láseres de gas, tipos de niveles láser.

láseres de gas, tipos de niveles láser.

Helio-neón (He-Ne) Lasers

El láser de He-Ne se inventó la primera onda continua (CW) de láser. Unos meses después de Maiman anunció su invención del láser de rubí de impulsos, Ali Javan y sus asociados W. R. Bennet y D. R. Herriott anunciaron su creación de un láser de onda continua de He-Ne. Este láser es un láser de gas de cuatro niveles que utilizan átomos de helio para excitar los átomos de neón. Se trata de las transiciones atómicas en las luces de neón que produce la luz láser. La transición de neón más utilizado en este tipo de láser produce una luz roja en 632,8 nm. Sin embargo, estos láseres también pueden producir luz verde y amarilla en el visible, así como los rayos UV e IR (de Javán primera de He-Ne operados en el IR a 1152,3 nm). Mediante el uso de espejos altamente reflectantes diseñados para una de estas muchas posibles transiciones de acción láser, una salida de He-Ne dado se hace funcionar a una única longitud de onda.

láseres de He-Ne se caracterizan por producir unos pocos a decenas de mW (mili-vatios o 10 -3 W) de potencia. Ellos no son fuentes de luz láser de alta potencia. Probablemente una de las características más importantes de estos láseres es que son muy estables, tanto en términos de su longitud de onda (estabilidad modo) y la intensidad de su luz de salida (baja fluctuación del nivel de potencia). For these reasons, He-Ne lasers are often used to stabilize other lasers. También se utilizan en aplicaciones, tales como la holografía, donde la estabilidad modo es importante. Hasta mediados de 1990, láseres de He-Ne eran el tipo dominante de láseres producidos para aplicaciones de baja potencia – de determinación de la gama de escanear a la transmisión óptica, a los punteros láser, etc. Recientemente, sin embargo, otros tipos de láseres, más notablemente los láseres de semiconductor , parecen haber ganado la competencia debido a la reducción de costos.

El diagrama de nivel de energía de arriba muestra los dos estados excitados de átomo de helio, los 2 3 S y 2 1 S, que consiguen poblaron como resultado del bombeo electromagnético en la descarga. Estos dos estados son metaestables y no permiten de-excitaciones a través de las transiciones radiativas. En su lugar, los átomos de helio emiten su energía a los átomos de neón través de la excitación colisional. De esta manera los niveles 4s y 5s en neón son rellenados. Estos son los dos niveles superiores de acción láser, cada uno para un conjunto separado de las transiciones de acción láser. decaimiento radiativo desde los 5 años a los niveles 4s, están prohibidos. Por lo tanto, los niveles 4p 3p y sirven como los niveles más bajos de generación de láser y decaen rápidamente en el nivel metaestable 3s. De esta manera una inversión de población se consigue fácilmente en el He-Ne. La transición láser 632,8 nm, por ejemplo, implica las 5s y 3p niveles, como se muestra arriba.

En la mayoría de He-Ne láseres el gas, una mezcla de 5 partes de helio a 1 parte de neón, está contenida en un tubo de vidrio sellado con un orificio estrecho (2-3 mm de diámetro) que está conectado a un tubo de tamaño más grande llamado un lastre, como se muestra arriba. Típicamente espejos de la cavidad óptica del láser, el alto reflector y el acoplador de salida, forman las dos tapas de cierre para el tubo estrecho agujero. electrodos de alta tensión crean una descarga eléctrica estrecha a lo largo de la longitud de este tubo, que a su vez conduce a la estrecho haz de luz láser. La función del lastre es para mantener la mezcla de gas deseada. Dado que algunos de los átomos puedan quedar incrustada en el cristal y / o los electrodos, ya que aceleran dentro de la descarga, en ausencia de un tubo de lastre no duraría mucho tiempo. Para prolongar la vida útil del tubo más algunos de estos láseres también utilizan "captadores", a menudo metales tales como titanio, que absorben las impurezas en el gas.

Fotografía de arriba muestra un tubo comercial de He-Ne. El cilindro más grueso más cercano al metro-stick (que se muestra a escala) es el lastre. El tubo más delgado alberga la cavidad resonante que se produce la acción láser. Fíjese en las dos espejos que sellan los dos extremos de la perforación. Por razones de estabilidad de modo, estos espejos son cóncavas; que sirven como el acoplador de salida y el alto reflector.

Un típico disponible en el comercio de He-Ne produce alrededor de unos pocos mW de 632,8 nm de luz con un ancho de haz de unos pocos milímetros en una eficiencia global de cerca de 0,1%. Esto significa que por cada 1 Watt de potencia de entrada de la fuente de alimentación, 1 mW de luz láser se produce. Aún así, debido a su larga vida operativa de 20.000 horas o más y su coste de fabricación relativamente bajo, láseres de He-Ne están entre los láseres de gas más populares.

Otro láser de gas utilizado comúnmente es el láser de ion argón. En estos láseres, como en el He-Ne el tipo de transición de acción láser es atómica. Pero en lugar de un átomo neutro, aquí la acción láser es el resultado de los de-excitaciones de ion. Se necesita más energía para ionizar un átomo que para excitar a ella. Por la misma razón, más energía se puede obtener de la de-excitación del ion. Así, por partida doble (Ar ++) y simplemente ionizado (Ar +) átomos de argón pueden irradiar luz de longitud de onda más corta que podría el átomo de argón neutra, Ar. Debido a esto, el láser de ion argón pueden producir luz UV con una longitud de onda tan corta como 334 nm. Además, estos láseres pueden producir mucha más energía que las impresoras láser de He-Ne. láseres de iones de argón se extienden típicamente en potencia de salida de uno a tanto como 20 W. En los niveles de potencia más altos su salida es multi-modo, es decir, contiene varias longitudes de onda distintas. Algunas de estas longitudes de onda son:

488 nm, (fuerte) azul

497 nm, azul-verde

514 nm, (más fuerte) verde

Debido a estas dos razones, de alta potencia y de salida multicolor, argón-ion es uno de los láseres que se utilizan más comúnmente en espectáculos de luces, así como en una variedad de aplicaciones.

El maquillaje de un láser típico de ion argón es muy similar a un He-Ne de, pero con algunas diferencias. En primer lugar, estos láseres son mucho más grandes en tamaño. Un tubo típico Ar ++ láser es de aproximadamente un metro de largo, en comparación con sólo 20 cm para la de un He-Ne. En segundo lugar, la cavidad óptica de estos láseres está construido externo al tubo. Esto es en parte debido a la operación de alta potencia del láser y en parte porque tal disposición externa permite el uso de la óptica de selección de longitud de onda opcionales dentro de la cavidad óptica. Un prisma o una rejilla de difracción situados justo antes del espejo de alta refleja selecciona sólo una de las transiciones de acción láser para la amplificación dentro de la cavidad; otras longitudes de onda son desviados fuera de la cavidad resonante. De esta manera estos láseres de iones pueden operar en un modo de llamada individual.

Las dos fotografías superiores muestran un láser de argón-ion 5 W. Note el tubo de un metro de largo láser, el gran lastre, y el cordón umbilical que se conecta a la potencia del láser de alimentación. Este cable no sólo contiene la línea de alimentación que suministra el láser con la energía eléctrica para generar el plasma, sino también las líneas de agua que circulan de agua para enfriar el láser.

Dióxido de carbono (CO2 ) Y monóxido de carbono (CO) Láseres

En ambos de estos láseres es el medio gaseoso que se originan de moléculas, que además de los niveles de energía electrónica de los átomos también tienen ambos niveles de energía de vibración y rotación molecular. Los niveles de energía de vibración son similares a más finas peldaños de la escala espaciados que abarcan dos peldaños de los niveles de energía electrónicos. Los niveles de rotación son aún más finamente peldaños espaciados que abarcan los peldaños vibratorios! En estos láseres de gas las transiciones de acción láser se producen entre los niveles de vibración, por lo general pertenecientes a diferentes niveles electrónicos.

Específicamente, CO2 el láser puede generar una onda de salida de alrededor de 9 micro-metros (m m, o micrones) a aproximadamente 11 micras. (1 micrón es una millonésima parte de un metro, o 1000 nm.) Estas salidas generalmente contienen muchas longitudes de onda muy próximas entre sí, si el láser se utiliza para la salida de alta potencia. Sin embargo, para más aplicaciones específicas de longitud de onda de la cavidad óptica del láser está diseñado para amplificar sólo uno o unos pocos de las líneas de desintegración radiativa de vibración. El rango de longitud de onda para el láser CO es más bajo, de aproximadamente 5 a 6 m m. Otra característica de estos láseres de gas que ellos uno de los más versátil de todos los láseres de gas hacen es que pueden ser hechas para funcionar en una amplia gama de potencias de salida, ya sea en un modo pulsado o cw. el CO2 láser, en particular, oscila en el poder cw de pocos vatios KWS, por lo que este tipo de láser ideal para muchas aplicaciones industriales, incluyendo la soldadura y perforación.

vibraciones moleculares para el CO2. una molécula lineal, se muestran en la siguiente figura. Otras combinaciones de éstos son posibles pero estos tres son fundamentales. Hay diferentes variedades de CO2 láseres que fluyen gases frescos a través de la área de la cavidad de resonancia con el fin tanto de eliminar el calor y para proporcionar una gran cantidad de gas para alcanzar potencias de láser de alto. Para estos láseres en los poderes modo CW puede llegar tan alto como 100 kW. Estos haces de láser intensos son esencialmente tremenda invisible "calor" vigas que pueden cortar a través de piezas gruesas de metal y se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales.

Mencionamos dos detalles interesantes de estos láseres. En primer lugar, puesto que el vidrio en no muy transparente a la luz IR, los espejos están hechas de materiales cristalinos especiales que son transparentes a la IR. En segundo lugar, hay que recordar que la luz IR es invisible a nuestros ojos y se necesitan precauciones especiales con los que proteger a las personas que trabajan en torno a estos láseres. Resulta que a pesar de estos láseres pueden cortar fácilmente a través del metal, que no pueden pasar a través de una fina lámina de plexiglás claro, y tan a menudo estos sistemas están alojados en una carcasa de plexiglás para bloquear cualquier perdida refleja la luz IR.

Otros tipos de láseres de gas incluyen el láser de nitrógeno (N2 ), Los láseres excímeros, de cobre y de vapor, oro-vapor y químicos. De éstos los láseres excimer y los láseres químicos son los más diferentes de los que ya hemos hablado anteriormente.

Debido a la naturaleza altamente reactiva del gas haluro utilizado en estos láseres, excímeros no son muy fáciles de operar. Los haluros tienden a ser muy corrosivo y por lo tanto añadir mucho que el costo operativo (así como el peligro!) De estos láseres. Pero aún así estos láseres son muy utilizada debido a su longitud de onda de salida está en la UV, desde 350 nm hasta un precio tan bajo como 193 nm; todo ello con una gran cantidad de energía.

Por lo tanto, el medio de este tipo de láser se utiliza como combustible para generar la luz láser. Por lo tanto, las limitaciones prácticas a un lado, el poder de estos láseres depende de la cantidad de la (volumen de gas) químico que se utiliza en el láser. Debido a su potencia de salida es concebible sin límites, estos láseres se han estudiado principalmente por sus aplicaciones militares.

PUESTOS RELACIONADOS

También te podría gustar...