He-Ne-Laser

Schematische Darstellung des Helium-Neon-Lasers

Helium-Neon-Laser

Der Helium-Neon-Laser ist ein Gaslaser und wurde 1960 vom iranischen Physiker Ali Javan (* 1926) zusammen mit William R. Bennett (1930−2008) und Donald R. Herriott entwickelt^[1]. 1961 wurde der Helium-Neon-Laser als erster Dauerstrich- bzw. CW-Laser der Welt betrieben ^[2].

Aufbau und Funktionsweise

Er besteht im Wesentlichen aus einem dünnen Glasröhrchen (auch Kapillarrohr, Durchmesser ca. 1 mm, Länge ca. einige 10 cm), in welchem sich ein Helium-Neon-Gasgemisch befindet.

Dieses Gasgemisch steht unter einem Druck von ca. 100 Pa, mit einem Verhältnis der Partialdrücke von Helium/Neon von ca. 10/1. An den Enden befinden sich sog. Brewster-Fenster. Dabei handelt es sich um planparallele Platten, die Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung ohne Verluste durch Reflexion hindurchlassen. Licht mit dazu senkrechter Polarisation wird teilweise reflektiert, teilweise hindurchgelassen. Bei dem Brewster-Winkel erreicht man eine minimale Reflexion der Laserstrahlung ohne Antireflexbeschichtung der Fenster. Zusätzlich sorgt diese Anordnung für eine fast vollständige Polarisation des Laserlichtes. Dieser Aufbau befindet sich zwischen zwei Spiegeln, die den Resonator bilden (siehe schematische Darstellung, im zweiten Bild die untere Glasröhre).

Man kann die beiden Spiegel auch direkt als Abschluss des Entladungsgefäßes anstelle der Brewsterfenster montieren - sie sind dann jedoch nicht austausch- oder nachjustierbar.

Die Spannungsversorgung der Gasentladung muss folgende Anforderungen erfüllen:

• Bereitstellung der Zündspannung zu Beginn (10-15 kV)
• Strombegrenzung des nach der Zündung fließenden Entladungsstromes

Die Entladungsspannung nach der Zündung beträgt typisch 1-2 kV, der Strom 1-30 mA.

Energieschema des Helium-Neon-Lasers

He-Ne Laser in Betrieb

Bei einem Helium-Neon-Laser ist das Helium das Pumpgas, und das Neon das Lasergas. In dem Glasröhrchen befinden sich außerdem noch zwei Elektroden, zwischen denen eine Gasentladung stattfindet. Diese Gasentladung bringt nun die Heliumatome in einen vergleichsweise langlebigen (ca. 10 ^{− 3} s) angeregten Zustand. Die Heliumatome übertragen nun durch Stöße zweiter Art ihre Energie auf die Neonatome und erzeugen dort eine Besetzungsinversion zwischen energetisch hohen Zuständen und niedrigen Zuständen. Auf Übergängen zwischen den energetischen Zuständen des Neons wird nun der Laserbetrieb, wie in folgendem Schema dargestellt, möglich.

Die Zustände 2¹s und 2³s des Heliums sind metastabil, d.h. es existieren keine optischen Übergänge in energieärmere Zustände. Die Emission von Photonen im Neon-Atom erfolgt durch stimulierte Emission; die Rückkehr in den Grundzustand durch spontane Emission und Rekombinationen an der Kapillarwand.

Der Helium-Neon-Laser emittiert standardmäßig Licht der Wellenlängen 632,816 nm (das bekannte rote Laserlicht), 1152,3 nm und 3392,2 nm (beide infrarot). Durch Spin-Bahn-Kopplung sind die Laserniveaus aufgespalten. Weitere Wellenlängen lassen sich durch Einbringung von Prismen und schmalbandigen Spiegeln in den Resonator erzeugen (z. B. im grünen Bereich bei 543,5 nm, im gelben bei 594,1 nm und im orangen bei 611,9 nm). Man kann dazu auch Filter verwenden, die man in den Resonator bringt. Die Ausgangsleistung eines roten Helium-Neon-Lasers liegt im Bereich von einigen mW, in seltenen Fällen bis hin zu ca. 100 mW.

Ein weiteres markantes Merkmal von Helium-Neon-Lasern ist ihre gute Kohärenzlänge. Schon bei einfachen Modellen (Multimodenlaser) liegt sie im Bereich der Resonatorlänge, also meist 20-30 cm. Daneben gibt es frequenzstabilisierte Helium-Neon-Laser, deren Kohärenzlänge mehrere Kilometer betragen kann.

Anwendungen

Der vergleichsweise niedrige Preis sowie die hohe Lebensdauer machen den Helium-Neon-Laser für viele Anwendungsfelder interessant. Früher fand man ihn beispielsweise in den Barcodescannern von Registrierkassen oder Laserdruckern, dort ist er allerdings fast vollständig durch Diodenlaser verdrängt worden.

Bei besonderen Anforderungen an Strahlqualität und Kohärenz, zum Beispiel in Interferometern oder bei der Kalibrierung von Spektrometern, spielt er trotzdem noch eine große Rolle. Auch eignen sich Helium-Neon-Laser gut für die Holografie, auch wenn man dort in der Massenproduktion ebenfalls auf leistungsfähigere und kurzwelligere Laser (Argon-Ionen-Laser, Helium-Cadmium-Laser) umgestiegen ist.

Quellen

1. ↑ http://www.azer.com/aiweb/categories/magazine/42_folder/42_articles/42_javan.html
2. ↑ A. Javan, W. R. Bennett, D. R. Herriot: Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture in Phys. Rev. Lett. 6, 106-110, 1961

Weblinks

• Stefanie Wiedigen: LP - Der Helium-Neon-Laser (inkl. Skizzen, Fotos und Literaturhinweisen) u.a. auch Vermessung der Divergenz (Hinweis: Bitte Firefox-Sicherheitswarnung übergehen, andere Browser wie Internet Explorer, Safari und Opera kennen das Sicherheitszertifikat der Uni Göttingen)
• [1] M. Hartwig: Wie funktioniert der HeNe-Laser? U.a. mit Beschreibung des Energieniveau-Schemas