Что такое гелий-неоновый лазер и как он работает?
2026-03-03 2109

HeNe (гелий-неоновые) лазеры — это тип газовых лазеров, которые производят очень устойчивый и четкий луч света.Они наиболее известны своим ярко-красным светом с длиной волны 632,8 нм.Несмотря на то, что сегодня доступны новые лазеры, гелий-неоновые лазеры по-прежнему используются в лабораториях и измерительных системах, поскольку они стабильны и надежны.В этой статье вы узнаете, что такое HeNe-лазер, как он работает и как устроен.Вы также поймете его использование, преимущества, недостатки и как выбрать правильный.

Каталог

Рисунок 1. HeNe-лазер

Что такое гелий-неоновый лазер?

HeNe лазер (гелий-неоновый лазер) это тип газовый лазер это дает очень устойчивый и четкий луч света.HeNe-лазер использует два газа: гелий и неон, запечатанный внутри стеклянной трубки.Когда электричество проходит через трубку, газы возбуждаются и производят лазерный свет.

Самый распространенный HeNe-лазер испускает яркий красный свет в 632,8 нм, но возможны и другие цвета, например зеленый, желтый и инфракрасный.

HeNe лазеры известны тем, что имеют очень прямой, чистыйи стабильная балка.В результате они используются в лабораториях, юстировочных инструментах, измерительном оборудовании и голографии.

В отличие от небольших диодных лазеров, гелий-неоновые лазеры используют газ и высокое напряжение для создания света.Энергия сначала возбуждает атомы гелия, которые затем передают энергию атомам неона.Этот процесс создает сильный и сфокусированный лазерный луч внутри трубки.

История гелий-неоновых лазеров

HeNe лазер был впервые разработан в 1960 год.HeNe-лазер был создан команда Bell Labs, в том числе Али Джаван, Уильям Беннетти Дональд Хэрриотт.Он стал первым успешным газовым лазером, когда-либо созданным.

До этого большинство ранних лазеров делались из твердых материалов, таких как рубиновые кристаллы.HeNe-лазер отличался от других, поскольку для получения света в нем использовалась смесь гелия и неона.Это был фундаментальный прорыв в лазерных технологиях.

Первый HeNe-лазер излучал инфракрасное излучение.Вскоре после этого они усовершенствовали конструкцию и добились знаменитой красной длины волны. 632,8 нм, который стал наиболее распространенным цветом HeNe-лазера.

Благодаря стабильному и чистому лучу HeNe-лазер быстро стал популярным в лабораториях и исследовательских центрах.На протяжении многих лет это был один из наиболее часто используемых лазеров в науке и образовании.

Как работают гелий-неоновые лазеры

Рисунок 2. Как работают гелий-неоновые лазеры

HeNe лазер работает, используя электричество для возбудить два газа, гелий и неон, внутри герметичная стеклянная трубка.При подаче высокого напряжения через газ протекает электрический ток.Это сначала передает энергию атомам гелия.Возбужденные атомы гелия затем передают свою энергию атомы неона когда они сталкиваются.Эта передача энергии необходима, поскольку именно атомы неона фактически производят лазерное излучение.

Когда атомы неона возвращаются на свой нормальный энергетический уровень, они испускают свет.Этот свет отражается вперед и назад между двумя зеркалами, расположенными на обоих концах трубки.Одно зеркало отражает почти весь свет, а другое пропускает небольшое его количество.Поскольку свет многократно отражается, он становится сильнее и организованнее.Наконец, из трубки выходит узкий и устойчивый луч света, обычно ярко-красный луч. 632,8 нм.

Конструкция HeNe-лазерной трубки

Рис. 3. Конструкция HeNe-лазерной трубки

HeNe-лазерная трубка это герметичная стеклянная трубка наполнен смесью гелия и неона.Трубка предназначена для безопасного удержания газа и пропускания через нее электрического разряда.

На каждом конце трубки имеются электроды (анод и катод).Когда подается высокое напряжение, между этими электродами течет электричество, возбуждая газ внутри.Этот электрический разряд запускает лазерный процесс.

Внутри трубки, два зеркала образуют оптический резонатор .Одно зеркало отражает почти весь свет, а другое позволяет небольшой части света выходить в виде лазерного луча.Эти зеркала тщательно выровнены, чтобы свет отражался взад и вперед и усиливал его.

Некоторые HeNe-трубки также включают части как геттер (для поглощения нежелательных газов) и выхлопную трубу, используемую при производстве для заполнения и герметизации газовой смеси.Вся конструкция обеспечивает стабильную работу и длительный срок службы лазера.

Одномодовые и многомодовые гелий-неоновые лазеры

HeNe-лазеры могут работать в одномодовом или многомодовом режиме, в зависимости от того, как свет распространяется внутри трубки.

А одномодовый HeNe лазер производит очень чистый и стабильный луч света, обычно в ТЕМ₀₀ режим.Луч гладкий, круглый и равномерно яркий, с минимальными искажениями.Одномодовый HeNe-лазер обеспечивает превосходную когерентность и низкий уровень шума, что делает его идеальным для таких приложений, как интерферометрия, голография и научные измерения.Хотя одномодовые лазеры обычно имеют меньшую выходную мощность по сравнению с многомодовыми версиями, они обеспечивают превосходное качество луча и точность.

А многомодовый HeNe лазер одновременно создает несколько световых узоров внутри трубки.В результате луч может казаться немного шире или менее однородным, чем одномодовый луч.Однако многомодовые лазеры обеспечивают более высокую выходную мощность и, как правило, более доступны по цене.Они используются для выравнивания, позиционирования и общих лабораторных задач, где точность не требуется.

Требования к электричеству и мощности гелий-неонового лазера

Рис. 4. Подавитель пульсаций источника питания HeNe-лазера 1

• Высокое пусковое напряжение – HeNe-лазеру для запуска требуется высокое напряжение постоянного тока, обычно от 5000 до 10 000 вольт, чтобы ионизировать газ внутри трубки.

• Более низкое рабочее напряжение – После запуска напряжение падает до устойчивого рабочего уровня, обычно около 1000–3000 В, в зависимости от длины и конструкции трубки.

• Низкий рабочий ток – Лазер работает при малом токе, обычно от 3 до 10 миллиампер (мА).

• Операция с контролем тока – HeNe-лазеры – это устройства, управляемые током.Стабильный ток необходим для поддержания стабильной выходной мощности и предотвращения повреждений.

• Требуется регулируемый источник питания – Источник питания должен обеспечивать стабильную и регулируемую мощность постоянного тока для обеспечения стабильной работы лазера.

• Соображения безопасности – Что касается высокого напряжения, во избежание опасности поражения электрическим током необходимы надлежащая изоляция и обращение с ним.

• Согласованный источник питания – Использование правильного источника питания, предназначенного для конкретной HeNe-трубки, повышает надежность и продлевает срок службы лазера.

Применение гелий-неонового лазера

Научные исследования – HeNe-лазеры используются в лабораториях для экспериментов, требующих стабильного и правильного источника света.

Интерферометрия – Большая длина когерентности делает их идеальными для измерения очень малых расстояний и изменений поверхности.

Голография – Стабильный и чистый луч подходит для создания высококачественных голограмм.

Выравнивание и позиционирование – HeNe-лазеры используются для юстировки оптических систем, машин и промышленного оборудования.

Метрология и измерения – Они помогают в точных измерительных системах, включая инструменты калибровки и контрольные устройства.

Учебные лаборатории – Многие школы и университеты используют гелий-неоновые лазеры для демонстрации принципов работы лазера и испытаний оптики.

Сканирование штрих-кода (ранние системы) – Некоторые ранние сканеры штрих-кодов использовали красные гелий-неоновые лазеры до того, как стали известны диодные лазеры.

Оптические приборы – Они применяются в таких устройствах, как спектрометры и системы анализа пучка.

Преимущества и недостатки гелий-неоновых лазеров

Преимущества гелий-неоновых лазеров

• Создает чистый, круглый и стабильный луч (часто в режиме TEM₀₀).

• Обеспечивает очень стабильную выходную мощность с течением времени.

• Подходит для интерферометрии и точных измерений.

• Обеспечивает плавный и стабильный световой поток.

• Многие гелий-неоновые трубки могут работать тысячи часов.

• Красный луч яркий и легко видимый.

• Надежны в исследованиях и лабораторных исследованиях.

Недостатки гелий-неоновых лазеров

- Для работы требуется несколько тысяч вольт.

- Больше и длиннее, чем диодные лазеры.

- Может сломаться при неосторожном обращении.

- Обычно производит мощность только на уровне милливатт.

- Для достижения стабильной работы может потребоваться время.

- Дороже из-за сложности конструкции и изготовления.

HeNe лазер против диодного лазера

Особенность	HeNe Лазер	Диод Лазер
Принцип работы	Использует гелий и неон. газ, возбуждаемый высоким напряжением	Использует полупроводник чип для производства света
Размер	Стеклянная трубка большего размера дизайн	Очень маленький и компактный
Требование к напряжению	Требует высокого пусковое и рабочее напряжение	Работает на низком уровне напряжение
Качество луча	Очень чистый, круглый, и стабильный луч (часто TEM₀₀)	Луч может быть шире или менее однородный без оптики
Выходная мощность	Обычно низкий (милливатты)	Доступен от низкого до очень мощные версии
Стоимость	Дороже	Более доступный и массового производства
Долговечность	Стеклянная трубка может быть хрупкий	Твердотельный дизайн, более прочный
Приложения	Исследования, интерферометрия, голография, выравнивание	Лазерные указки, сканеры штрих-кода, связь, потребительские устройства

Что следует учитывать перед выбором гелий-неонового лазера

При выборе гелий-неонового лазера необходимо понимать ваши конкретные потребности и условия работы.

Сначала подумайте о длина волны (цвет света).Большинство HeNe-лазеров излучают красный свет (632,8 нм), но доступны и другие цвета.Выберите длину волны, которая лучше всего подходит для вашего применения.

Далее рассмотрим выходная мощность.HeNe-лазеры обычно производят низкую мощность, обычно от 0,5 до 20 мВт.Убедитесь, что уровень мощности достаточен для вашей задачи.

Вам также следует решить между одномодовые и многомодовые.Одномодовые лазеры дают более чистый и точный луч, что лучше для точных измерений.Многомодовые лазеры могут обеспечивать немного большую мощность, но менее точны.

Проверьте требования к источнику питания.HeNe-лазерам необходим специальный высоковольтный источник питания, поэтому он должен соответствовать лазерной трубке.

Наконец, рассмотрим размер, продолжительность жизни, рабочая средаи бюджет.Убедитесь, что лазер подходит для вашей установки, может работать в течение многих часов, хорошо работает в вашей среде и не выходит за рамки вашего бюджета.

Заключение

HeNe-лазерам доверяют благодаря их чистому и стабильному лучу.Они применяются в исследованиях, выравнивании, измерении и образовании.Хотя они больше по размеру и для работы требуют высокого напряжения, они обеспечивают превосходное качество и точность луча.Поняв их особенности и требования, вы сможете решить, является ли гелий-неоновый лазер правильным выбором для вашего применения.