Laser He-Ne

Finalmente a PhysicsOpenLab è arrivato il 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.

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 contenuto nel tubo di vetro.
L’energia della fonte di pompaggio del laser deriva da una scarica elettrica di circa 1000 V 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.
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.

La figura sotto mostra lo schema di principio del laser, con la cavità ottica delimitata dai due specchi ed il tubo al plasma che contiene la miscela dei gas elio-neon, ed al cui interno si verifica la scarica elettrica di pompaggio.

Le immagini sotto mostrano il nostro laser. Si tratta di un apparecchio Uniphase, modello 1508P-0 con potenza di fascio pari a 0.8 mW. Viene alimentato a 12 Vdc ed è provvisto di interruttore di accensione e led di indicazione. Il fascio in uscita è dichiarato da 0.48 mm TEM00 e con una divergenza di 1.7 mrad, l’emissione è centrata sulla lunghezza d’onda tipica di 632.8 nm, il fascio è polarizzato.

Descriviamo ora brevemente la fisica della emissione laser. Il fenomeno laser inizia in questo tipo di dispositivo con la collisione degli elettroni della scarica elettrica 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 negli stati 4s₂ e 5s₂. Questo a causa di una fortuita coincidenza dei livelli energetici fra gli atomi di elio e quelli di neon.

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 e stimolata dalle transizioni fra gli stati 5s₂ e 3p₄ causa alla fine l’emissione di luce laser della canonica lunghezza d’onda di 632.82 nm (la lunghezza della cavità ottica è “sintonizzata” per questa lunghezza d’onda). Dopodiché, avviene un rapido decadimento dallo stato 3p allo stato fondamentale 1s.

Con il nostro spettrometro a reticolo abbiamo acquisito lo spettro della emissione del laser elio-neon. Nelle immagini sotto si vede la riga di emissione centrata alla lunghezza d’onda d 633 nm.

Misura del Profilo Trasversale del Fascio

Per la misura del profilo trasversale del fascio emesso dal nostro laser He-Ne abbiamo utilizzato un metodo innovativo, anche se un pò impreciso, basato sul sensore CMOS di una Webcam. L’immagine a lato mostra una webcam (nel nostro caso la Lifecam 3000 della Microsoft), smontata, nella quale è stato esposto il sensore CMOS. In pratica si tratta di dirigere il fascio laser direttamente sul sensore CMOS e registrare l’immagine che si forma, in modo da misurare il profilo trasversale del fascio. Se il fascio è troppo intenso e porta il sensore alla saturazione sarà necessario ridurre l’intensità con opportuni filtri, nel nostro caso abbiamo utilizzato dei filtri polarizzatori. Naturalmente la misura che si ottiene è principalmente qualitativa, però può essere sufficiente a distinguere il modo dominante del fascio. Nella immagine sotto si vede il setup sperimentale con Webcam e sorgente laser.

Nella immagine sotto si vede il fascio laser così come viene acquisito dalla Webcam, mentre a destra viene riportato il profilo trasversale del fascio così come viene ottenuto dalla analisi della intensità dei pixel. Si vede come l’andamento è bene approssimato da una curva gaussiana ed il modo dominante di oscillazione trasversale è un TEM00, sebbene si possa notare un calo di intensità al centro del fascio. L’elaborazione delle immagini è stata fatta con il software open ImageJ.

Riparazione del Laser …

I laser si possono rompere ! In questo caso non bisogna disperare perchè c’è sempre la possibilità di ripararli, magari cambiando le parti non funzionanti. Nel caso dei laser He-Ne c’è la possibilità di cambiare il tubo laser ed il driver. Le immagini sotto mostrano le componenti del laser dopo lo smontaggio ed il risultato finale dopo la sostituzione dell’alimentatore (sistemato all’esterno a causa delle maggiori dimensioni).

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