ヘリウムネオンレーザー

ヘリウム-ネオンレーザーまたはHe-Neレーザーは、高エネルギー増幅媒体がヘリウムとネオンの混合物（比率は5:1から20:1）、全圧が約1 Torr（133 Pa）の小さな放電内で構成されたガスレーザーの一種です。最もよく知られ、広く使用されているHe-Neレーザーは、可視スペクトルの赤色部分の中心波長632.81646 nm（空気中）、632.99138 nm（真空中）、周波数473.6122 THz ^[1]）で動作します。レーザーキャビティのモード構造により、レーザーの瞬間出力は中心からどちらの方向にも最大500 MHzシフトできます。

最初の He-Ne レーザーは1150  nmで赤外線を放射し、最初のガスレーザーであり、連続波出力を持つ最初のレーザーでした。しかし、可視波長で動作するレーザーの需要がはるかに高かったため、分布反転が達成できるものを特定するために、他の多くのネオン遷移が調査されました。633 nm の線は可視スペクトルで最もゲインが高いことがわかり、ほとんどの He-Ne レーザーでこの波長が選択されました。ただし、他の可視および赤外線の誘導放出波長も可能であり、これらの他の波長でピーク反射率を持つミラーコーティングを使用することで、赤、オレンジ、黄色、緑に見える可視レーザーを含むそれらの遷移を使用するように He-Ne レーザーを設計できます。^[2]誘導放出は、遠赤外線の 100 μm 以上から可視光の 540 nm まで知られています。

可視遷移はゲインがやや低いため、これらのレーザーは一般に出力効率が低く、コストも高くなります。3.39 μm 遷移はゲインが非常に高いのですが、その波長ではキャビティとミラーが損失するため、通常の He-Ne レーザー (異なる目的の波長) では使用できません。ただし、特に長いキャビティを持つ高出力 He-Ne レーザーでは、 3.39 μm での超発光が問題となり、誘導放出媒体から電力を奪い、追加の抑制が必要になることがよくあります。

最もよく知られ、最も広く使用されているHe-Neレーザーは、可視スペクトルの赤色部分である632.8 nmの波長で動作します。これは、1960年12月に同じ研究所で最初の連続赤外線He-Neガスレーザーの先駆的な実証が行われてから18か月後の1962年にベル電話研究所で開発されました。^{[ 3] [4 ]}

レーザーの利得媒体は、その名前が示すように、ガラス容器内に低圧で封入されたヘリウムとネオンのガスの混合物で、約 10:1 の比率です。ガス混合物は主にヘリウムであるため、ヘリウム原子は励起されます。励起されたヘリウム原子はネオン原子と衝突し、その一部は 632.8 nm を放射する状態に励起されます。ヘリウムがなければ、ネオン原子は主に低い励起状態に励起され、非レーザー線の原因となります。

ヘリウムを使用しないネオンレーザーも作れますが、このエネルギー結合手段がなければ作るのはかなり困難です。したがって、ヘリウムを十分に失ったHe-Neレーザー（シールやガラスを通した拡散など）は、ポンピング効率が低くなりすぎるため、レーザー機能が失われます。^[6]レーザーのエネルギー源またはポンプ源は、管内の電極（陽極と陰極）間のガスを通過する高電圧電気放電によって提供されます。CW動作には通常、3～20mAのDC電流が必要です。レーザーの光キャビティは通常、2つの凹面鏡、または1つの平面鏡と1つの凹面鏡で構成されます。1つは非常に高い（通常99.9%の反射率）凹面鏡と、約1%の透過を可能にする 出力カップラーミラーです。

市販の He-Ne レーザーは他のガスレーザーに比べて比較的小型の装置で、キャビティ長は通常 15 ～ 50 cm (ただし、最高出力を得るために 1 メートル程度まで長くなることもあります)、光出力レベルは 0.5 ～ 50 mWです。

赤色 He-Ne レーザーの正確な波長は真空中では 632.991 nm で、空気中では 632.816 nm に屈折します。誘導放出モードの波長はこの値より約 0.001 nm 上または下に存在し、これらのモードの波長はキャビティの熱膨張と収縮によりこの範囲内でシフトします。周波数安定化バージョンでは、反対の偏光にある 2 つの縦モードのパワーを比較する手法により、単一モードの波長を 10 ^{8分の 1 以内に指定できます。 [7]}ヨウ素吸収セルを使用することで、レーザーの周波数 (または波長) を 10 ¹¹分の 2.5 という精度で絶対的に安定化できます。 ^[8]

He-Neレーザープラズマ^{[5]における}反転分布と光増幅を生み出すメカニズムは、ガス混合物中の基底状態のヘリウム原子と高エネルギー電子との非弾性衝突に由来する。添付のエネルギー準位図に示されているように、これらの衝突によりヘリウム原子は基底状態から高エネルギー励起状態に励起され、そのうち2 ³ S ₁と 2 ¹ S ₀ ( LS、またはラッセル–サンダース結合、先頭の数字2は励起電子がn = 2状態であることを示す) は長寿命の準安定状態である。2つのHe準安定状態のエネルギー準位とネオンの5s ₂および4s ₂ (パッシェン記法^[9] ) 準 位が偶然ほぼ一致するため、これらのヘリウム準安定原子と基底状態のネオン原子との衝突により、ヘリウムからネオンへの励起エネルギーの選択的かつ効率的な移動が生じる。この励起エネルギー移動プロセスは、反応式によって与えられる。

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、

ここで、 * は励起状態を表し、 Δ Eは 2 つの原子のエネルギー状態間の小さなエネルギー差で、約 0.05  eVまたは 387 cm ⁻¹で、運動エネルギーによって供給されます。励起エネルギー移動により、ネオンの 4s ₂および 5s ₂レベルの人口が何倍にも増加します。これら 2 つの上位レベルの人口が、光学的に接続されている対応する下位レベル 3p _{4の人口を超えると、人口反転が発生します。媒体は、1.15 μm の狭帯域 (4s 2から 3p 4}への遷移に相当) と 632.8 nm の狭帯域 (5s _{2から 3p 4}への遷移に相当) で光を増幅できるようになります。3p ₄レベルは、3s 状態への高速放射崩壊によって効率的に空になり、最終的に基底状態に達します。

光増幅を利用して光発振器を作成するための残りの手順は、増幅媒体の両端に高反射ミラーを配置することです。これにより、特定の空間モードの波が反射して戻り、ミラーの透過と回折によって失われるよりも多くのパワーが各パスで得られます。1 つ以上の縦方向モードに対してこれらの条件が満たされると、それらのモードの放射はゲイン飽和が発生するまで急速に増加し、前面のミラー (通常は 99% 反射) を通して安定した連続レーザー ビーム出力が得られます。

He-Neレーザーの利得帯域幅は、ガス圧が低いため、圧力による広がりよりもドップラー広がりによって支配されており、そのため非常に狭く、633 nm遷移の全幅は約1.5GHzしかありません。 ^{[7] [10]}キャビティの典型的な長さは15〜50 cmで、これにより約2〜8個の 縦モードが同時に発振します（ただし、特別な用途では単一縦モードユニットが利用可能です）。赤色He-Neレーザーの可視出力、長いコヒーレンス長、およびその優れた空間品質により、このレーザーはホログラフィーの有用な光源となり、分光法の波長基準としても使用できます。安定化He-Neレーザーは、メートルの定義のためのベンチマークシステムの1つでもあります。^[8]

安価で豊富なダイオードレーザーが発明される前は、赤色 He-Ne レーザーがスーパーマーケットのレジカウンターのバーコードスキャナーに広く使用されていました。He-Ne レーザーは、教育および研究用の光学実験室でよく使用されています。また、半導体デバイス製造などの用途におけるナノポジショニングにも最適です。高精度レーザージャイロスコープでは、リングレーザー構成で 633 nm で動作する He-Ne レーザーが使用されています。

赤色 He-Neレーザーは、産業および科学の分野で非常に多くの用途があります。空間コヒーレンス (シングルモードガウス ビーム) と長いコヒーレンス長の点で同様の品質のビームを生成する他の可視レーザーと比較して、比較的低コストで操作が簡単なため、光学分野の実験室でのデモンストレーションに広く使用されています (ただし、1990 年頃から半導体レーザーが、多くのこのような用途で低コストの代替手段を提供しています)。

1978年以降、HeNe管レーザー（東芝とNEC製）がパイオニアのレーザーディスクプレーヤーに使用されました。これは、代わりに赤外線レーザーダイオードを搭載した1984年モデルラインナップまで続きました。パイオニアはその後も、レーザーディスクが2009年に製造中止になるまで、すべてのレーザーディスクプレーヤーでレーザーダイオードを使用し続けました。

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