LASER DE HELIO-NEON (Juan Israel Rivas Sánchez)

LASER DE HELIO-NEON
(Juan Israel Rivas Sánchez)
El láser de Helio-Neón fue el primer láser de gas construido y actualmente sigue
siendo uno de los láseres más útil y frecuentemente utilizado. Esto a pesar del
constante empuje de los láseres de semiconductores, que realizan cada vez más
funciones que antes eran hechas con láseres de He-Ne. Los centros activos de
este láser son los átomos neutros de neón, pero el bombeo de estos se realiza
preferentemente a través de los átomos de helio.
CARACTERISTICAS ESPECTRALES DEL LASER HELIO-NEON
En el diagrama de energía del sistema He-Ne se muestran las tres transiciones
láser mas importantes, las cuales ocurren 3.39 µm, 1.15µm y 0.638µm. Puede
notarse que los niveles 21S y 23S del Helio prácticamente coincide con los niveles
3s y 2s del Ne. Como enseguida veremos, este hecho es fundamental para el
bombeo de los átomos de neón.
Los niveles 3s y 2s del neón poseen una vida media del orden de 10-7 segundos y
pueden realizar transiciones radiactivas a los niveles 3p y 2p. Estos últimos
niveles poseen una vida media del orden de 10-8 segundos y por tanto se puede
establecer una inversión de población entre estos y los niveles 3s y 2s.
Aunque cada uno de los niveles 3s, 2s y 1s se compone de hecho de cuatro
subniveles y cada uno de los 3p y 2p de diez subniveles, las longitudes de onda
de emisión predominante son para la transición 3s -> 3p , λ =3.39 µm, para
3s-> 2s , λ=0.6328 y para 2s -> 2p, λ=1.15mm.
El vaciado de los niveles inferiores de la transición láser se realiza por medio de
las transiciones espontáneas de los niveles 3p y 2p al nivel 1s. Este último nivel
es meta-estable y, por tanto, a menos que por algún mecanismo
sea
constantemente vaciado al nivel base del neón 1p, el nivel 1s podrá saturarse e
interrumpir la oscilación láser (emisión láser).
LINEAS ESPECTRALES
Las líneas espectrales son el resultado de transiciones espontáneas de electrones
en los átomos del material desde el nivel de energía más alto al más bajo. El láser
Helio-Neón depende de la transición de los niveles de energía del gas neón. En
este caso hay varias posibles líneas de longitudes de onda en el espectro.
Algunas de mas fuerte intensidad están muy cerca de la línea 0.6328 µm línea
común del láser He-Ne rojo, pero esta no es la más fuerte. Hay también muchas
líneas en el infrarrojo y algunas en la región del amarillo y en el anaranjado.
Hay muchas posibles transiciones en el neón del estado excitado al estado de
más baja energía que puede resultar en una emisión láser, donde las más
importantes se mencionan en esta tabla.
(1)
(2)
Output
He-Ne
Laser Name
Wavelength
(3)
(4)
(5)
(6)
Perceived
Lasing
Typical
Maximum
Beam Color
Transition
Gain (%/m)
Power (mW)
543.5 nm
Green
Green
3s2->2p10
0.52 0.59
2 (5)
594.1 nm
Yellow
Orange-Yellow
3s2->2p8
0.5
0.67
7 (10)
Orange
3s2->2p7
0.6
1.0
3
Red-Orange
3s2->2p6
1.7
2.0
7
Orange-Red
3s2->2p5
1.9
2.0
604.6 nm
611.9 nm
Orange
629.4 nm
632.8 nm
Red
"
"
3s2->2p4
10.0 10.0
75 (200)
635.2 nm
"
"
3s2->2p3
1.0
1.25
640.1 nm
Red
3s2->2p2
4.3
2.0
2
730.5 nm
Border Infra-Red 3s2->2p1
1.2
1.25
0.3
1,152 nm
Near-IR
Invisible
2s2->2p4
???
1.5
1,523.1 nm
Near-IR
" "
2s2->2p1
???
0.5
3,391.3 nm
Mid-IR
" "
3s2->3p4
??? 440.0
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FUNCIONAMIENTO DEL LASER DEL HELIO-NEON
El bombeo del láser de He-Ne se realiza por medio de las colisiones que una
descarga de electrones producida dentro del gas tiene fundamentalmente con los
átomos de helio. Como resultado de estas colisiones, los átomos de helio son
excitados a los niveles superiores 21S y 23S.
La inversión de población en el neón ocurre debido a colisiones con átomos
excitados de helio. Como resultado de estas colisiones, los átomos de helio pasan
a su estado base y los átomos de neón pasan a los estados 3s y 2s, creando una
inversión de población entre estos estados y los estados 3p y2p. Entre estos
niveles es donde la oscilación láser (emisión láser) puede ocurrir.
La realización de una transferencia de energía entre átomos de helio y neón
ocurre debido a:
a) La proximidad de los niveles excitados de energía del helio y del neón,
b) El hecho de que los estados 21S y 23S del helio son meta-estables, lo cual
garantiza un tiempo suficientemente largo para colisionar con átomos de neón
antes de que el helio decaiga espontáneamente;
c) La más elevada presión del helio en la mezcla He-Ne, lo cual también reduce la
probabilidad de que la excitación ocurra en la dirección opuesta, es decir Ne ->
He.
El vaciado de los átomos de neón del estado meta-estable 1s a su estado base
ocurre fundamentalmente debido a colisiones con las paredes del tubo láser. Esto
causa que al aumentar el diámetro del tubo la potencia de salida no aumenta, si
no que disminuye.
Absorción y amplificación en el láser He-Ne
Mientras la luz se mueve a través del medio activo, tienen lugar dos procesos
diferentes sobre la radiación: absorción y amplificación. En un láser de He-Ne
estándar, la amplificación producida por el medio activo es del orden del 2%.
Durante un paso a través del medio activo (desde un espejo al otro) la cantidad de
radiación dentro, aumenta en un factor de 1.02.
Por lo tanto, para conseguir amplificación de luz, todas las pérdidas, incluyendo
las colisiones de los átomos excitados con las paredes del tubo de gas, absorción
por parte de otras moléculas, etc. deben ser menores del 2%.
El láser de He-Ne es un láser de 4 niveles, por lo que el tiempo de vida del nivel
láser inferior debe ser muy corto. En el gas Ne, que es el gas activo del láser, la
transición (decaimiento) desde el nivel láser inferior no es suficientemente rápida,
pero se acelera por las colisiones con las paredes del tubo. Debido a que el
número de colisiones con las paredes del tubo aumenta a medida que el tubo de
hace más estrecho, la ganancia del láser es inversamente proporcional al radio del
tubo. Por lo tanto, el diámetro del tubo de un láser de He-Ne debe ser lo más
pequeño posible.
La baja ganancia del medio activo en un láser de He-Ne limita la potencia de
salida a potencia baja. En prototipos de laboratorio se consiguen potencias de
salida del orden de 100 [mW], pero los láseres comerciales están disponibles sólo
en un rango de salida del orden de 0.5-50 miliwatios [mW].
El acoplador de salida del láser de He-Ne es un espejo con un recubrimiento que
transmite alrededor del 1 % de la radiación de la salida. Esto significa que la
potencia dentro de la cavidad óptica es unas 100 veces mayor que la potencia
emitida.
ESTRUCTURA DEL LASER He-Ne
El láser de Helio Neón tiene tres estructuras principales:
a) Tubo de Plasma del Láser de He-Ne:
El delgado tubo interior tiene un diámetro de alrededor de 2 [mm] y una
longitud
de decenas de centímetros. El tubo interior está rodeado por un tubo exterior
grueso con un diámetro de alrededor de 2.5 [cm] y está sellado por fuera.
Los propósitos del tubo exterior son:
o
Conseguir una estructura estable que proteja de los movimientos el
tubo interior y los espejos del láser.
o
Actuar como gran reserva de gas que reponga el Neón gas que está
siendo absorbido por el cátodo.
El proceso láser, que produce la radiación electromagnética, está confinado dentro
del tubo interior que está lleno de la mezcla de gases.
La mezcla de gases es 85-90% de Helio gas, y 10-15 % de Neón gas, una
proporción de 1:6 a 1:10.
La presión del gas es 0.01 atmósferas (» 10 [torr]). En los extremos del tubo, los
electrodos están conectados a una fuente de potencia de alto voltaje (AC o DC).
b) Cavidad Óptica del Láser de He-Ne:
La cavidad de un láser de He-Ne convencional es una cavidad óptica
semiconfocal.
Está compuesta por un espejo plano, que refleja alrededor del 98 % de la luz que
le llega, y un segundo espejo cóncavo que refleja el 100 %. Este espejo cóncavo
tiene una distancia focal igual a la longitud de la cavidad.
Figura: Estructura de la Cavidad del Láser de He-Ne
La disposición de los espejos provoca que la radiación esté en planos casi
paralelos
c) Fuente de Potencia del Láser de He-Ne:
Los láseres de He-Ne que producen una potencia de 1 [mW] (el tipo estándar que
usan los estudiantes para experimentos de laboratorio), habitualmente utilizan una
fuente de potencia de Alto Voltaje DC (Corriente directa) de 2,000 [Voltios].
El láser necesita una corriente constante (suministro constante de electrones), de
forma que se emplea un suministro de corriente estable.
Para iniciar la acción láser, se necesita ionizar el gas dentro del tubo. Esto se
produce por un pulso de máximo voltaje de la fuente de potencia. Este voltaje se
conoce como Voltaje de Ignición del láser. En el momento del comienzo de la
descarga, la resistencia eléctrica del tubo cae de repente a un valor bajo. Esto
significa que el voltaje disminuye repentinamente, mientras la corriente aumenta.
Por lo tanto, según la ley de Ohm esto es una resistencia eléctrica negativa
(Disminuye el voltaje con aumento de la corriente).
Para superar este problema, se conecta una Resistencia lastre muy cerca del
ánodo, en serie con la fuente de potencia. El papel del resistencia lastre es limitar
la corriente a través del tubo cuando la resistencia cae.
Láseres de He-Ne Comerciales
Longitud de Onda :
632.8 [nm]
Potencia de Salida :
0.5-50 [mW]
Diámetro del Haz :
0.5-2.0 [mm]
Divergencia del Haz:
0.5-3 [mRad]
Longitud de
Coherencia :
0.1-2 [m]
Estabilidad de
Potencia :
5 [%/Hr]
Tiempo de Vida:
>20,000 [Horas]
BIBLIOGRAFIA
O. Svelto, Principles of laser, 4th Ed Plenum Press NY. 1998
Vicente Aboites Láseres, una introducción, Centro de investigaciones en óptica
http://repairfaq.ece.drexel.edu/sam/laserhen.htm
http://www.um.es/LEQ/laser/Ch-6/F6s1t1p1.htm