha čistiť rany od mikroorganizmov a urýchľuje epitelizáciu, zlepšuje funkčné parametre centrálneho nervového systému a cerebrálneho obehu u pacientov s hypertenziou; spôsobuje zastavenie bolesti alebo ich zníženie u pacientov s osteochondrózou chrbtice.

Mnohí výskumníci ukázali, že energia, ktorú prináša laserové žiarenie, je „žiadaná“ v prípade, že je to kvôli potrebe samoregulácie ľudského stavu. To dáva právo domnievať sa, že laserové žiarenie nie je dráždivé, vzrušujúce, ale má normalizujúci, nepingový charakter.

Pozrime sa podrobnejšie na štúdiu, ktorú vykonal kandidát lekárskych vied, docent T.I. Dolmatová, G.L. Shreiberg, kandidát biologických vied, docent N.I. Dvojča Moskovskej štátnej akadémie telesná výchova Všeruský výskumný ústav telesnej kultúry. Pôsobia lokálne laserový lúč na biologicky aktívnych bodoch (BAP) na povrchu tela. Hélium-neónový laser na BAP sa používal v športe na štúdium procesov regenerácie po fyzickej námahe a následkov žiarenia. Laserové žiarenie sa uskutočňovalo pomocou prístroja AG-50, ktorého vlnová dĺžka bola 632 A, výkon žiarenia bol 10 mV, plocha žiarenia bola 0,5 cm2; expozičné body - "he-gu" 2, "ju-san-li", expozičný čas - 2,0 minúty pre každý symetrický bod, celkový čas expozícia - 10 minút, postup sa vykonával denne počas 10 dní.

Športovcov ožarovali hélium-neónovým laserom až fyzická aktivita. Na 5. deň oslavovali lepšie zotavenie po záťažiach lepšie znášali aj tréningy s veľkými váhami. Do 10. dňa vystavenia hélium-neónovému laseru zostal zdravotný stav športovcov dobrý, trénovali s radosťou a dobre znášali záťaž. Laserom pôsobili aj v období rekonvalescencie, bezprostredne po cvičení štúdie ukázali, že zotavenie, relaxácia, dobrý spánok nastali rýchlejšie ako bez vystavenia žiareniu, došlo k zníženiu srdcovej frekvencie a zníženiu maximálneho a minimálneho krvného tlaku.

U všetkých športovcov, ktorí podstúpili ožarovanie héliom-neónovým laserom, bol teda nárast športového výkonu počas cyklu tréningov výraznejší a rekonvalescencia prebiehala oveľa lepšie ako bez ožiarenia.
2) Bod He-gu sa nachádza v hornej časti záhybu medzi zovretým ukazovákom a palcom.

^ Niekoľko informácií o moderných héliovo-neónových laseroch.
Najbežnejšie sú utesnené He-Ne plazmové trubice so zabudovanými zrkadlami a vysokonapäťovými zdrojmi. Laboratórne He-Ne lasery s vonkajšími zrkadlami tiež existujú a sú drahé.
Vlnové dĺžky:

• 
  Červená 632,8 nm (v skutočnosti vyzerá ako oranžovo-červená) je teraz najbežnejšia.
• 
  Oranžová 611,9 nm
• 
  žltá 594,1 nm
• 
  Zelená 543,5 nm
• 
  IR 1523,1 nm (tiež existujú, ale sú menej účinné a preto drahšie pre rovnaký výkon lúča).

Kvalita lúča:

Výnimočne vysoká. Výstupné žiarenie je dobre kolimované bez dodatočnej optiky a má výbornú koherenčnú dĺžku (od 10 cm do niekoľkých metrov a viac). Väčšina malých trubíc pracuje v jedinom priečnom režime (TEM00).
^ Výstupný výkon:

Od 0,5 do 35 mW (najbežnejšie) je 250 mW a viac.
Niektoré použitia:

Výrobné nastavenie a merania; počítanie a analýza krvných buniek; lekárske vedenie a pozorovanie počas operácií (pre lasery veľká sila); tlač s vysokým rozlíšením, skenovanie a digitalizácia; snímače čiarových kódov; interferenčná metrológia a meranie rýchlosti; bezkontaktné merania a monitorovanie; všeobecná optika a holografia; laserové show; Laserový disk a iné pamäťové médiá.
^ Cena:

25 až 5 000 USD alebo viac v závislosti od veľkosti, kvality, stavu (nové alebo nie).
výhody:

Lacné, diely široko dostupné, spoľahlivé, s dlhou životnosťou.
Bibliografia:

1. 
   NV Karlov Prednášky o kvantovej elektronike. 314s.
2. 
   Lasery A. S. Boreisho: Zariadenie a činnosť. Petrohrad 1992. 214s.
3. 
   A. Yariv Úvod do optickej elektroniky. „Stredná škola“, Moskva 1983. 398 s.
4. 
   Yu.V. Baiborodin Základy laserovej technológie. „Vyššia škola“ 1988. 383s.

6. Princíp činnosti laserov Optické čerpanie, rýchlosť čerpania. Aktívne prostredie.

7. Zosilnenie a podmienka samobudenia generátora. Generačný prah.

8. Žiarenie v rezonátore. Modálna štruktúra poľa.

9. Koeficient disperzie a absorpcie.

10. Einsteinove integrálne koeficienty.

11. Tvar a šírka spektrálnej čiary.

12. Životnosť excitovaných stavov. Radiačná relaxácia.

13. Mechanizmy rozšírenia línie. Prirodzená životnosť a šírka spektra spontánnej emisie.

14. Homogénne rozšírenie spektrálnej čiary. Profil rovnomerného rozšírenia línie.

15. Nehomogénne rozšírenie a obrys absorpčnej línie

16. Sýtosť v dvojúrovňovom systéme.

17. Nasýtenie absorpcie s rovnomerným rozšírením.

18. Nasýtenie absorpcie s nehomogénnym rozšírením.

19. Lasery na báze kondenzovaných médií. Všeobecný charakter. A sv.

20. Spôsoby činnosti pevnolátkových laserov.

21. Rubínový laser. Princíp činnosti a charakteristiky generovania.

22. Polovodičové lasery na heteroštruktúrach a ich generačné charakteristiky.

23: Ytrium-hliníkový granátový (YAG) laser. Štruktúra energetických hladín a charakteristiky výroby.

24. Polovodičové lasery. Princíp činnosti, typy polovodičových laserov. Spektrálne a generačné charakteristiky.

25. Alexandritový laser. Štruktúra energetických hladín a charakteristiky výroby.

26. Farbiace lasery.

27. Hélium-neónový laser.

28. Iónové plynové lasery Schéma energetických stavov a mechanizmus získania inverzie v ionizovanom argóne.

29. Kovové parné lasery.Všeobecná charakteristika a princíp činnosti hélium-kadmiového lasera.Generačné parametre.

30. Medený parný laser.

31. Molekulárne lasery. Všeobecná charakteristika a typy molekulárnych laserov. CO2 laser. Parametre zariadenia a generovania.

32. Molekulové lasery v ultrafialovej oblasti. N2 laser.

33. Excimerové lasery. Mechanizmus tvorby inverzie a parametre laserového žiarenia excimerových laserov na halogenidoch vzácnych plynov.

35. Plynovo-dynamické lasery. Princíp činnosti a parametre generovania.

36. Optické rezonátory, ich typy a vlastnosti.

37. Činitel kvality a straty rezonátora, počet vybudených vidov. Konfigurácie modálnych rezonátorov.

38. Zovšeobecnený sférický rezonátor.

39. Disperzné rezonátory a ich charakteristiky.

40. Nestabilné rezonátory. Coef. Zisky a straty rezonátora.

41. Symetrické a teleskopické nestabilné rezonátory.

42. Chemické lasery, ich typy a vznik. Parametre.

43. Voľné elektrónové lasery a ich vlastnosti.

45. Laserová teória. Prahové podmienky pre generovanie. Stacionárny režim.

46. ​​Laserová teória. Modulovaný faktor kvality. Nestacionárny režim generovania.

48. Režim synchronizácie režimu. Uzamknutie aktívneho a pasívneho režimu.

27. Hélium-neónový laser.

Laser, ktorého aktívnym médiom je zmes hélia a neónu. Hélium-neónové lasery sa často používajú v laboratórnych experimentoch a optike. Má prevádzkovú vlnovú dĺžku 632,8 nm, ktorá sa nachádza v červenej časti viditeľného spektra.

Pracovným médiom héliovo-neónového lasera je zmes hélia a neónu v pomere 5:1, umiestnená v sklenenej banke pod nízkym tlakom (zvyčajne okolo 300 Pa). Energia čerpadla je dodávaná z dvoch elektrických výbojov s napätím asi 1000 voltov, umiestnených na koncoch banky. Rezonátor takéhoto lasera sa zvyčajne skladá z dvoch zrkadiel - úplne nepriehľadných na jednej strane žiarovky a druhého, ktoré cez seba prechádza asi 1% dopadajúceho žiarenia na výstupnej strane zariadenia.Hélium-neónové lasery sú kompaktné, tzv. typická veľkosť rezonátora je od 15 cm do 0,5 m, ich výstupný výkon sa pohybuje od 1 do 100 mW.

Princíp fungovania: Pri výboji plynu v zmesi hélia a neónu vznikajú excitované atómy oboch prvkov. Ukazuje sa, že energie metastabilnej hladiny hélia 1S0 a radiačnej hladiny neónu 2p55s² sú približne rovnaké - 20,616 a 20,661 eV. K prenosu excitácie medzi týmito dvoma stavmi dochádza v nasledujúcom procese: He* + Ne + ΔE → He + Ne* a jeho účinnosť sa ukazuje ako veľmi veľká (kde (*) označuje excitovaný stav a ΔE je rozdiel v energetické hladiny dvoch atómov.) Chýbajúcich 0,05 eV sa odoberá z kinetickej energie pohybu atómov. Populácia neónovej úrovne 2p55s² sa zvyšuje a v určitom momente je väčšia ako základná úroveň 2p53p². Nastáva inverzia populácie hladiny - médium je schopné generovať laser Keď atóm neónu prejde zo stavu 2p55s² do stavu 2p53p², vyžaruje sa žiarenie s vlnovou dĺžkou 632,816 nm. Stav 2p53p neónového atómu je tiež vyžarovací s krátkou životnosťou, a preto je tento stav rýchlo deexcitovaný do úrovňového systému 2p53s a následne do základného stavu 2p6, buď v dôsledku emisie rezonančného žiarenia (hladiny vyžarovania systém 2p53s), alebo v dôsledku kolízie so stenami (metastabilné úrovne systému 2p53s). správna voľba dutinové zrkadlá, generovanie lasera je možné získať aj pri iných vlnových dĺžkach: rovnaká úroveň 2p55s² môže dosiahnuť úroveň 2p54p² s emisiou fotónu s vlnovou dĺžkou 3,39 μm a úroveň 2p54s², ku ktorej dochádza pri zrážke s iným metastabilným héliom. úroveň, môže dosiahnuť 2p53p², pričom vyžaruje fotón s vlnovou dĺžkou 1,15 μm. Je tiež možné získať laserové žiarenie s vlnovými dĺžkami 543,5 nm (zelená), 594 nm (žltá) alebo 612 nm (oranžová).GHz, čo sa vysvetľuje prítomnosťou Dopplerovho posunu. Táto vlastnosť robí hélium-neónové lasery dobrými zdrojmi žiarenia na použitie v holografii, spektroskopii a tiež v čítačkách čiarových kódov.