Techniklexikon

Helium-Neon-Laser

Laser, bei dem der Lasereffekt in einem Helium-Neon-Gasgemisch erzielt wird. Der H. ist ein Gasentladungslaser. Zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln befindet sich das aktive Gas . Das Entladungsrohr steht unter niedrigem Druck. Der H. wird mit Gleichspannung betrieben und sendet seine Strahlung kontinuierlich aus. Die Strahlungsemission erfolgt bei einer Wellenlänge von 633 um (orange) und im infraroten Spektralgebiet (1151nm; 3390 nm). Für viele wissenschaftliche und technologische Zwecke ist der H. gut geeignet (z. B. optische Meßtechnik, Justieraufgaben, Holographie, Schichtherstellung). He-Ne-Laser, ein typischer Vertreter der Gaslaser. Der Helium-Neon-Laser war einer der ersten Laser überhaupt, der erste Dauerstrichlaser und lange Zeit dank seiner roten Emissionslinie im sichtbaren Bereich des Spektrums bei 632,8 nm sehr verbreitet. Für einen Gaslaser besitzt er eine relativ einfache Bauweise (Abb. 1) und eine unaufwendige Energieversorgung, so dass er besonders dort eingesetzt wird, wo es weniger auf eine hohe Leistung (< 100 mW) und mehr auf unkomplizierte Handhabung und hohe Zuverlässigkeit ankommt: in der Messtechnik, Holographie und Interferometrie; bei Justagearbeiten (Bauindustrie und Optik); in Biologie, Medizin und auch im Alltagseinsatz, z.B. als Barcodescanner (Strichcodeleser). Seit Beginn der neunziger Jahre ist allerdings der Helium-Neon-Laser durch Halbleiterlaser mit sichtbaren Emissionslinien weitgehend abgelöst worden, die noch unaufwendiger und kostengünstiger zu betreiben sind. Verwendet wird der Helium-Neon-Laser weiterhin vor allem noch als Referenzfrequenzquelle zur Frequenzstabilisierung anderer Laser.

Das Lasermedium besteht hier aus einer in einem gläsernen Entladungsrohr eingeschlossenen Mischung aus Helium und Neon. Das exakte Mischungsverhältnis hängt vom Laserübergang ab, der angeregt werden soll; für die charakteristische rote Linie liegt das Mischungverhältnis etwa bei He : Ne = 5:1. Die Besetzungsinversion wird durch elektronische Anregung in einer Gasentladung erzeugt, die sowohl Helium- als auch Neon-Atome in angeregte Niveaus versetzt (Abb. 2, Niveauschema). Der eigentliche Laserübergang findet im Neon statt; das Helium dient lediglich zur Herstellung der Besetzungsinversion im Neon, da durch die Entladung die gewünschten Niveaus im Neon selber nur zu schwach bevölkert werden. Helium-Atome werden jedoch in höhergelegene Energieniveaus angeregt und zerfallen sehr schnell in die metastabilen Niveaus 2¹S₀ und 2³S₁, die nahezu dieselbe Anregungsenergie besitzen wie die oberen Laserniveaus im Neon. Aufgrund der langen Lebensdauer dieser Helium-Zustände (zwischen 10^-6 und 10^-4 s) hat ein angeregtes He-Atom genügend Zeit, um mit einem Ne-Atom im Grundzustand zu kollidieren und bei einem solchen Stoss zweiter Art seine Energie an das Neon-Atom zu übertragen. Letzteres gelangt dabei in einen der angeregten Zustände 3s oder 2s, die die oberen Niveaus der möglichen Laserübergänge im Laserniveauschema bilden. Mit den aufgespaltenen Zuständen 3p und 2p als untere Niveaus ergeben sich sieben verschiedene mögliche Laserübergänge bzw. Wellenlängen, die in der Praxis realisiert wurden (Tabelle).

Helium-Neon-Laser: Übergänge und Laserleistungen.

bottom-alt:solid black .6pt;padding:0cm 3.5pt 0cm 3.5pt\'> Laserübergang	bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .6pt; padding:0cm 3.5pt 0cm 3.5pt\'> Wellenlänge [nm]	bottom-alt: solid black .6pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.5pt 0cm 3.5pt\'> Typische Laserleistung [mW]
3s2 - 2p10	543,3 (grün)	1
3s2 - 2p8	594,1 (gelb)	0,5
3s2 - 2p6	611,8 (orange)	1
3s2 - 2p4	632,8 (rot)	5
2s2 - 2p4	1152,3 (IR)	1
2s2 - 2p1	1523,1 (IR)	1
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.5pt 0cm 3.5pt\'> 3s2 - 3p4	bottom:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.5pt 0cm 3.5pt\'> 3391,3 (IR)	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.5pt 0cm 3.5pt\'> 10

 

Helium-Neon-Laser 1: Schematischer Aufbau eines Helium-Neon-Lasers.

Helium-Neon-Laser 2: Energieniveauschema des Helium-Neon-Lasers.