Helium-Neon-Laser
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Der Helium-Neon-Laser ist ein Gaslaser und wurde 1961 als erster Dauerstrich- bzw. CW-Laser der Welt betrieben [1]. Er besteht im wesentlichen aus einem dünnen Glasröhrchen (auch Kapillarrohr, Durchmesser ca. 1 mm, Länge ca. einige 10 cm) in welchem sich ein Helium-Neon-Gasgemisch befindet.
Dieses Gasgemisch steht unter einem Druck von ca. 100 Pa, mit einem Verhältnis der Partialdrücke von Helium/Neon von ca. 10/1. An den Enden befinden sich sog. Brewster-Fenster. Dabei handelt es sich um planparallele Platten, die Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung ohne Verluste durch Reflexion hindurchlassen. Licht mit dazu senkrechter Polarisation wird teilweise reflektiert, teilweise hindurchgelassen. Bei dem Brewster-Winkel erreicht man eine minimale Reflexion der Laserstrahlung ohne Antireflexbeschichtung der Fenster. Zusätzlich sorgt diese Anordnung für eine fast vollständige Polarisation des Laserlichtes. Dieser Aufbau befindet sich zwischen zwei Spiegeln, die den Resonator bilden (siehe schematische Darstellung, im zweiten Bild die untere Glasröhre).
Man kann die beiden Spiegel auch direkt als Abschluss des Entladungsgefäßes anstelle der Brewsterfenster montieren - sie sind dann jedoch nicht austausch- oder nachjustierbar.
Die Spannungsversorgung der Gasentladung muss folgende Anforderungen erfüllen:
- Bereitstellung der Zündspannung zu Beginn (10-15 kV)
- Strombegrenzung des nach der Zündung fließenden Entladungsstromes
Die Entladungsspannung nach der Zündung beträgt typisch 1-2 kV, der Strom 1-30 mA.
Bei einem Helium-Neon-Laser ist das Helium das Pumpgas, und das Neon das Lasergas. In dem Glasröhrchen befinden sich außerdem noch zwei Elektroden, zwischen denen eine Gasentladung stattfindet. Diese Gasentladung bringt nun die Heliumatome in einen vergleichsweise langlebigen (ca. 10 − 3 s) angeregten Zustand. Die Heliumatome übertragen nun durch Stöße zweiter Art ihre Energie auf die Neonatome und erzeugen dort eine Inversion zwischen energetisch hohen Zuständen und niedrigen Zuständen. Auf Übergängen zwischen den energetischen Zuständen des Neons wird nun der Laserbetrieb, wie in folgendem Schema dargestellt, möglich.
Die Zustände 21s und 23s des Heliums sind metastabil, d.h. es existieren keine optischen Übergänge in energieärmere Zustände. Die Emission von Photonen im Neon-Atom erfolgt durch stimulierte Emission; die Rückkehr in den Grundzustand durch spontane Emission und Rekombinationen an der Kapillarwand.
Der Helium-Neon-Laser emittiert standardmäßig Licht der Wellenlängen 632,8 nm (das bekannte rote Laserlicht), 1152,3 nm und 3392,2 nm (beide infrarot). Durch Spin-Bahn-Kopplung sind die Laserniveaus aufgespalten. Weitere Wellenlängen lassen sich durch Einbringung von Prismen und schmalbandigen Spiegeln in den Resonator erzeugen (z. B. im grünen Bereich bei 543,5 nm, im gelben bei 594 nm und im orangen bei 612 nm). Welche Wellenlänge anschwingen soll, kann man durch diese Prismen oder schmalbandigen Spiegel festlegen. Man kann dazu auch Filter verwenden, die man in den Resonator bringt. Die Ausgangsleistung eines roten Helium-Neon-Lasers liegt im Bereich von einigen mW, in seltenen Fällen bis hin zu ca. 100 mW.
In der heutigen Zeit findet der Helium-Neon-Laser u.A. Anwendung in Labors. Die große Kohärenzlänge von 20 - 30 cm erlaubt eine Anwendung in Interferometern oder zur Kalibrierung von Spektrometern. Bei geringeren Anforderungen an die Frequenzstabilität und Strahlqualität der Laserstrahlung kann der Helium-Neon-Laser heute oft durch Diodenlaser abgelöst werden.
[Bearbeiten] Quellen
- ↑ A. Javan, W. R. Bennet, D. R. Herriot: Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture in Phys. Rev. Lett. 6, 106-110, 1961
