ヘリウムネオン（He-Ne）レーザーは、小型の放電管内に封入されたヘリウムとネオンの混合ガスを利得媒質とする気体レーザーです。He-Neレーザーは、高いビーム品質と長いコヒーレンス長で知られ、教育用実験室と高精度な産業計測の両方で広く使用されています。
動作原理
He-Neレーザーは、放電によって混合ガス内に反転分布を形成することで動作します。
- 電気励起：高電圧の放電を混合ガスに通します。より軽く、含有量の多いヘリウム原子が励起され、準安定な高エネルギー状態になります。
- 共鳴エネルギー移動：励起されたヘリウム原子が、励起されていないネオン原子と衝突します。ヘリウムの特定のエネルギー準位がネオンの励起準位とほぼ一致するため、ヘリウム原子からネオン原子へエネルギーが移動し、ネオンガス内で反転分布が生じます。
- 誘導放出: ネオン原子内の励起電子が低いエネルギー準位に戻ると、光子を放出します。これらの光子がさらに多くの光子の誘導放出を引き起こし、コヒーレントな光の連鎖を形成します。
物理構造
標準的なHe-Neレーザーの物理的構造は比較的単純ですが、高い精度が求められます。
- 利得媒質管： ヘリウムとネオンの混合ガスを、通常10:1または5:1の比率で低圧（約1 Torr）封入したガラス製または石英製の管です。
- 電極: 励起に必要な放電を発生させるため、管内に陽極と陰極が配置されています。
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光学共振器：管の両端にミラーを配置して、光共振器を形成します。
- 高反射ミラー：一方のミラーには、反射率がほぼ100%となるコーティングが施されています。
- 出力カプラ： もう一方のミラーは部分透過性（通常、反射率は99%）で、光の一部を使用可能なレーザービームとして外部に取り出します。
- ブリュースター窓（オプション）： 一部の設計では、ガス管の両端をブリュースター角に傾けた窓で密閉します。これにより、一方の偏光状態で反射損失がなくなり、直線偏光の出力ビームが得られます。
主要な光学指標
- 波長: 最も一般的でよく知られている発光線は、632.8 nmの赤色光です。ただし、He-Neレーザーは、543.5 nm（緑色）、594 nm（黄色）、612 nm（橙色）、1152 nm（赤外）、および3391 nm（赤外）で発光するように設計することもできます。
- 出力パワー： 一般に低出力で、通常は0.5 mW～50 mWの範囲です。
- ビームプロファイル：通常、優れた高対称性の横電磁モード、具体的にはTEM00（ガウシアン）ビームプロファイルを生成します。
- コヒーレンス長: 極めて長く、多くの場合は20 cmから数メートルに達するため、干渉計測に最適です。
分類と種類
He-Neレーザーは一般に、2つの主な特性によって分類されます：
- 波長別: 赤色He-Ne（標準）、緑色He-Ne、黄色He-Ne、赤外He-Ne。狭帯域光学バンドパスフィルター（例：中心波長が正確に632.8 nmのもの）は、センサー用途で周囲光を除去するために、これらのレーザーと組み合わせて使用されることがよくあります。
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偏光による分類： * ランダム偏光： 偏光状態が時間とともに変動します。
- 直線偏光： 内部ブリュースター窓を使用して、ビームを単一の安定した偏光状態にします。
用途
He-Neレーザーは、優れたビーム品質と安定した波長を備えているため、高出力よりも高精度が求められる用途で使用されます:
- 干渉計測と計量：表面の精密測定および校正に使用。
- 光学アライメント: 複雑な光学システムや産業機械のアライメントを行う際の直線基準として使用します。
- ホログラフィー： 高品質なホログラムの記録には、長いコヒーレンス長が不可欠です。
- フローサイトメトリー: 生物医学研究で細胞の計数と分析に使用されます。
実例：マイケルソン干渉計
背景: 物理学研究室では、光源の正確な波長を測定したり、距離の微小な変化を検出したりする必要があります。
コンポーネントの構成：632.8 nmのHe-Neレーザーをマイケルソン干渉計に入射させます。ビームはビームスプリッターに当たり、2つの独立した光路に分割されます。一方の光路は固定ミラーへ、もう一方は可動ミラーへ進みます。各ビームは反射して戻り、ビームスプリッターで再び重なり合って、スクリーン上に干渉パターンを投影します。
機能: He-Neレーザーはコヒーレンス長が非常に長く、波長も極めて安定しているため、再結合したビームは位相関係を完全に維持します。
結果：システムは、鮮明で視認性の高い同心円状の干渉縞を生成します。可動ミラーの調整に伴って移動する干渉縞の本数を数えることで、632.8 nm波長の一部に相当する距離変化まで測定できます（ナノメートルレベルの精度）。
