헬륨-네온 레이저

Helium–neon laser
독일 켐니츠 대학의 헬륨-네온 레이저

헬륨-네온 레이저(Helium-neon laser) 또는 He-Ne 레이저(He-Ne laser)는 기체 레이저의 일종으로, 높은 에너지를 가진 매질이 헬륨과 네온의 비율(5:1에서 20:1 사이)로 구성되어 있으며, 작은 전기 방전 내부에 약 1 Torr(133 Pa)의 총 압력으로 구성되어 있습니다. 가장 잘 알려져 있고 가장 널리 사용되는 He-Ne 레이저는 가시 스펙트럼의 빨간색 부분에서 632.8nm(공기 중)의 파장에서 작동합니다.

He-Ne 레이저 개발의 역사

최초의 He-Ne 레이저는 1150 nm에서 적외선을 방출했으며, 연속파 출력을 가진 최초의 가스 레이저이자 최초의 레이저였습니다. 그러나 가시 파장에서 작동하는 레이저의 수요는 훨씬 더 많았고, 인구 역전이 가능한 레이저를 식별하기 위해 다른 많은 네온 전이를 조사했습니다. 633 nm 라인은 가시 스펙트럼에서 가장 높은 이득을 가지는 것으로 나타났으며, 이는 대부분의 He-Ne 레이저에서 선택되는 파장입니다. 그러나 다른 가시광선 및 적외선 자극 방출 파장이 가능하며, 이러한 다른 파장에서 최대 반사율을 갖는 미러 코팅을 사용함으로써 He-Ne 레이저는 적색, 오렌지, 황색 및 녹색으로 나타나는 가시광선 레이저를 포함하여 이러한 전이를 사용하도록 설계될 수 있습니다.[1] 자극된 방출은 원적외선에서 100μm 이상에서 가시광선에서 540nm까지 알려져 있습니다.

가시적인 전이는 이득이 다소 낮기 때문에, 이러한 레이저는 일반적으로 출력 효율이 낮고 비용이 더 많이 듭니다. 3.39μm 전이는 매우 높은 이득을 갖지만, 캐비티와 미러가 해당 파장에서 손실되기 때문에 일반 He-Ne 레이저에서는 사용할 수 없습니다. 그러나 특히 긴 공동을 갖는 고출력 He-Ne 레이저에서 3.39 μm의 초발광은 자극된 방출 매체로부터 전력을 강탈하여 성가신 것이 될 수 있으며, 종종 추가적인 억제가 필요합니다.

가장 잘 알려져 있고 가장 널리 사용되는 He-Ne 레이저는 가시 스펙트럼의 빨간색 부분인 632.8nm 파장에서 작동합니다. 1960년 12월 최초의 연속 적외선 He-Ne 가스 레이저의 동일한 실험실에서 선구적인 시연을 한 후 18개월 [2][3]후인 1962년 벨 전화 연구소에서 개발되었습니다.[4]

시공 및 운영

레이저의 이득 매질은 이름에서 알 수 있듯이 헬륨과 네온 가스의 혼합물로 약 10:1 비율로 유리 외피 안에 낮은 압력으로 들어 있습니다. 기체 혼합물은 대부분 헬륨이므로 헬륨 원자가 여기될 수 있습니다. 들뜬 헬륨 원자는 네온 원자와 충돌하고, 그 중 일부는 632.8 nm를 복사하는 상태로 들뜨게 됩니다. 헬륨이 없다면, 네온 원자는 레이저가 아닌 선을 담당하는 낮은 들뜬 상태로 주로 들뜬 상태가 될 것입니다.

헬륨이 없는 네온 레이저를 만들 수는 있지만, 이런 에너지 결합 수단이 없으면 훨씬 더 어렵습니다. 따라서 헬륨이 충분히 손실된 He-Ne 레이저는 펌핑 효율이 너무 낮기 때문에(예: 씰이나 유리를 통한 확산으로 인해) 레이저 기능을 잃게 됩니다.[5] 레이저의 에너지 또는 펌프 소스는 튜브 내의 전극(양극 및 음극) 사이의 가스를 통과하는 고전압 전기 방전에 의해 제공됩니다. 일반적으로 CW 작동에는 3~20mA의 직류 전류가 필요합니다. 레이저의 광학 공동은 일반적으로 두 개의 오목 거울 또는 한 개의 평면과 한 개의 오목 거울로 구성됩니다. 하나는 매우 높은 반사율(일반적으로 99.9%)을 가지며 출력 커플러 거울은 약 1%의 투과율을 허용합니다.

헬륨-네온 레이저의 개략도

상업용 He-Ne 레이저는 다른 가스 레이저에 비해 상대적으로 작은 장치로, 공동 길이는 보통 15~50cm(그러나 때로는 가장 높은 출력을 달성하기 위해 약 1m)이며, 광 출력 전력 레벨은 0.5~50mW입니다.

적색 He-Ne 레이저의 정밀 파장은 진공에서 632.991nm로 공기 중에서 약 632.816nm로 굴절됩니다. 자극된 방출 모드의 파장은 이 값의 위 또는 아래 약 0.001 nm 내에 있으며, 이 모드의 파장은 캐비티의 열 팽창 및 수축으로 인해 이 범위 내에서 이동합니다. 주파수 안정화 버전을 사용하면 반대 편광에서 두 종방향 모드의 전력을 비교하는 기술을 통해 단일 모드의 파장을8 10분의 1 이내로 지정할 수 있습니다.[6] 10분의 2.5 정도의 미세한 레이저 주파수(또는11 파장)의 절대 안정화는 요오드 흡수 셀을 사용하여 얻을 수 있습니다.[7]

He-Ne 레이저의 에너지 준위
링 헤네 레이저

He-Ne 레이저 플라즈마에서[4] 인구 역전 및 빛 증폭을 생성하는 메커니즘은 가스 혼합물의 지상 상태 헬륨 원자와 에너지 전자의 비탄성 충돌에서 비롯됩니다. 동반된 에너지 수준 다이어그램에서 볼 수 있듯이 이러한 충돌은 헬륨 원자를 바닥 상태에서 더 높은 에너지 여기 상태로 여기시키며, 그 중 2S 및 2S(LS 또는 러셀-선더스 커플링, 앞 번호 2는 여기된 전자가 n = 2 상태임을 나타냅니다)는 장수명 준안정 상태입니다. 두 He 준안정 상태의 에너지 수준과 네온의 5s2 및 4s2(Paschen 표기법[8]) 수준 사이의 우연한 일치로 인해 이러한 헬륨 준안정 원자와 지상 상태 네온 원자 사이의 충돌은 헬륨에서 네온으로 여기 에너지의 선택적이고 효율적인 전달을 초래합니다. 이 여기 에너지 전달 과정은 반응 방정식에 의해 주어집니다.

He*(23S1) + Ne1S0 → He(1S0) + Ne*4s2 + ΔE,
He*(21S) + Ne1S0 + ΔE → He(1S0) + Ne*5s2,

여기서 *는 들뜬 상태를 나타내고, δE는 운동 에너지로 공급되는 0.05eV 또는 387cm 정도의 두 원자의 에너지 상태 사이의 작은 에너지 차이입니다. 흥분-에너지 전달은 네온 4세와2 5세2 수준의 인구를 몇 배 증가시킵니다. 이 두 상위 수준의 개체수가 광학적으로 연결된 해당 하위 수준인4 3p의 개체수를 초과하면 개체수 역전이 발생합니다. 매체는 1.15 μm의 좁은 대역(4s2 내지 3p4 전이에 해당)과 632.8 nm의 좁은 대역(5s2 내지 3p4 전이에 해당)에서 광을 증폭할 수 있게 됩니다. 3p4 레벨은 3s 상태로 빠른 방사성 붕괴에 의해 효율적으로 비워져 결국 지상 상태에 도달합니다.

광증폭을 이용하여 광발진기를 만드는 데 남은 단계는 증폭매체의 각 끝에 고반사 거울을 배치하여 특정 공간 모드의 파동이 반사되어 거울을 통한 전달과 회절로 인해 손실되는 것보다 각 통과에서 더 많은 전력을 얻는 것입니다. 하나 이상의 종방향 모드에 대해 이러한 조건이 충족되면 이득 포화가 발생할 때까지 해당 모드의 방사선이 빠르게 축적되어 전면(일반적으로 99% 반사) 미러를 통한 안정적인 연속 레이저 빔 출력이 발생합니다.

매우 높은 스펙트럼 순도를 나타내는 헬륨-네온 레이저의 스펙트럼(측정 장치에 의해 제한됨). 자극된 방출 매체의 0.002nm 대역폭은 발광 다이오드의 스펙트럼 폭보다 10000배 이상 좁으며(비교는 스펙트럼 참조), 단일 종방향 모드의 대역폭은 여전히 훨씬 좁습니다.

He-Ne 레이저의 이득 대역폭은 낮은 가스 압력으로 인해 압력이 넓어지는 것이 아니라 도플러 넓힘에 의해 지배되므로 매우 좁습니다. 즉, 633nm 전이에 대해 약 1.5GHz 전체 폭에 불과합니다.[6][9] 일반적으로 15~50cm 길이의 캐비티를 사용하면 약 2~8개의 종방향 모드가 동시에 진동할 수 있습니다(단, 단일 종방향 모드 장치는 특수한 용도에 사용 가능). 적색 He-Ne 레이저의 가시적인 출력, 긴 간섭성 길이 및 우수한 공간 품질은 이 레이저를 홀로그래피 및 분광학의 파장 참조에 유용한 소스로 만듭니다. 안정화된 He-Ne 레이저는 미터 정의의 벤치마크 시스템 중 하나이기도 합니다.[7]

값싸고 풍부한 다이오드 레이저가 발명되기 전, 빨간색 He-Ne 레이저는 슈퍼마켓 계산대의 바코드 스캐너에 널리 사용되었습니다. 레이저 자이로스코프는 링 레이저 구성으로 633nm에서 작동하는 He-Ne 레이저를 사용했습니다. He-Ne 레이저는 일반적으로 교육 및 연구 광학 실험실에 존재합니다.

적용들

Red He-Ne 레이저는 엄청나게 많은 산업적, 과학적 용도를 가지고 있습니다. 공간 간섭성(단일 모드 가우시안 빔)과 긴 간섭성 길이 측면에서 유사한 품질의 빔을 생성하는 다른 가시 레이저에 비해 상대적으로 비용이 저렴하고 조작이 용이하기 때문에 광학 분야의 실험실 시연에 널리 사용됩니다(그러나). 약 1990년 이후 반도체 레이저는 그러한 많은 응용 분야에 대해 더 낮은 비용의 대안을 제공해 왔습니다.

1978년부터 HeNe 튜브 레이저(도시바와 NEC에서 제조)가 Pioneer LaserDisc 플레이어에 사용되었습니다. 이는 1984년 모델 라인업까지 계속되었으며, 대신 적외선 레이저 다이오드가 포함되어 있습니다. Pioneer는 2009년에 포맷이 중단될 때까지 모든 후속 플레이어에서 레이저 다이오드를 계속 사용했습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Willet, C.S. (1974). An Introduction to Gas Lasers. Pergamon Press. pp. 407–411.
  2. ^ White, A.D.; Rigden, J.D. (1962). "Correspondence: Continuous gas maser operation in the visible". Proceedings of the IRE. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 50 (7): 1697. doi:10.1109/jrproc.1962.288157. ISSN 0096-8390.
  3. ^ White, A.D. (October 2011). "Recollections of the first continuous visible laser". Optics and Photonics News. Vol. 22, no. 10. pp. 34–39.
  4. ^ a b Javan, A.; Bennett, W.R.; Herriott, D.R. (1 February 1961). "Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He–Ne mixture". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 6 (3): 106–110. Bibcode:1961PhRvL...6..106J. doi:10.1103/physrevlett.6.106. ISSN 0031-9007.
  5. ^ "Sam's Laser FAQ – Helium-Ne Lasers". K3PGP.org.
  6. ^ a b Niebauer, T.M.; Faller, James E.; Godwin, H.M.; Hall, John L.; Barger, R.L. (1988-04-01). "Frequency stability measurements on polarization-stabilized He–Ne lasers". Applied Optics. The Optical Society. 27 (7): 1285–1289. Bibcode:1988ApOpt..27.1285N. doi:10.1364/ao.27.001285. ISSN 0003-6935. PMID 20531556.
  7. ^ a b Iodine-stabilized helium–neon laser. National Institute of Standards and Technology (NIST). NIST Museum (Report). U.S. Department of Commerce. Archived from the original on 21 July 2006.
  8. ^ "Notes on the Paschen notation". Archived from the original on 2012-06-18.
  9. ^ "Sam's Laser FAQ". RepairFAQ.