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ⓘ Laser a elio-neon




Laser a elio-neon
                                     

ⓘ Laser a elio-neon

Il laser a elio-neon, detto anche laser HeNe, è un piccolo tipo di laser a gas.

I laser HeNe hanno molti usi industriali e scientifici e sono spesso impiegati in dimostrazioni di ottica in laboratorio. Nel loro funzionamento normale operano ad una lunghezza donda di 632.8 nm, nella parte rossa dello spettro visibile.

                                     

1. Funzionamento

Il mezzo di amplificazione del laser, come suggerisce il nome, è una miscela di gas elio e neon in proporzioni che vanno da 5:1 a 20:1, contenuti in un tubo di vetro a una pressione variabile a seconda della grandezza del tubo stesso, grosso modo pari a 50 Pa per centimetro di lunghezza del risuonatore contenuto nel tubo di vetro.

Lenergia della fonte di pompaggio del laser deriva da una scarica elettrica di circa 1000V fra un anodo e un catodo posti agli estremi del tubo di vetro, e con correnti variabili da 5 a 100 milliampere nel funzionamento normale ad onda continua.

La cavità ottica del laser è costituita di solito da uno specchio altamente riflettente a una estremità e di un accoppiatore specchio semiriflettente allaltra estremità, con una trasmissività verso lesterno dell1% circa. I laser a elio-neon sono in genere piccoli, con tubi laser da 15 a 50 cm e potenze ottiche in uscita da 1 a 100 milliwatt.

Il fenomeno laser inizia in questo tipo di dispositivo con la collisione degli elettroni con gli atomi di elio: questi eccitano lelio e lo portano dallo stato fondamentale agli stati eccitati 2 3 S 1 e 2 1 S 0, metastabili e a lunga vita. Gli atomi eccitati di elio collidono poi con quelli di neon cedendo loro lenergia ricevuta e portando gli elettroni del neon nello stato 3s 2. Questo a causa di una coincidenza dei livelli energetici fra gli atomi di elio e quelli di neon.

Questo processo è sintetizzato nella seguente equazione di reazione:

He2 1 S* + Ne + ΔE → He1 1 S + Ne3s 2 *

dove * rappresenta uno stato eccitato ΔE è la piccola differenza di energia fra gli stati energetici dei due atomi, dellordine di 0.05 eV o 387 cm −1, che è fornita dallenergia cinetica.

Il numero di atomi di neon che entra in stato di eccitazione cresce con il procedere delle collisioni con gli atomi di elio, causando alla fine una inversione di popolazione; lemissione spontanea, stimolata dalle transizioni fra gli stati 3s 2 e 2p 4, causa alla fine lemissione di luce laser della canonica lunghezza donda di 632.82 nm. Dopodiché, avviene un rapido decadimento dallo stato 2p allo stato fondamentale 1s: poiché il livello superiore del neon satura con correnti più alte e quello inferiore varia linearmente con la corrente, i laser HeNe sono costretti a generare potenze molto piccole, pena la perdita dellinversione di popolazione.

                                     

2. Lunghezza donda

Anche se per consuetudine si riferisce che la lunghezza donda del laser HeNe è 632 nm, in realtà il valore esatto in aria è 632.816 nm, per cui sarebbe più corretto dire 633 nm; ai fini del calcolo dellenergia dei fotoni sarebbe invece preferibile usare la lunghezza donda nel vuoto, 632.991 nm.

Lesatta lunghezza donda di funzionamento cade entro 0.002 nm da questo valore, e varia con la temperature per effetto della dilatazione termica della cavità di vetro. Esistono versioni stabilizzate di laser HeNe che permettono di mantenere stabile la lunghezza donda a meno di 2 parti su 10 12 per mesi e anni di funzionamento ininterrotto del laser.

Con unappropriata scelta degli specchi della cavità è possibile far funzionare i laser HeNe anche su frequenza diverse da quella classica: esistono infatti transizioni fra stati anche nellinfrarosso, a lunghezze donda di 3.39 µm e 1.15 µm, ed una varietà di transizioni nello spettro visibile, comprese verde 543.5 nm, il cosiddetto laser GreeNe, una gialla 594 nm e una arancione 612 nm. La normale lunghezza donda rossa a 633 nm ha un guadagno minore delle altre, soprattutto delle linee a 1.15 µm e 3.39 µm, ma queste si possono sopprimere usando degli specchi rivestiti apposta per non riflettere luce di quella lunghezza donda.

La banda di guadagno del laser HeNe è dominata dallallargamento Doppler, ed è molto stretta: circa 1.5 GHz per la transizione laser a 633 nm su un singolo modo longitudinale.

                                     

3. Utilizzi

La visibilità del fascio laser le sue eccellenti qualità di coerenza spaziale lo rendono una sorgente molto utile per olografia e come luce di riferimento per la spettroscopia. È anche uno dei sistemi di test per la definizione del metro campione.

                                     

4. Storia

Prima dellinvenzione dei piccoli ed economici diodi laser, i tubi laser elio-neon venivano usati nei lettori di codici a barre. Il laser HeNe fu anche il primo laser a gas mai costruito, da Ali Javan, William Bennet Jr. e Donald Herriot ai laboratori Bell, che nel 1960 raggiunse lemissione in onda continua sulla lunghezza donda di 1.15 µm.

                                     
  • conveniente l estrazione dalla Luna dell Elio - 3, un isotopo dell Elio che viene usato come combustibile in appostiti reattori a fusione. Questo porta alla costruzione
  • diametro 40 a 100 mm Abitualmente questo tipo di progetti adoperano il trasformatore ad alta tensione delle insegne al neon oppure delle macchine a raggi - X

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