Laser de hélio-néon - Helium–neon laser

Laser de hélio-néon na Universidade de Chemnitz, Alemanha

Um laser de hélio-néon ou laser He-Ne , é um tipo de laser de gás cujo meio de ganho consiste em uma mistura de proporção de 10: 1 de hélio e néon a uma pressão total de cerca de 1  torr dentro de uma pequena descarga elétrica . O laser He-Ne mais conhecido e amplamente utilizado opera em um comprimento de onda de 632,8 nm, na parte vermelha do espectro visível.

História do desenvolvimento do laser He-Ne

Os primeiros lasers He-Ne emitidos infravermelhos a 1150 nm foram os primeiros lasers de gás e os primeiros lasers com saída de onda contínua. No entanto, um laser que operava em comprimentos de onda visíveis era muito mais procurado, e uma série de outras transições de neon foram investigadas para identificar aquelas nas quais uma inversão de população pode ser alcançada. A linha de 633 nm apresentou o maior ganho no espectro visível, tornando-o o comprimento de onda de escolha para a maioria dos lasers He-Ne. No entanto, outros comprimentos de onda de emissão estimulada visível e infravermelho são possíveis, e usando revestimentos de espelho com sua refletância de pico nesses outros comprimentos de onda; Lasers He-Ne podem ser projetados para empregar essas transições, incluindo lasers visíveis que aparecem em vermelho, laranja, amarelo e verde. Emissões estimuladas são conhecidas em mais de 100 μm no infravermelho distante a 540 nm no visível.

Como as transições visíveis têm ganho um pouco menor, esses lasers geralmente têm eficiências de saída mais baixas e são mais caros. A transição de 3,39 μm tem um ganho muito alto, mas não pode ser usada em um laser He-Ne comum (de um comprimento de onda pretendido diferente) porque a cavidade e os espelhos apresentam perdas nesse comprimento de onda. No entanto, em lasers He-Ne de alta potência com uma cavidade particularmente longa, a superluminescência a 3,39 μm pode se tornar um incômodo, roubando a energia do meio de emissão estimulado, muitas vezes exigindo supressão adicional.

O laser He-Ne mais conhecido e amplamente utilizado opera em um comprimento de onda de 632,8  nm , na parte vermelha do espectro visível . Foi desenvolvido na Bell Telephone Laboratories em 1962, 18 meses após a demonstração pioneira no mesmo laboratório do primeiro laser de gás He-Ne infravermelho contínuo em dezembro de 1960.

Construção e operação

O meio de ganho do laser, como seu nome sugere, é uma mistura dos gases hélio e néon , na proporção aproximada de 10: 1, contidos a baixa pressão em um envelope de vidro. A mistura de gases é principalmente de hélio, de modo que os átomos de hélio podem ser excitados. Os átomos de hélio excitados colidem com átomos de néon, levando alguns deles ao estado que irradia 632,8 nm. Sem o hélio, os átomos de néon seriam excitados principalmente para estados excitados mais baixos, responsáveis ​​por linhas não laser.

Um laser de néon sem hélio pode ser construído, mas é muito mais difícil sem este meio de acoplamento de energia. Portanto, um laser He-Ne que perdeu hélio suficiente (por exemplo, devido à difusão através das vedações ou do vidro) perderá sua funcionalidade de laser porque a eficiência de bombeamento será muito baixa. A fonte de energia ou bomba do laser é fornecida por uma descarga elétrica de alta voltagem passada pelo gás entre os eletrodos ( ânodo e cátodo ) dentro do tubo. Uma corrente DC de 3 a 20 mA é normalmente necessária para a operação CW . A cavidade óptica do laser geralmente consiste em dois espelhos côncavos ou um plano e um espelho côncavo: um tendo refletância muito alta (normalmente 99,9%) e o espelho acoplador de saída permitindo aproximadamente 1% de transmissão.

Diagrama esquemático de um laser de hélio-néon

Lasers comerciais He-Ne são dispositivos relativamente pequenos, entre os lasers de gás, com comprimentos de cavidades geralmente variando de 15 a 50 cm (mas às vezes até cerca de 1 metro para atingir as potências mais altas) e níveis de potência de saída óptica variando de 0,5 a 50 m W .

O comprimento de onda do laser He-Ne vermelho de 633 nm tem um comprimento de onda de vácuo real de 632,991 nm, ou cerca de 632,816 nm no ar. Os comprimentos de onda dos modos de emissão estimulados estão dentro de cerca de 0,001 nm acima ou abaixo deste valor, e os comprimentos de onda desses modos mudam dentro desta faixa devido à expansão térmica e contração da cavidade. Versões estabilizadas por frequência permitem que o comprimento de onda de um único modo seja especificado dentro de 1 parte em 108 pela técnica de comparação das potências de dois modos longitudinais em polarizações opostas. A estabilização absoluta da freqüência do laser (ou comprimento de onda) tão fina quanto 2,5 partes em 10 11 pode ser obtida através do uso de uma célula de absorção de iodo.

Níveis de energia em um laser He-Ne
Laser Ring He-Ne

O mecanismo que produz inversão de população e amplificação de luz em um plasma de laser He-Ne se origina com a colisão inelástica de elétrons energéticos com átomos de hélio no estado fundamental na mistura de gases. Conforme mostrado no diagrama de nível de energia que acompanha, essas colisões excitam átomos de hélio do estado fundamental para estados excitados de energia mais alta, entre eles os 2 3 S 1 e 2 1 S 0 ( LS, ou acoplamento de Russell-Saunders , o número frontal 2 indica que um elétron excitado é n  = 2 estado) são estados metaestáveis ​​de longa duração. Por causa de uma quase coincidência fortuita entre os níveis de energia dos dois estados metaestáveis ​​de He e os níveis de néon 5s 2 e 4s 2 ( notação Paschen ), as colisões entre esses átomos metastáveis ​​de hélio e os átomos de néon do estado fundamental resultam em um efeito seletivo e eficiente transferência de energia de excitação do hélio para o néon. Este processo de transferência de energia de excitação é dado pelas equações de reação

He * (2 3 S 1 ) + Ne 1 S 0 → He ( 1 S 0 ) + Ne * 4s 2 + Δ E ,
He * (2 1 S) + Ne 1 S 0 + Δ E → He ( 1 S 0 ) + Ne * 5s 2 ,

onde * representa um estado excitado, e Δ E é a pequena diferença de energia entre os estados de energia dos dois átomos, da ordem de 0,05  eV , ou 387 cm −1 , que é fornecida pela energia cinética. A transferência de energia de excitação aumenta muitas vezes a população dos níveis 4s 2 e 5s 2 de neon. Quando a população desses dois níveis superiores excede a do nível inferior correspondente, 3p 4 , ao qual eles estão opticamente conectados, a inversão populacional está presente. O meio torna-se capaz de amplificar a luz em uma banda estreita a 1,15 μm (correspondendo à transição 4s 2 a 3p 4 ) e em uma banda estreita a 632,8 nm (correspondendo à transição 5s 2 a 3p 4 ). O nível 3p 4 é esvaziado de forma eficiente pela rápida degradação radiativa para o estado 3s, eventualmente atingindo o estado fundamental.

A etapa restante na utilização da amplificação óptica para criar um oscilador óptico é colocar espelhos altamente refletivos em cada extremidade do meio de amplificação de modo que uma onda em um modo espacial particular reflita sobre si mesma, ganhando mais potência em cada passagem do que é perdida devido a transmissão através dos espelhos e difração. Quando essas condições são atendidas para um ou mais modos longitudinais , a radiação nesses modos aumentará rapidamente até que ocorra a saturação de ganho , resultando em uma saída de feixe de laser contínuo estável através do espelho frontal (normalmente 99% refletivo).

Espectro de um laser de hélio-néon ilustrando sua altíssima pureza espectral (limitada pelo aparelho de medição). A largura de banda de 0,002 nm do meio de emissão estimulado está bem acima10 000 vezes mais estreita do que a largura espectral de um diodo emissor de luz (ver o seu espectro de comparação), com a largura de banda de um modo longitudinal único sendo ainda muito mais estreito.

A largura de banda de ganho do laser He-Ne é dominada pelo alargamento Doppler em vez do alargamento da pressão devido à baixa pressão do gás e, portanto, é bastante estreita: apenas cerca de 1,5 GHz de largura total para a transição de 633 nm. Com cavidades com comprimentos típicos de 15 a 50 cm, isso permite que cerca de 2 a 8  modos longitudinais oscilem simultaneamente (no entanto, unidades de modo único longitudinal estão disponíveis para aplicações especiais). A saída visível do laser vermelho He-Ne, comprimento de coerência longo e sua excelente qualidade espacial, torna este laser uma fonte útil para holografia e como uma referência de comprimento de onda para espectroscopia . Um laser He-Ne estabilizado também é um dos sistemas de referência para a definição do medidor.

Antes da invenção dos lasers de diodo baratos e abundantes, os lasers He-Ne vermelhos eram amplamente usados ​​em leitores de código de barras em caixas de supermercados. Os giroscópios a laser empregaram lasers He-Ne operando a 633 nm em uma configuração de laser em anel . Os lasers He-Ne estão geralmente presentes em laboratórios ópticos educacionais e de pesquisa.

Formulários

Os lasers Red He-Ne têm enormes utilizações industriais e científicas. Eles são amplamente usados ​​em demonstrações de laboratório no campo da óptica por causa de seu custo relativamente baixo e facilidade de operação em comparação com outros lasers visíveis que produzem feixes de qualidade semelhante em termos de coerência espacial (um feixe gaussiano de modo único ) e comprimento de coerência longo ( no entanto, desde cerca de 1990, os lasers semicondutores têm oferecido uma alternativa de baixo custo para muitas dessas aplicações).


A partir de 1978, os lasers de tubo HeNe (fabricados pela Toshiba e NEC ) foram usados ​​nos leitores LaserDisc da Pioneer . Isso continuou até a linha de modelos de 1984, que continha diodos de laser infravermelho . A Pioneer continuou a usar diodos de laser em todos os reprodutores subsequentes até a descontinuação do formato em 2009.

Veja também

Referências