Хелијум-кадмијумски ласер

Хелијум-кадмијумски ласери, (He-Cd), су једни од најпознатијих ласера који раде на принципу јонизоване металне паре. Најинтензивније зрачење се врши на таласним дужинама од 0,441 µm (између плаве и љубичасте боје у видљивом спектру) при којима је снага од 15-200 mW и на таласној дужини од 0.325 µm и тада је интензитет снаге од 1 до 20 mW. Овај други случај одговара ултраљубичастом делу спектра.

Ова врста ласера је била једна од првих откривених у низу експеримената са циљем да се направе ласери од различитих материјала. Вилијам Силфаст и Грант Фаулс су стављали разне метале у цев ослобођену наелектрисања и посматрали шта би се десило када би кроз њу пустили струју (6 елемената су реаговала). Касније су Силфастова истраживања показала да је кадмијум добар материал за ласере и да му се додатком хелијума повећава ефикасност.

Принцип рада

Активни медијум

Хелијум-кадмијумски ласери могу функционисати при различитим условима, али су најефикаснији када је неколико милитора (1 mtor = 0,43 Pa) кадмијумске паре запечаћено у цеви са хелијумским гасом на притиску око 6 тора (800 Pa). Ово је типична конфигурација за ову врсту ласера. Метал се мора загрејати до 250 °C да би се добио одговарајући притисак.

Пренос енергије

Постојећа енергија хелијум-кадмијумског ласера потиче од директног пражњења струје која пролази кроз цев ласера. Типично пражњење је око 1500 V са густином струје у малој капилари од 4 А по квадратном центиментру попречног пресека. Атоми хелијума у гасу ласера апсорбују енергију из електричног пражњења и онда ту енергију преносе на јоне кадмијума. Активна средина овог ласера је кадмијумска пара. Пумпање се остварује помоћу процеса Пенингове јонизације.

He* + Cd → He + (Cd+)* + e-

Енергија побуђених атома хелијума (He*) је већа од енергије потребне за јонизацију и побуђење атома кадмијума (Cd). Процес је нерезонантан и вишак енергије прелази у кинетичку енергију електрона (e-). Ласерска генерација се одвија при прелазима између различитих побуђених стања јона кадмијума.

Тај процесс је једностепан, што значи да је брзина пумпања пропорционална са густином струје, а не са квадратом густине струје (као што је случај код гасних јонских ласера). Зато се пумпање јонских ласера са металним парама може извршити помоћу знатно мањих густина струје.

Унутрашња структура

По структури је веома сличан хелијум-неонским и аргон-јонским ласерима. Електрично пражњење пролази кроз дугачку, танку капилару која сједињује струју и тако јој повећава густину и самим тим и ефикасност.

Да би се одржала потребна концентрација кадмијумске паре потребан је резервоар кадмијума унутар ласерске цеви који мора да садржи по грам кадмијума на сваких 1000 сати рада ласера. Резервоар је постављен на анодном крају капиларе и греје се да би обезбедио неопходни притисак металне паре. Како пражњење јонизује металну пару, тако позитивни јони мигрирају према негативној електроди (катоди).

Овај процесс помаже при равномерном дистрибуирању кадмијумске паре, али такође може и да изазове таложење метала према капилари. То може да доведе до разних проблема од којих је један и блокада капиларе. Да би се то спречило ласерске цеви углавном садрже и кондензатор који је постављен ван капиларе.

Осим за кадмијум и за хелијум је потребан резервоар. Хелијум се може потрошити (тако што се катода распрсне или хемијски затрује, тако што га покрије неки кондензациони метал…). Резервоар за хелијум може да се налази у грани одвојеној од тела ласера. Оне могу да служе и за одстрањивање материја које би могле да угрозе рад ласера.

Као и код других ниско добитних ласера задња резонаторска огледала су тотални рефлектори, а предња резонаторска огледала одашиљу само светлост која кружи по шупљини ласерске цеви. Стабилни резонатори имају димензије од 40 цм па све до нешто мало преко 1 м.

Мане

Ултраљубичаста светлост која има више употреба од плаве код ових ласера је слабија и има краћи животни век. Цеви које емитују УВ светлост трају готово дупло краће од оних које емитују плаву светлост. Тако да нису широко распрострањене.

Врсте и варијације

Поред плавог ласера и ултраљубичастог ласера постоји и такозвани ласер који емитује белу светлост. Он има особину да му се боја може мењати али има кратак век па нема комерцијалну вредност и није распрострањен.

Употреба

Хелијум-кадмијумски ласери се користе за штампаче где ласер скенира фотокондуктивни цилиндар пишући карактере који се преносе на папир помоћу процеса електростатичког тонера који је сличан оном у фотокопирним апаратима. Ови ласери се углавном користе за штампаче велике брзине и високих перформанси који могу да одштампају и по 100 страница у минути и коштају и до неколико стотина хиљада долара. Јако фокусирани ласерски снопови се користе за писање комплетно оформљених карактера на папиру који је осетљив на светлост и то са резолуцијом тако високом да никакве тачке нису видљиве. He-Cd ласери се користе за раздвајање боја у штампачима где креирају шаблоне у полутоновима који се користе за генерисање слика у свим бојама.

Мозе се користити и за оптицко снимање дигиталних података видео или аудио сигнала као и за нека мерења и проверавање аутентичности неких новчаница. Може се искористити и при прављењу холограма где је доста бољи од аргонских ласера.

Литература

• Silfvast, William T. Laser fundamentals, Cambridge University Press, 2004. ISBN 0-521-83345-0
• Weber, Marvin J. Handbook of laser wavelengths, CRC Press, 1999. ISBN 0-8493-3508-6