لیزر هلیوم نئون
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. مخلوط گاز بیشتر هلیوم است، به طوری که اتم‌های هلیوم می‌توانند برانگیخته شوند. 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.
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. جریان دی‌سی ۳ تا ۲۰ میلی‌آمپر معمولاً برای عملیات CW مورد نیاز است. 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.
طول موج لیزر هلیوم-نئون قرمز ۶۳۳ نانومتر دارای طول موج خلاء واقعی ۶۳۲٫۹۹۱ است نانومتر یا حدود ۶۳۲٫۸۱۶ نانومتر در هوا طول موج حالت‌های انتشار تحریک شده در حدود ۰٫۰۰۱ قرار دارد نانومتر بالاتر یا کمتر از این مقدار، و طول موج آن حالت‌ها به دلیل انبساط و انقباض حرارتی حفره در این محدوده تغییر می‌کند. نسخه‌های تثبیت‌شده با فرکانس، طول موج یک حالت واحد را در ۱ مشخص می‌کنند. بخش 108 با تکنیک مقایسه توان دو حالت طولی در قطبش‌های مخالف. تثبیت مطلق فرکانس (یا طول موج) لیزر به اندازه ۲٫۵ قطعات 1011 را می‌توان با استفاده از سلول جذب ید به دست آورد.
سازوکار ایجاد وارونگی جمعیت و تقویت نور در پلاسمای لیزر هلیوم-نئون از برخورد غیرالاستیک الکترون‌های پرانرژی با اتم‌های هلیوم حالت پایه در مخلوط گاز سرچشمه می‌گیرد. 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



S

1








{\textstyle {\ce {2^3 S1}}}

 و 




2



1



S

0








{\textstyle {\ce {2^1S0}}}

 (LS، یا جفت راسل-ساندر، شماره جلو، تحریک می‌کنند. ۲ نشان می‌دهد که یک الکترون برانگیخته n 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. این فرایند انتقال انرژی تحریکی توسط معادلات واکنش داده می‌شود
که در آن * یک حالت برانگیخته را نشان می‌دهد و ΔE اختلاف انرژی کوچک بین حالات انرژی دو اتم، از مرتبه ۰٫۰۵ است. eV یا ۳۸۷ سانتی‌متر -1، که توسط انرژی جنبشی تأمین می‌شود. انتقال انرژی - تحریک جمعیت سطوح نئون 4s 2 و 5s 2 را چندین برابر افزایش می‌دهد. 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.
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. برای انتقال از طریق آینه‌ها و پراش. 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. لیزر هلیوم-نئون تثبیت شده نیز یکی از سیستم‌های معیار برای تعریف متر است.
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.