Hélium-neonový laser je laser, jehož aktivním prostředím je směs helia a neonu. Helium-neonové lasery se často používají v laboratorních experimentech a optice . Má pracovní vlnovou délku 632,8 nm, nachází se v červené části viditelného spektra .
Pracovním prostředím heliovo-neonového laseru je směs helia a neonu v poměru 5:1 umístěná ve skleněné baňce pod nízkým tlakem (obvykle asi 300 Pa ). Energie čerpadla je dodávána ze dvou elektrických výbojů o napětí asi 1000-5000 voltů (v závislosti na délce trubice) umístěných na koncích baňky. Rezonátor takového laseru se obvykle skládá ze dvou zrcadel - zcela neprůhledných na jedné straně baňky a druhého, které přes sebe propouští asi 1 % dopadajícího záření na výstupní straně zařízení.
Helium-neonové lasery jsou kompaktní, s typickou velikostí rezonátoru v rozmezí od 15 cm do 2 m a jejich výstupní výkon se pohybuje od 1 do 100 mW.
V plynovém výboji ve směsi helia a neonu vznikají excitované atomy obou prvků . Ukazuje se, že energie metastabilní hladiny helia 1 S 0 a radiační hladiny neonu 2p 5 5s 2 [1/2] jsou přibližně rovné 20,616 a 20,661 eV . K přenosu buzení mezi těmito dvěma stavy dochází v následujícím procesu:
He* + Ne + ∆E → He + Ne*a jeho účinnost se ukáže být velmi velká (kde (*) označuje excitovaný stav a ΔE je rozdíl v energetických hladinách dvou atomů.) Chybějících 0,05 eV se bere z kinetické energie pohybu atomů . Populace neonové úrovně 2p 5 5s 2 [1/2] se zvyšuje a v určitém okamžiku se stává větší než populace základní úrovně 2p 5 3p 2 [3/2]. Nastává inverze populace hladin – médium se stává schopno generovat laser.
Při přechodu atomu neonu ze stavu 2p 5 5s 2 [1/2] do stavu 2p 5 3p 2 [3/2] je emitováno záření o vlnové délce 632,816 nm . Stav 2p 5 3p 2 [3/2] atomu neonu je také radiační s krátkou životností, a proto je tento stav rychle deexcitován do systému úrovně 2p 5 3s a poté do základního stavu 2p 6 , buď kvůli emise rezonančního záření (úrovně vyzařování systému 2p 5 3s), nebo v důsledku kolize se stěnami (metastabilní úrovně systému 2p 5 3s).
Kromě toho je při správné volbě rezonátorových zrcadel možné získat generování laseru na jiných vlnových délkách: stejná úroveň 2p 5 5s 2 [1/2] může přejít na 2p 5 4p 2 [1/2] s vyzařováním foton s vlnovou délkou 3,39 μm a hladina 2p 5 4s 2 [3/2], která vzniká při srážce s jinou metastabilní hladinou helia, může přejít na 2p 5 3p 2 [3/2] a emitovat foton s vlnová délka 1,15 μm. Je také možné přijímat laserové záření o vlnových délkách 543,5 nm (zelená), 594 nm (žlutá) nebo 612 nm (oranžová).
Spektrální šířka pásma helium-neonového laseru je poměrně malá, asi 1,5 GHz . Jeho hodnotu určuje především dopplerovské rozšíření záření atomů neonu, ke kterému dochází v důsledku projevu Dopplerova jevu . Úzkost emisního spektra dělá z heliem-neonových laserů dobré zdroje záření pro použití v interferometrii , holografii , spektroskopii a také ve čtečkách čárových kódů .
První plynový laser poháněný směsí helia a neonu předvedli Ali Javan , William Bennett a D.R. Herriott ( angl. DR Herriott ) v roce 1960 a vyzařoval záření o vlnové délce 1,15 mikronu (infračervené) [1] . O dva roky později Alan David White a Dane Rigden ukázali , že helium-neonový laser může emitovat záření o vlnové délce 632,8 nm, tedy ve viditelné oblasti spektra [2] . Právě tento cw laser ve viditelné oblasti následně našel široké uplatnění.