ليزر هيليوم-نيون

ليزر الهيليوم -نيون، أو ليزر He-Ne، هو نوع من ليزرات الغاز ، يتكون وسطه الفعال عالي الطاقة من خليط من الهيليوم والنيون (بنسبة تتراوح بين 5:1 و10:1) عند ضغط كلي يبلغ حوالي 1 تور (133.322 باسكال ) داخل تفريغ كهربائي صغير . يعمل ليزر He-Ne الأكثر شهرة واستخدامًا على نطاق واسع عند طول موجي مركزي يبلغ 632.81646 نانومتر (في الهواء)، و632.99138 نانومتر (في الفراغ)، وتردد 473.6122 تيراهيرتز، ^{[ 1 ]} في الجزء الأحمر من الطيف المرئي. وبسبب بنية نمط تجويف الليزر، يمكن أن ينزاح خرج الليزر اللحظي بمقدار يصل إلى 500 ميجاهرتز في أي من الاتجاهين عن المركز.   

أصدرت ليزرات الهيليوم-نيون الأولى أشعة تحت حمراء بطول موجي 1150 نانومتر ، وكانت أول ليزرات غازية وأول ليزرات ذات خرج موجة مستمرة. مع ذلك، كان الطلب أكبر بكثير على ليزر يعمل بأطوال موجية مرئية. دُرست عدة انتقالات أخرى للنيون لتحديد تلك التي يمكن فيها تحقيق انعكاس التوزيع السكاني . وُجد أن خط 633 نانومتر يتمتع بأعلى كسب في الطيف المرئي، مما جعله الطول الموجي المفضل لمعظم ليزرات الهيليوم-نيون. مع ذلك، توجد أطوال موجية أخرى للانبعاث المحفز في نطاقي الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، وباستخدام طلاءات عاكسة ذات انعكاسية قصوى عند هذه الأطوال الموجية الأخرى، يمكن هندسة ليزرات الهيليوم-نيون لاستخدام تلك الانتقالات، بما في ذلك ليزرات مرئية تظهر باللون الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر. ^{[ 2 ]} تُعرف الانبعاثات المحفزة من أكثر من 100 ميكرومتر في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى 540 نانومتر في نطاق الضوء المرئي.    

نظرًا لأن الانتقالات المرئية تتميز بكسب أقل نوعًا ما، فإن هذه الليزرات عمومًا ذات كفاءة خرج أقل وتكلفة أعلى.  يتميز الانتقال عند 3.39 ميكرومتر بكسب عالٍ جدًا، ولكنه غير قابل للاستخدام في ليزر هيليوم-نيون عادي (ذي طول موجي مختلف) لأن تجويف الليزر والمرايا فيه تُسبب فقدًا للطاقة عند هذا الطول الموجي. مع ذلك، في ليزرات هيليوم-نيون عالية الطاقة ذات تجويف طويل بشكل خاص، قد يُصبح التلألؤ الفائق عند 3.39  ميكرومتر مشكلة، إذ يستنزف الطاقة من وسط الانبعاث المحفز، مما يستدعي غالبًا إجراءات كبح إضافية.

يعمل ليزر الهيليوم-نيون الأكثر شهرة واستخدامًا على نطاق واسع عند طول موجي يبلغ 632.8  نانومتر، في الجزء الأحمر من الطيف المرئي . وقد طُوّر في مختبرات بيل للهواتف عام 1962، ^{[ 3 ] [ 4 ]} بعد 18  شهرًا من العرض الرائد الذي أُجري في نفس المختبر لأول ليزر غاز هيليوم-نيون يعمل بالأشعة تحت الحمراء بشكل مستمر في ديسمبر  1960. ^{[ 5 ]}

الوسط الفعال لليزر، كما يوحي اسمه، هو مزيج من غازي الهيليوم والنيون بنسبة تقريبية 10:1، محصور تحت ضغط منخفض داخل غلاف زجاجي. يتكون المزيج الغازي في معظمه من الهيليوم، مما يسمح بإثارة ذراته. تصطدم ذرات الهيليوم المثارة بذرات النيون، فتثير بعضها إلى حالة تشعّ بطول موجي 632.8  نانومتر. في غياب الهيليوم، ستُثار ذرات النيون في الغالب إلى حالات إثارة أدنى، وهي المسؤولة عن خطوط طيفية غير ليزرية.

يمكن تصنيع ليزر نيون بدون هيليوم، لكن ذلك أكثر صعوبة بدون هذه الوسيلة لربط الطاقة. لذا، فإن ليزر هيليوم-نيون الذي يفقد كمية كافية من الهيليوم (مثلاً، بسبب انتشاره عبر موانع التسرب أو الزجاج) سيفقد وظيفته الليزرية لانخفاض كفاءة الضخ. ^{[ 6 ]} يُستمد مصدر طاقة الليزر أو مصدر الضخ من تفريغ كهربائي عالي الجهد يمر عبر الغاز بين قطبين كهربائيين ( مصعد ومهبط ) داخل الأنبوب. ويتطلب التشغيل المستمر عادةً تيارًا مستمرًا يتراوح بين 3 و20 مللي أمبير . يتكون التجويف البصري لليزر عادةً من مرآتين مقعرتين أو مرآة مستوية وأخرى مقعرة: إحداهما ذات انعكاسية عالية جدًا (عادةً 99.9%)، والأخرى مرآة اقتران الخرج التي تسمح بنفاذية تقارب 1%. 

تعتبر ليزرات الهيليوم-نيون التجارية أجهزة صغيرة نسبياً مقارنة بليزر الغاز الأخرى، حيث تتراوح أطوال تجويفها عادةً من 15 إلى 50  سم (ولكن في بعض الأحيان تصل إلى حوالي  متر واحد لتحقيق أعلى القدرات)، وتتراوح مستويات طاقة الخرج البصري من 0.5 إلى 50  مللي واط .

يبلغ الطول الموجي الدقيق لأشعة ليزر الهيليوم-نيون الحمراء 632.991  نانومتر في الفراغ، وينكسر إلى حوالي 632.816  نانومتر في الهواء. تقع أطوال موجات أنماط الانبعاث المحفز ضمن نطاق 0.001  نانومتر تقريبًا أعلى أو أسفل هذه القيمة، وتتغير أطوال موجات هذه الأنماط ضمن هذا النطاق نتيجة التمدد والانكماش الحراري للتجويف. تُمكّن الإصدارات ذات التردد المُثبَّت من تحديد الطول الموجي لنمط واحد بدقة تصل إلى  جزء واحد من 10⁸ ^{باستخدام} تقنية مقارنة قدرات نمطين طوليين باستقطابين متعاكسين. ^{[ 7 ]} ويمكن الحصول على تثبيت مطلق لتردد الليزر (أو طوله الموجي) بدقة تصل إلى 2.5  جزء من ^10¹¹ باستخدام خلية امتصاص اليود. ^{[ 8 ]}

تنشأ آلية انعكاس التوزيع السكاني وتضخيم الضوء في بلازما ليزر الهيليوم-نيون ^{[ 5 ]} من تصادم غير مرن بين الإلكترونات عالية الطاقة وذرات الهيليوم في الحالة الأرضية ضمن خليط الغاز. وكما هو موضح في مخطط مستويات الطاقة المرفق، تُثير هذه التصادمات ذرات الهيليوم من الحالة الأرضية إلى حالات إثارة ذات طاقة أعلى، من بينها حالتا 2 ³ S ₁ و2 ¹ S ₀ ( LS، أو اقتران راسل-سوندرز ، حيث يشير الرقم  2 إلى أن الإلكترون المُثار في الحالة n  =  2) وهما حالتان شبه مستقرتان طويلتا العمر. وبسبب تطابق شبه تام بين مستويات طاقة حالتي الهيليوم شبه المستقرتين ومستويي 5s ₂ و4s ₂ ( ترميز باشين ^{[ 9 ]} ) للنيون، ينتج عن التصادمات بين ذرات الهيليوم شبه المستقرة هذه وذرات النيون في الحالة الأرضية نقل انتقائي وفعال لطاقة الإثارة من الهيليوم إلى النيون. تُعطى عملية نقل طاقة الإثارة هذه بواسطة معادلات التفاعل

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 ,

حيث يُمثل * حالة مُثارة، وΔE هو فرق الطاقة الضئيل بين حالتي طاقة الذرتين، والذي يبلغ حوالي 0.05 إلكترون فولت ، أو 387 سم⁻¹ ^، والذي يُستمد من الطاقة الحركية. يؤدي انتقال طاقة الإثارة إلى زيادة كثافة الإلكترونات في مستويي النيون 4s² _و 5 _s² عدة أضعاف. عندما تتجاوز كثافة الإلكترونات في هذين المستويين العلويين كثافة الإلكترونات في المستوى السفلي المقابل، 3p⁴ _، المرتبط بهما بصريًا، يحدث انعكاس في توزيع الإلكترونات. يصبح الوسط قادرًا على تضخيم الضوء في نطاق ضيق عند 1.15 ميكرومتر (الموافق للانتقال من 4s² _إلى 3p⁴ ₎ وفي نطاق ضيق عند 632.8 نانومتر (الموافق للانتقال من 5s² _إلى 3p⁴ ₎ . يتم تفريغ مستوى 3p⁴ _بكفاءة عن طريق الاضمحلال الإشعاعي السريع إلى الحالة 3s، ليصل في النهاية إلى الحالة الأرضية.    

تتمثل الخطوة المتبقية في استخدام التضخيم البصري لإنشاء مذبذب بصري في وضع مرايا عاكسة للغاية عند طرفي وسط التضخيم، بحيث تنعكس الموجة في نمط مكاني معين على نفسها، مكتسبةً طاقةً أكبر في كل مرور مقارنةً بالطاقات المفقودة نتيجةً للنفاذ عبر المرايا والحيود. عند تحقق هذه الشروط لنمط طولي واحد أو أكثر ، يتراكم الإشعاع في تلك الأنماط بسرعة حتى يحدث تشبع الكسب ، مما ينتج عنه شعاع ليزر مستمر ومستقر يخرج من المرآة الأمامية (التي عادةً ما تكون عاكسة بنسبة 99%).

يُهيمن اتساع نطاق كسب ليزر الهيليوم-نيون على اتساع دوبلر بدلاً من اتساع الضغط نظرًا لانخفاض ضغط الغاز، ولذا فهو ضيق نسبيًا: حوالي 1.5  جيجاهرتز فقط كعرض كامل  للانتقال عند 633 نانومتر. ^{[ 7 ] [ 10 ]} وبفضل تجاويف ذات أطوال نموذجية تتراوح بين 15 و50  سم، يسمح هذا بتذبذب ما بين 2 إلى 8 أنماط طولية في آن واحد (مع ذلك، تتوفر وحدات أحادية النمط الطولي لتطبيقات خاصة). إن الخرج المرئي لليزر الهيليوم-نيون الأحمر، وطول التماسك الكبير ، وجودته المكانية الممتازة، تجعل منه مصدرًا مفيدًا للتصوير المجسم (الهولوغرافي ) ومرجعًا للطول الموجي في التحليل الطيفي . كما يُعد ليزر الهيليوم-نيون المُستقر أحد الأنظمة المعيارية لتحديد المتر. ^{[ 8 ]} 

قبل اختراع ليزرات الديود الرخيصة والمتوفرة بكثرة، كانت ليزرات الهيليوم-نيون الحمراء تُستخدم على نطاق واسع في ماسحات الباركود في نقاط الدفع في المتاجر الكبرى. وتتواجد ليزرات الهيليوم-نيون عادةً في المختبرات البصرية التعليمية والبحثية. كما أنها لا تُضاهى في استخدامها في تحديد المواقع النانوية في تطبيقات مثل تصنيع أجهزة أشباه الموصلات . وقد استُخدمت ليزرات الهيليوم-نيون التي تعمل عند طول موجي 633 نانومتر في تكوين ليزر حلقي في الجيروسكوبات الليزرية عالية الدقة . 

تتمتع ليزرات الهيليوم-نيون الحمراء بعدد هائل من الاستخدامات الصناعية والعلمية. وهي تُستخدم على نطاق واسع في التجارب المخبرية في مجال البصريات نظرًا لتكلفتها المنخفضة نسبيًا وسهولة تشغيلها مقارنةً بليزر الضوء المرئي الأخرى التي تُنتج حزمًا ذات جودة مماثلة من حيث التماسك المكاني ( حزمة غاوسية أحادية النمط ) وطول التماسك الطويل (مع ذلك، منذ حوالي عام 1990، وفرت ليزرات أشباه الموصلات بديلاً أقل تكلفة للعديد من هذه التطبيقات).

ابتداءً من عام 1978، استُخدمت ليزرات أنابيب الهيليوم-نيون (من إنتاج توشيبا و NEC ) في مشغلات أقراص الليزر من بايونير . واستمر هذا الاستخدام حتى عام 1984، حين استُبدلت بليزر ثنائيات الأشعة تحت الحمراء . وواصلت بايونير استخدام ليزرات ثنائيات الأشعة تحت الحمراء في جميع مشغلات أقراص الليزر بعد ذلك حتى توقف إنتاج أقراص الليزر عام 2009.

• قائمة أنواع الليزر
• غاز الأرجون