Laser He-Ne là gì? Các công bố khoa học về Laser He-Ne

Giới thiệu về Laser He-Ne

Laser Helium-Neon (He-Ne) là một loại laser khí sử dụng hỗn hợp khí heli (He) và neon (Ne) làm môi trường khuếch đại. Được phát triển vào năm 1960 bởi Ali Javan, William Bennett Jr., và Donald Herriott tại Bell Labs, laser He-Ne là laser đầu tiên hoạt động ở chế độ liên tục (continuous wave - CW) và phát ra ánh sáng đỏ với bước sóng 632,8 nm.

Lịch sử phát triển

Laser He-Ne được phát triển sau khi laser ruby xung đầu tiên được phát minh. Vào tháng 12 năm 1960, nhóm nghiên cứu tại Bell Labs đã công bố laser He-Ne hoạt động ở bước sóng hồng ngoại 1,15 µm. Tuy nhiên, nhu cầu về laser phát ánh sáng nhìn thấy đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển laser He-Ne phát ra ánh sáng đỏ ở 632,8 nm, trở thành tiêu chuẩn trong nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Laser He-Ne bao gồm các thành phần chính sau:

• Ống phóng điện chứa khí: Hỗn hợp khí heli và neon với tỷ lệ khoảng 10:1 được chứa trong một ống thủy tinh kín, với áp suất tổng khoảng 1 Torr (133 Pa).
• Điện cực: Hai điện cực được đặt ở hai đầu ống để cung cấp điện áp cao, tạo ra phóng điện qua khí.
• Hệ gương phản xạ: Hai gương được đặt ở hai đầu ống để tạo thành một cộng hưởng quang học. Một gương có độ phản xạ cao (khoảng 99,9%) và gương còn lại cho phép một phần nhỏ ánh sáng (khoảng 1%) truyền qua, tạo thành chùm tia laser đầu ra.

Quá trình hoạt động của laser He-Ne diễn ra như sau:

1. Phóng điện qua khí kích thích các nguyên tử heli lên trạng thái kích thích metastable (23S1 và 21S0).
2. Các nguyên tử heli ở trạng thái kích thích va chạm với nguyên tử neon ở trạng thái cơ bản, truyền năng lượng và kích thích neon lên các mức năng lượng cao hơn (3s2 và 4s2).
3. Nguyên tử neon chuyển từ mức 5s2 xuống 3p4, phát ra photon với bước sóng 632,8 nm.
4. Hệ gương phản xạ khuếch đại ánh sáng bằng hiện tượng cộng hưởng, tạo ra chùm tia laser ổn định phát ra từ gương bán trong suốt.

Các bước sóng phát xạ khác

Mặc dù bước sóng 632,8 nm là phổ biến nhất, laser He-Ne cũng có thể phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác như:

• 1,15 µm (hồng ngoại)
• 543,5 nm (xanh lá cây)
• 594,1 nm (vàng)
• 611,8 nm (cam)

Việc lựa chọn bước sóng phụ thuộc vào thiết kế của hệ gương phản xạ và các điều kiện hoạt động cụ thể.

Đặc điểm kỹ thuật

• Bước sóng phát xạ chính: 632,8 nm (đỏ)
• Công suất đầu ra: Thường từ 0,5 mW đến 50 mW, tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng.
• Độ phân kỳ chùm tia: Rất thấp, thường dưới 1 milliradian, cho phép chùm tia duy trì độ hẹp trên khoảng cách dài.
• Tuổi thọ: Có thể lên đến hàng chục nghìn giờ hoạt động liên tục, làm cho laser He-Ne trở thành lựa chọn kinh tế cho nhiều ứng dụng.
• Chế độ phát: Thường là chế độ TEM00, đảm bảo chùm tia có chất lượng cao với phân bố cường độ đồng đều.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

• Chất lượng chùm tia cao: Chùm tia có độ phân kỳ thấp và phân bố cường độ đồng đều, lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
• Độ ổn định tần số và công suất: Laser He-Ne cung cấp đầu ra ổn định về cả tần số và công suất, quan trọng trong các ứng dụng đo lường và nghiên cứu.
• Tuổi thọ dài và độ tin cậy cao: Với cấu trúc đơn giản và ít bộ phận chuyển động, laser He-Ne có tuổi thọ dài và yêu cầu bảo trì thấp.

Hạn chế

• Kích thước lớn: So với các laser bán dẫn, laser He-Ne có kích thước lớn hơn, có thể hạn chế trong một số ứng dụng di động.
• Công suất đầu ra thấp: Công suất thường chỉ đạt vài milliwatt, không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu công suất cao.
• Yêu cầu điện áp cao: Hoạt động cần nguồn điện áp cao để tạo phóng điện trong khí, đòi hỏi các biện pháp