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 d'onda di 632,8 nm, nella parte rossa dello spettro visibile.

Funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

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^[1] contenuto nel tubo di vetro.

L'energia 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.^[2]

La cavità ottica del laser è costituita di solito da uno specchio altamente riflettente a una estremità e di un accoppiatore (specchio semiriflettente) all'altra estremità, con una trasmissività verso l'esterno dell'1% 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 l'elio e lo portano dallo stato fondamentale agli stati eccitati 2³S₁ e 2¹S₀, metastabili e a lunga vita. Gli atomi eccitati di elio collidono poi con quelli di neon cedendo loro l'energia ricevuta e portando gli elettroni del neon nello stato 3s₂^[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:

He(2¹S)* + Ne + ΔE → He(1¹S) + Ne3s₂*

dove (*) rappresenta uno stato eccitato e ΔE è la piccola differenza di energia fra gli stati energetici dei due atomi, dell'ordine di 0,05 eV o 387 cm⁻¹, che è fornita dall'energia cinetica.^[2]

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; l'emissione spontanea, stimolata dalle transizioni fra gli stati 3s₂ e 2p_4, causa alla fine l'emissione di luce laser della canonica lunghezza d'onda 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 dell'inversione di popolazione.^[2]

Lunghezza d'onda[modifica | modifica wikitesto]

Anche se per consuetudine si riferisce che la lunghezza d'onda 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 dell'energia dei fotoni sarebbe invece preferibile usare la lunghezza d'onda nel vuoto, 632.991 nm.

L'esatta lunghezza d'onda 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 d'onda a meno di 2 parti su 10¹² per mesi e anni di funzionamento ininterrotto del laser.^[3] ^[4] ^[5]

Con un'appropriata 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 nell'infrarosso, a lunghezze d'onda 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 d'onda 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 d'onda.

La banda di guadagno del laser HeNe è dominata dall'allargamento Doppler, ed è molto stretta: circa 1.5 GHz per la transizione laser a 633 nm^[4]^[6] su un singolo modo longitudinale.

Utilizzi[modifica | modifica wikitesto]

La visibilità del fascio laser e 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^[7].

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Prima dell'invenzione 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, costruito da Ali Javan, William Bennet Jr. e Donald Herriot ai laboratori Bell, che nel 1960 raggiunse l'emissione in onda continua sulla lunghezza d'onda di 1,15 µm.

Note[modifica | modifica wikitesto]

^ E.F. Labuda and E.I. Gordon, J. Appl. Phys. 35, 1647 (1964)
^ ^a ^b ^c ^d Verdeyen, J. T., Laser Electronics, Third ed., Prentice Hall series in solid state physical electronics (Prentice Hall, Upper Saddle River, 2000), pp. 326-332.
^ Absolute frequency measurement of the iodine-stabilized He−Ne laser at 633 nm Archiviato il 12 settembre 2006 in Internet Archive. in Applied Physics B 72, 221–226 (2001) by T.H. Yoon, J. Ye, J.L. Hall, and J.-M. Chartier
^ ^a ^b Niebauer, TM: Frequency stability measurements on polarization-stabilized He-Ne lasers, Applied Optics, 27(7) p.1285
^ National Physical Laboratory(UK) measurements, su npl.co.uk. URL consultato il 4 giugno 2007 (archiviato dall'url originale il 29 settembre 2007).
^ Sam's Laser FAQ
^ Iodine Stabilized Helium-Neon Laser Archiviato il 21 luglio 2006 in Internet Archive. at the NIST museum site