LÁSER HE-NE OBJETIVOS Estudio del principio de

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento De Física
Laboratorio de Oscilaciones y Ondas
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LÁSER HE-NE
OBJETIVOS
Estudio del principio de funcionamiento del láser de He-Ne, reconocimiento de las principales partes del
dispositivo cuántico, y medición de su energía promedio.
El láser (Ligth amplification by stimulated emission of radiation) o generador cuántico de radiación
electromagnética, es un dispositivo donde se lleva a cabo la generación de ondas electromagnéticas
monocromáticas en la región óptica del espectro electromagnético como consecuencia de la emisión
inducida de la radiación.
El principio físico de amplificación de la luz como consecuencia de la emisión inducida de la radiación lo
propuso V. A. Fabrikant, en 1940, pero la utilización practica de esta idea en la región de las microondas
(Máser) la realizaron en 1953 independientemente los unos de los otros los físicos soviéticos: ProjorovBasov, y Thomson-Weber (EE.UU). En 1960 Meiman construyó un dispositivo similar (láser) que
operaba en la región óptica del espectro E.M.
El láser consiste de un resonador óptico, en el cual se introduce un medio activo que contiene átomos en
estados excitados. En el láser de He-Ne, el medio activo es una mezcla gaseosa de He-Ne.
Figura 1.
Al absorber una cantidad adecuada de energía los átomos pueden excitarse a niveles de energía
superiores (absorción), en estos estados excitados los átomos no permanecen mucho tiempo y se
deexcitan emitiendo la cantidad de energía que habían absorbido (emisión).
En la emisión ordinaria los átomos excitados emiten espontáneamente independientemente el uno del
otro; pasando a niveles de energía inferiores y la luz, la cual ha sido radiada por todo el grupo de átomos
es incoherente. En un láser los átomos realizan transiciones entre niveles de energía ordenadamente.
Este ordenamiento de las oscilaciones de los átomos esta condicionado por la emisión inducida de los
átomos y la existencia de un resonador. Si la transición de un átomo excitado a niveles de energía mas
bajos; la induce un cuanto de luz, entonces éste átomo emite un fotón de la misma frecuencia y fase que
el fotón que indujo la transición respectiva, esto permite enfasar las oscilaciones de los átomos entre sí;
y amplificar de forma coherente la luz emitida.
De tal forma, cualquier cuanto de luz emitido como resultado de una transición espontánea, será
multiplicado por la emisión inducida de cuantos de la misma frecuencia de otros átomos excitados;
formándose así una avalancha de fotones, la cual trae como consecuencia la emisión coherente de
radiación electromagnética.
Para la realización exitosa de tal mecanismo de amplificación de la luz es necesario que, el número de
transiciones inducidas que conllevan a la emisión de fotones, sea mayor que la cantidad de las
transiciones relacionadas con la absorción de fotones de su misma frecuencia. Esto se cumple si el
número de átomos en el nivel energético superior es mayor que la cantidad de átomos en el nivel
inferior. Dicho estado del sistema de átomos se denomina estado con inversión de población.
Escrito por: Alberto Patiño Vanegas, Heriberto Peña Pedraza
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En calidad de resonador se utilizan dos espejos (1 y 3) planos y paralelos, ver Figura 1. Entre los
espejos se encuentra el medio activo; gas de He-Ne en un tubo cilíndrico recto (2), en cuyas bases
paralelas se disponen los espejos del resonador (1, 3). Uno de los espejos se hace reflector 100% (1) y
el otro (3) semireflector de tal forma que deje pasar la radiación hacia fuera. La excitación del medio
activo la realizamos en nuestro laboratorio con una fuente de alta tensión 3 – 5 kV DC (4).
El mecanismo de la emisión láser se puede examinar, al utilizar el sistema de los tres niveles de energía
Figura 2., correspondiente a la excitación de los átomos de Helio. Los átomos de He al colisionar
inelásticamente con los electrones que son acelerados en la descarga eléctrica a través del gas
absorben su energía cinética, y se excitan pasando al nivel energético 3, después muy rápidamente sin
emisión pasan al nivel de trabajo 2. La probabilidad de una transición espontánea de 2 → 1, es mas
pequeña que la transición 3 → 2. Por eso en condiciones adecuadas de energía cinética de los
electrones en la descarga eléctrica a través del gas se puede asegurar un bombeo de un gran número
de átomos de 1 al nivel 3. Lo que garantiza que haya un mayor número de átomos en el nivel energético
2 que en el 1. Alcanzándose así, el estado de inversión de la población.
Figura 2.
El fotón de luz emitido como resultado de una transición espontánea del nivel 2 al 1, induce transiciones
de los otros átomos del nivel energético 2 al 1; los fotones emitidos de esta manera a la vez provocan las
siguientes transiciones, etc. Produciéndose una potente cascada de fotones.
La radiación cuya dirección coincide con el eje del tubo cilíndrico, sufre múltiples reflexiones en los
espejos de los resonadores, amplificándose al recorrer largas trayectorias en el medio activo. Parte de
esta radiación coherente sale al exterior a través del espejo semireflector del resonador. Los fotones que
se emiten espontáneamente en otras direcciones, salen del tubo en otras direcciones a través de la
superficie lateral del tubo. Obteniéndose así la emisión coherente de la radiación electromagnética en el
láser.
El Láser de He-Ne, trabaja en un régimen de onda continua de baja potencia 5mW con longitud de onda
de 632.8 nm.
Escrito por: Alberto Patiño Vanegas, Heriberto Peña Pedraza