موضوع مقاله: لیزر هلیوم نئون | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # لیزر هلیوم نئون | مقدمه: شناخته شده‌ترین و پرکاربردترین لیزر هلیوم-نئون در طول موج ۶۳۲٫۸ نانومتر، در قسمت قرمز طیف مرئی کار می‌کند. | ## بخش 1: لیزر هلیوم نئون | تاریخچه توسعه لیزر هلیوم-نئون اولین لیزرهای هلیوم-نئون در ۱۱۵۰ نانومتر فروسرخ گسیل کردند، و اولین لیزرهای گازی و اولین لیزرهایی با خروجی موج پیوسته بودند. با این حال، لیزری که در طول موج‌های مرئی کار می‌کرد، بسیار مورد تقاضا بود، و تعدادی از انتقال‌های نئونی دیگر برای شناسایی مواردی که در آن‌ها می‌توان به وارونگی جمعیت دست یافت، مورد بررسی قرار گرفت. خط ۶۳۳ نانومتر مشخص شد تا دارای بالاترین بهره در طیف مرئی و این طول موج انتخابی برای اکثر لیزرهای هلیوم-نئون باشد. با این حال، سایر طول موج‌های انتشار-تحریک شده مرئی و مادون قرمز، و با استفاده از پوشش‌های آینه ای با حداکثر بازتاب آنها در این طول موج‌های دیگر امکان‌پذیر می‌باشند. لیزرهای هلیوم-نئون را می‌توان برای استفاده از این انتقال‌ها مهندسی کرد، از جمله لیزرهای مرئی که قرمز، نارنجی، زرد و سبز به نظر می‌رسند.Willet, C.S. 407–411 انتشارات تحریک شده از بیش از ۱۰۰ میکرومتر مورد در مادون قرمز دور تا ۵۴۰ نانومتر در مرئی شناخته شده‌اند. از آنجایی که انتقال‌های مرئی تا حدی دارای بهره کمتری هستند، این لیزرها عموماً بازده خروجی کمتری دارند، هزینه بیشتری نیز دارند. ۳٫۳۹ میکرومتر انتقال بهره بسیار بالایی دارد، اما از استفاده در لیزر هلیوم-نئون معمولی (با طول موج مورد نظر متفاوت) جلوگیری می‌شود، زیرا حفره و آینه‌ها در آن طول موج دارای تلفات هستند. با این حال، در لیزرهای پرقدرت هلیوم-نئون که دارای یک حفره به خصوص طولانی هستند، ابرلومینسانس در ۳٫۳۹ میکرومتر می‌تواند به یک مزاحم تبدیل شود، انرژی را از محیط انتشار تحریک‌شده سلب کند، که اغلب به سرکوب اضافی نیاز دارد. شناخته شده‌ترین و پرکاربردترین لیزر هلیوم-نئون در طول موج ۶۳۲٫۸ نانومتر، در قسمت قرمز طیف مرئی کار می‌کند. 18 ماه پس از نمایش پیشگامانه اولین لیزر گازی هلیوم-نئون مادون قرمز پیوسته در همان آزمایشگاه در دسامبر ۱۹۶۰ توسعه یافت. ساخت و بهره‌برداری محیط بهره لیزر، همان‌طور که از نامش پیداست، مخلوطی از گازهای هلیوم و نئون به نسبت تقریباً ۱۰:۱ است که با فشار کم در یک پاکت شیشه ای موجود است. اتم‌های هلیوم برانگیخته با اتم‌های نئون برخورد می‌کنند و برخی از آنها را به حالتی برانگیخته می‌کند که ۶۳۲٫۸ نانومتر تابش می‌کند. بدون هلیوم، اتم‌های نئون بیشتر برانگیخته خواهند شد تا به حالت‌های برانگیخته پایین‌تر، مسئول خطوط غیر لیزری، برانگیخته می‌شوند. | ## بخش 2: لیزر هلیوم نئون | جایگزین=|قاب|نمودار شماتیک یک لیزر هلیوم-نئون یک لیزر نئون بدون هلیوم می‌تواند ساخته شود، اما بدون این وسیله اتصال انرژی بسیار دشوارتر است؛ بنابراین، لیزر هلیوم-نئون که به اندازه کافی هلیوم خود را از دست داده‌است (مثلاً به دلیل انتشار از طریق مهر و موم یا شیشه) عملکرد لیزر خود را از دست می‌دهد زیرا راندمان پمپاژ بسیار پایین خواهد بود. منبع انرژی یا پمپ لیزر توسط یک تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا که از طریق گاز بین الکترودها (آند و کاتد) درون لوله عبور می‌کند، تأمین می‌شود. حفره نوری لیزر معمولاً از دو آینه مقعر یا یک صفحه و یک آینه مقعر تشکیل شده‌است: یکی دارای بازتاب بسیار بالا (معمولاً ۹۹٫۹٪) و آینه تزویج‌گر خروجی که امکان انتقال تقریباً ۱٪ را فراهم می‌کند. لیزرهای تجاری هلیوم-نئون دستگاه‌های نسبتاً کوچکی هستند، در بین لیزرهای گازی که دارای طول حفره معمولاً بین ۱۵ تا ۵۰ است. سانتی‌متر (اما گاهی تا حدود ۱ متر برای دستیابی به بالاترین توان) و سطوح توان خروجی نوری از ۰٫۵ تا ۵۰ میلی‌وات. تثبیت مطلق فرکانس (یا طول موج) لیزر به اندازه ۲٫۵ قطعات 1011 را می‌توان با استفاده از سلول جذب ید به دست آورد. همان‌طور که در نمودار سطح انرژی همراه نشان داده شده‌است، این برخوردها اتم‌های هلیوم را از حالت پایه به حالت‌های برانگیخته با انرژی بالاتر، از جمله 2^3 S1 و 2^1S0 (LS، یا جفت راسل-ساندر، شماره جلو، تحریک می‌کنند. ۲ نشان می‌دهد که یک الکترون برانگیخته است = حالت ۲) حالت‌های فراپایدار با عمر طولانی هستند. به دلیل تصادفی تقریباً تصادفی بین سطوح انرژی دو حالت ناپایدار He و سطوح نئون 5s2 و 4s2 (نماد Paschen ، برخورد بین این اتم‌های بی‌پایدار هلیوم و اتم‌های نئون حالت پایه منجر به انتقال انتخابی و کارآمد انرژی تحریک از هلیوم به نئون. ۰٫۰۰۲ پهنای باند نانومتری محیط انتشار تحریک شده بیش از ۱۰۰۰۰ برابر باریکتر از عرض طیفی یک دیود گسیل کننده نور است (برای مقایسه به طیف آن مراجعه کنید)، با پهنای باند یک حالت طولی منفرد هنوز هم بسیار باریک‌تر است. که در آن * یک حالت برانگیخته را نشان می‌دهد و ΔE اختلاف انرژی کوچک بین حالات انرژی دو اتم، از مرتبه ۰٫۰۵ است. هنگامی که جمعیت این دو سطح بالا از سطح پایین‌تر مربوطه، 3p4 که به صورت نوری به آن متصل هستند، بیشتر شود، وارونگی جمعیت وجود دارد. این محیط قادر است نور را در یک باند باریک در ۱٫۱۵ تقویت کند میکرومتر (مرتبط با انتقال 4s2 به 3p4) و در یک نوار باریک در ۶۳۲٫۸ نانومتر (مرتبط با انتقال 5s 2 به 3p 4). سطح 3p 4 به‌طور مؤثر با واپاشی تابشی سریع به حالت 3s تخلیه می‌شود و در نهایت به حالت پایه می‌رسد. | ## بخش 3: لیزر هلیوم نئون | مرحله باقیمانده در استفاده از تقویت نوری برای ایجاد یک نوسان ساز نوری، قرار دادن آینه‌های بسیار بازتابنده در هر انتهای محیط تقویت کننده است، به طوری که یک موج در یک حالت فضایی خاص به خود منعکس می‌شود و در هر گذر، قدرت بیشتری نسبت به از دست دادن قدرت به دست می‌آورد. هنگامی که این شرایط برای یک یا چند حالت طولی برآورده می‌شود، تابش در آن حالت‌ها به سرعت افزایش می‌یابد تا زمانی که اشباع بهره رخ دهد، و در نتیجه یک خروجی پرتو لیزر پیوسته از طریق آینه جلویی (معمولاً ۹۹٪ بازتابنده) ایجاد می‌شود. پهنای باند بهره لیزر هلیوم-نئون به جای افزایش فشار به دلیل فشار کم گاز، تحت سلطه گسترش داپلر است و بنابراین کاملاً باریک است: فقط حدود ۱٫۵ گیگاهرتز عرض کامل برای ۶۳۳ انتقال نانومتر با حفره‌هایی با طول معمولی ۱۵ تا ۵۰ سانتی‌متر، این اجازه می‌دهد تا حدود ۲ تا ۸ حالت‌های طولی برای نوسان به‌طور همزمان (با این حال، واحدهای تک حالت طولی برای کاربردهای خاص در دسترس هستند). خروجی مرئی لیزر هلیوم-نئون قرمز، طول پیوستگی طولانی و کیفیت فضایی عالی آن، این لیزر را به منبع مفیدی برای هولوگرافی و به عنوان مرجع طول موج برای طیف‌سنجی تبدیل می‌کند. قبل از اختراع لیزرهای دایود ارزان و فراوان، لیزرهای قرمز هلیوم-نئون به‌طور گسترده در اسکنرهای بارکد در پیشخوان‌های فروشگاه‌های سوپرمارکت استفاده می‌شد. ژیروسکوپ‌های لیزری از لیزرهای هلیوم-نئون استفاده می‌کنند که در ۶۳۳ نانومتر کار می‌کنند در پیکربندی لیزر حلقه‌ای. لیزرهای هلیوم-نئون به‌طور کلی در آزمایشگاه‌های نوری آموزشی و تحقیقاتی وجود دارد. برنامه‌های کاربردی لیزرهای Red هلیوم-نئون کاربردهای صنعتی و علمی بسیار زیادی دارند. این لیزرها به دلیل هزینه نسبتاً پایین و سهولت کار در مقایسه با سایر لیزرهای مرئی که پرتوهایی با کیفیت مشابه از نظر انسجام فضایی (پرتو گاوسی تک حالته) و طول پیوستگی طولانی تولید می‌کنند، به‌طور گسترده در آزمایشات آزمایشگاهی در زمینه اپتیک استفاده می‌شوند. با این حال، از حدود سال ۱۹۹۰، لیزرهای نیمه هادی جایگزین کم هزینه ای برای بسیاری از کاربردهای این چنینی ارائه کرده‌اند. از سال ۱۹۷۸، لیزرهای لوله ای هلیوم-نئون (تولید شده توسط توشیبا و ان‌ای‌سی) در پخش‌کننده‌های لیزردیسک پایونیر استفاده شد. این امر تا سال ۱۹۸۴ ادامه یافت که در مدل‌های سال ۱۹۸۴ از دیودهای لیزر مادون قرمز استفاده شد. | ## جمع‌بندی | پایونیر به استفاده از دیودهای لیزر در همه پخش‌کننده‌های بعدی تا زمان توقف این فرمت در سال ۲۰۰۹ ادامه داد.