Hoofdstuk 5 : De Helium-Neon laser Inleiding De eerste gaslaser uit 1961 was een HeNe laser. Javan, Herriot en Bennet van de AT&T Bell Labs (Murray Hill) bouwden hem minder dan een jaar na de robijnlaser en slaagden erin als eersten de 1153 nm infrarode lijn op te wekken. Pas in 1962 slaagde men erin de rode, nu de meest populaire, laserlijn bij 632,8 nm op gang te krijgen. Het HeNe systeem kent vele tientallen lijnen waarop laserwerking mogelijk is (meestal met zéér laag vermogen) maar naast rode en infrarode lasers zijn er nu ook commerciële groene, gele en oranje HeNe lasers. A. Energieniveau's HeNe laser werking treedt op in een mengsel van helium- en neongas en wordt meestal opgepompt door middel van een gasontlading in dit mengsel. De HeNe energieniveau's zijn in fig. 5.1 aangegeven. Helium speelt hierin de rol van een soort katalysator: het kan de energie uit de ontlading efficiënt opnemen en men vindt dan ook heel wat elektronen uit de So schil (de enige die in evenwicht elektronen bevat) nu 19 tot 20 eV hoger. Deze (metastabiele) He niveaus worden 21S ("two-singlet-s") en 23S "two-triplets") genoemd. Neutraal neon (een edelgas!) heeft 10 elektronen, waarvan twee op de eerste schil (s -subschil) en acht op de tweede schil (twee in s, zes in p). De elektronenstructuur van 10Ne is dan: 1s2
( 2s2
2p6 )
Indien men aan een 2p elektron een energie van 170 000 cm-1 (dit stemt overeen met ongeveer 21 eV) zou geven wordt het losgeslagen en zou er een Ne-ion overblijven. Dit gebeurt in de praktijk echter niet bij de HeNe laser, maar de wat lagere energieniveaus worden wel (tijdelijk) bevolkt1. 1
Hierbij wordt het volgend nummersysteem ("Paschen") gehanteerd voor de geëxciteerde energieniveaus. Elektronen uit de buitenste, normaal bezette, schil kunnen op de • de hoofdschillen van de geëxciteerde niveaus worden genummerd vanaf 1 • In elke schil vindt men een of meer subschillen S, P, D enz. genaamd • Een S schil kan vier elektronen bevatten (genummerd van S2 tot S5), een P schil tien (genummerd van P0 tot P10)
Optische communicatie
5- 1
Fig. 5-1: Voornaamste energieniveau's die tussenkomen bij de HeNe werking.
De laserwerking treedt op tussen 3S en 3P (infrarood) 3S en 2P (zichtbaar) 2S en 2P (infrarood)
Opmerking: Anthony Siegman (Stanford University) is over de nummersystemen duidelijk: "atomic energy levels are commonly labeled by means of different forms of spectroscopic notation of various degrees of obscurity" A. Siegman, "Lasers", ed. University Science Books, Mill Valley, ISBN 0-935702-11-5, p.64 (1986)
Optische communicatie
5- 2
Onderstaande tabel geeft de voornaamste HeNe-lijnen aan2 Beginniveau
eindniveau
verkorte notitie golflengte voor deze overgang
typ. max. vermogen
[2p5 5s]2
[2p5 4p]4
3S2-3P4
3391 nm (IR)
24 mW
[2p5 5s]2
[2p5 3p]4
3S2-2P4
632,8 nm (rood)
75 mW
[2p5 5s]2
[2p5 3p]6
3S2-2P6
612 nm (oranje)
7 mW
[2p5 5s]2
[2p5 3p]8
3S2-2P8
594 nm (geel)
7 mW
[2p5 5s]2
[2p5 3p]10
3S2-2P10
543 nm (groen)
1,5 mW
[2p5 4s]2
[2p5 3p]4
2S2-2P4
1152 nm (IR)
17,5 mW
De 3S2-2Px overgang laat ook nog toe drie andere rode (640 nm, 635 nm en 629 nm) en een tweede oranje (604 nm) HeNe laser te bouwen3. In totaal zijn er overigens meer dan 170 overgangen tot laserwerking in staat, meestal echter alleen in laboratoriumomstandigheden4. Het lijdt echter geen twijfel dat de rode 633 nm lijn nog steeds de belangrijkste lasertoepassingen heeft. B. Bouw van de laser Zoals vroeger reeds aangegeven, worden gaslasers typisch elektrisch opgepompt. Qua constructie zijn er twee grote categorieën te onderscheiden: a) met externe spiegels
fig. 5-2
2 3 4
Bouwschema van een HeNe laser met externe spiegels (en Brewstervensters)
Naar Knollenberg, "Prospects for the HeNe laser through the end of the century", in Proc. SPIE, vol 741, geciteerd in de hiernavolgende referentie (Hecht) J. Hecht, "Helium neon lasers flourish in face of diode-laser competition", Laser Focus World, Nov. 92, pp. 99-108 (1992) Dieter Röss, "Lasers: light amplifiers and oscillators (ed. by O.S. Heavens", xviii, 755 p., London [etc.] : Academic Press (1969)
Optische communicatie
5- 3
b) met interne spiegels
Fig. 5-3
Bouw van een HeNe laser met interne spiegels. Merk op dat ook deze laser gepolariseerd licht voortbrengt omwille van het extra aangebrachte glasplaatje onder Brewsterhoek.
C. Toepassingen De toepassingen van de HeNe situeren zich vooral daar waar de hoge kwaliteit van de bundel (monomode, quasi perfect gaussisch, en dus voorspelbaar) of een coherentielengte van ong. 20 cm of meer5 vereist zijn. In minder veeleisende toepassingen (laserdisks, CD spelers) zijn echter al heel wat HeNe lasers vervangen door diodelasers.
5
Herinner u dat coherentielengten van kilometers haalbaar zijn met monochrome lasers!
Optische communicatie
5- 4
Als voornaamste actuele toepassingen bespreken we kort: a) Barcode scanners Lezers voor strepencodes vindt men in twee grote categorieën: deze voor dichtbij metingen (handscanners, vaste opstellingen) en deze voor metingen op afstand ("supermarktkassa scanners"). In de handscanners zijn de vroegere HeNe lasers allemaal vervangen door diodelasers. In de supermarkt-scanners daarentegen is de kwaliteit van een HeNe laser nog onmisbaar. De bundel moet immers herhaaldelijk een bepaald ruimtelijk patroon afscannen en de variaties in het weerkaatste licht worden dan gedecodeerd om de symbolen te herkennen. In de praktijk moet een dergelijke scanner de strepencodes kunnen lezen onafhankelijk van hun oriëntatie omdat de voorwerpen willekeurig voorbij het scanvenster op de transportband kunnen voorbijkomen. Het lezen van streepjescodes zonder hun oriëntatie te kennen vereist een zeer grote dieptescherpte ("depth of focus") en dit is alleen mogelijk met een hoge kwaliteitsbundel (= gaussische bundel). Deze scherptediepte is niet nodig voor de handscanners waarbij de leeskop vlak over de streepjescode passeert; vandaar dat laserdiodes of LEDs hier volstaan. b) Demonstraties en displays De eenvoudige en relatief goedkope HeNe lasers zijn nog steeds competitief t.o.v. diode systemen voor laserdemonstraties omwille van hun bundelkwaliteit en coherentie.
Fig. 5-4
Bundelkwaliteit (?) van een diodelaser (foto: Spiricon )
Optische communicatie
5- 5
Alleen bij de laseraanwijzers ("pointers") zijn zij nu helemaal vervangen door diodelasers die weliswaar wat slechtere bundelkwaliteit hebben (maar daar ligt men niet van wakker) maar vooral veel eenvoudiger uit batterijen gevoed kunnen worden zodat echt kleine pointers6 ter grote van een pen mogelijk geworden zijn.
c) Uitlijning en positionering Een van de oudste en nog steeds actuele HeNe toepassingen is het uitlijnen van grote constructies. De rechtlijnigheid van de bundel (althans indien er niet te veel luchtturbulenties of temperatuursgradiënten zijn) is een basisgegeven dat bv. bij tunnelboringen, het rechten van wanden, het leggen van afvoerpijpen of van andere bouwkundige constructies gebruikt wordt. Ook bij nivelleringswerken en bij de aanleg van irrigatiekanalen vindt de HeNe laser zijn toepassing. Enkele praktische opstellingen: 1) eenvoudige uitlijning Bij het leggen van tunnelsegmenten in zee, volgt het schip dat de segmenten laat zakken, een rechtlijnig pad. Men oriënteert hiervoor de laserstraal op een zekere hoogte boven het water (de laser zelf staat aan de wal). De schipper kan de laserstraal op een scherm met enkele kruisdraden zien en daardoor de rechte weg volgen. Moderne HeNe lasers hebben een bundelafwijking (t.g.v. thermische effecten op caviteit en gaslaserbuis) van minder dan 0,03 mr. Deze techniek werd o.m. gebruikt voor het leggen van de tunnelsegmenten van de metro tussen San Francisco en Oakland (BART). 2) elektrische terugkoppeling bij het uitlijnen Om de positie van een lichtvlek t.o.v. kruisdraden beter te kunnen meten (en evt. via terugkoppeling de lichtstraal pal in het midden te houden) heeft men speciale lichtdetectoren ontworpen. Deze cirkelvormige diodes bestaan uit vier aparte segmenten die individueel een stroom produceren evenredig met het invallend licht. Dit noemt men kwadrantdetectoren.
Fig. 5-5: Kwadrantdetector
6
Overigens voldoen verschillende van deze pointers niet aan de veiligheidsvoorschriften!
Optische communicatie
5- 6
Door een gepaste combinatie van de sommen en verschillen tussen de stromen door de vier segmenten geproduceerd, kan men een maat (twee coördinaten) bekomen van de afwijking van de bundel t.o.v. het midden en daar eventueel op corrigeren. Zeer dikwijls zal men in deze uitlijnsystemen met gemoduleerd laserlicht werken zodat de detectoren wisselspanningen produceren die met afgestemde versterkers versterkt worden. Op die manier kan het effect van het zonlicht weggewerkt worden (althans zolang de detectoren niet in verzadiging gaan). 3) Precisie uitlijning: De Stanford Lineaire Accelerator. SLAC-Linac7. 4) Speciale lasertools voor afstandsmetingen en triangulatie Bv. in de archeologie8. d) Holografie Deze lensloze opnametechniek voor driedimensionele foto's (zie elders, bv. in de labonota's) is gebaseerd op het registreren van het interferentieveld van twee ruimtelijke veldverdelingen, opgewekt uit één enkele laserbundel. Opdat het zou lukken interferenties te creëren tussen bundels die een verschillende weglengte afgelegd hebben (en dus op verschillende tijdstippen uit de laser vertrokken zijn) moet de straal een grote coherentie hebben. In de holografie van kleine stationaire voorwerpen vindt men tot hiertoe vnl. HeNe lasers. Bij bewegende of zeer grote voorwerpen vindt men vnl. argonlasers die ook met een vrij hoge coherentielengte te maken zijn (met behulp van een Fabry Pérot etalon, zie hoofdstuk 4) e) Gyroscoop Een van de actuele toepassingen van de HeNe laser is het gebruik als gyroscoop. Zoals bekend dienen de klassieke mechanische gyroscopen om een vaste richting in de ruimte te kunnen definiëren, en dit ook bij een bewegend apparaat (een vliegtuig bv.). Een lasergyroscoop is gebaseerd op het volgende effect: Veronderstel dat we een ringvormige caviteit hebben (in de praktijk is het handiger om aan een veelhoek te denken). Ergens in deze caviteit is er een HeNe versterkerbuis aangebracht. In de ringvormige caviteit kan het licht twee tegengestelde en even lange wegen afleggen. Stel nu dat een vaste waarnemer naar een dergelijke stilstaande of traag draaiende, ringlaser aankijkt. 7 8
http://ca.living.net/trav/education/carslac.htm http://www.sscf.ucsb.edu/SAABulletin/14.2/SAA10.html
Optische communicatie
5- 7
Bij een stilstaande ring is de omlooptijd van het licht: O/c met O = 2 π R : de omtrek van de caviteit Bij een draaiende ring is de omlooptijd van de beide tegengesteld lopende golven verschillend en dit geeft een frekwentieverschuiving. Het fenomeen is bekend als het Sagnac effect9. Een benaderende berekening leert ons het volgende: De frekwenties van een laser voldoen aan: ν = n. c/2L en een verandering van L geeft dus een frekwentieverschuiving:
Deze verandering dL is te wijten aan de trage rotatie met hoeksnelheid Ω:
waaruit:
Voor de bundel die in de omgekeerde richting gaat is de formule op het teken na identiek . De vaste waarnemer zal dus een frekwentieverschuiving tussen de twee bundels kunnen vaststellen gelijk aan: 2 Ω .R/ λ Men kan aantonen (zoals Schulz-DuBois voor het eerst in 1966 al deed10) dat voor een willekeurige caviteitsvorm geldt:
Voorbeeld : voor een cirkelvormige caviteit met R = 3 cm en λ = 0,6 μm is Δ ν = 100 000 Hz.
9 10
cf. G. M(artin), “How light can measure rotation through the Sagnac effect”, IEEE Spectrum, Feb. 1986, p.53 (1986). E. Schulz-DuBois "Alternative interpretation of rotation rate sensing by ring laser," IEEE J. Quantum Electronics, QE-2, p.299-305 (1966). Zie ook. A. Siegman, "Lasers", ed. University Science Books, Mill Valley, ISBN 0-935702-11-5, p.1167 (1986)
Optische communicatie
5- 8
Frekwentieverschuivingen van die ordegrootte zijn relatief eenvoudig te meten omdat intensiteitsdetectoren (kwadratische detectoren) zowel de verschil als de somfrekwentie van twee invallende frekwenties waarnemen. Alleen de verschilfrekwentie valt in het meetbare bereik. Indien men die frekwentieverschuiving integreert (iets wat gemakkelijk kan gebeuren door gebruik te maken van digitale frekwentietellers) kan men de absolute hoekverdraaiing sinds het laatste ijkpunt kennen. Praktische problemen: In de praktijk worden de gyroscopen als drie- of vierhoekige caviteiten uitgevoerd, uitgefreesd in een stabiel kwartsblok. Dit type wordt in de Boeings 747 en 737 gebruikt. Enkele extra problemen moesten hiervoor opgelost worden: • het bouwen van een monochromatische laser. Dit is opgelost door gebruik te maken van twee isotopen van Neon. Hierdoor wordt de centrale frekwentie opgewekt iets terzijde van het maximum van de individuele versterkingscurven. Zie hoofdstuk 3. • frekwentielocking van de twee tegengesteld lopende bundels bij lage hoekrotatie (deze bundels hebben dan een zeer klein frekwentieverschil dat echter plotseling op nul valt; d.i. vergelijkbaar met modelocking van lasers, zie hoofdstuk 3). Dit kan opgelost worden met het invoeren van een gekende, vooringestelde rotatie of door snel heen en weer draaien bij hoge frekwentie (dithering)11. • nulpuntsverschuivingen • indexvariaties in de opstelling, vnl. in de laserbuis, bv. t.g.v. van druk- of temperatuurswisselingen. f) De interferometrische laser van Hewlett Packard Met dit toestel kunnen verplaatsingen (bv. van werktuigmachine onderdelen) tot op een fraktie van een micrometer gemeten worden; differentieel haalt men zelfs enkele hondersten micrometer. Dit is verder uitgewerkt in hoofdstuk 6 11
De eerste lasergyroscoop werd al in 1962 gebouwd door Sperry Gyroscope. Het was een vierkante opstelling met vier laserbuizen van ong. 1 m lang. Het bleek mogelijk hiermee de rotatie van de aarde (360°/24 uur, d.i. 75 microradialen /sec) te bepalen. Onze gevoeligheidsformule voorspelt in dit geval een frekwentieverschuiving van: Δ ν = Opp/Omtrek * 4 Ω / λ = (1/4) x (4 x 2π / 24.60.60) / 10-6≈ 73 Hz. Recentere gyroscopen halen gevoeligheden van 0,1°/uur. Meer over gyroscopen vindt men in: XX, “What ever happend to...? (Laser Gyroscopes)”, in IEEE Spectrum, Aug. 1980, p.16 en G.J. Martin, “Gyroscopes may cease spinning”, in IEEE Spectrum, Feb. 1986, pp.48-53
Optische communicatie
5- 9
Hoofdstuk 5 : De Helium-Neon laser......................... Inleiding............................................. A. Energieniveau's.................................... B. Bouw van de laser.................................. a) met externe spiegels.......................... b) met interne spiegels.......................... C. Toepassingen....................................... a) Barcode scanners.............................. b) Demonstraties en displays..................... c) Uitlijning en positionering................... d) Holografie.................................... e) Gyroscoop..................................... f) De interferometrische laser van Hewlett Packard..........................................
1 1 1 3 3 4 4 5 5 6 7 7 9
