FÍSICA DE LASERES
EL LÁSER DE ARGÓN
Presentado por:
Miguel Angel Bello Jiménez
15/04/04
Láser de Argón
Es uno de la familia del láser de iones que usan un gas noble como medio activo
Fué inventado en 1964 por William Bridges en los laboratorios de Hughes Aircraft, California
Contiene un tubo lleno con gas de Argón, el cual se transforma en plasma en un estado excitado.
Emite alrededor 1 a 20 W distribuidos entre todas las longitudes de onda emitidas
Emite en varias longitudes de onda desde el IR hasta el UV
Las dos principales transiciones del láser están en el visible:
Azul (488 μm)
Verde (514.5 μm)
Fuente de Energia
Las corrientes proporcionadas al láser son altas y por lo tanto son necesarias fuentes de alta potencia de salida
Disipación de energía y material para su construcción
Por su eficiencia que es de 0.02 % tenemos que la potencia a disipar en el sistema del láser es mediante un sistema de enfriamiento costoso y complicado que requiere una instalación especial.
Características para su construcción
Diferencia de Presión
Debido a las grandes corrientes necesarias, se crea una diferencia de presión en el interior del tubo de descarga entre los extremos (ánodo y cátodo), producida por la acción bombeante del gas ionizado. Este conducto adicional (bypass) debe ser tal que equilibre la presión pero no conduzca la descarga.
Láser de Argón continuo
Desgaste del tubo por bombardeo ionico:
Debido a las altas corrientes, el bombardeo iónico y electrónico es tan fuerte que el ánodo y el cátodo son corroídos y el tubo es desgarrado, por lo que se llega a destruir completamente su forma original. Este efecto hace perder la eficiencia de estos elementos y llega a veces hasta la destrucción total del láser.
Este es el resultado de colisiones producidas por electrones acelerados por el campo eléctrico en el cual se encuentran, así como de choques entre átomos y también con las paredes del recipiente.
Mecanismos de Excitación Láser
Una teoria que mejor explica este fenómeno es la teoría de los cuatro niveles del Argón
I. Mediante choque de electrones con átomos de Ar neutral, este es llevado a uno más de los estados 4p del Argón ionizado.
II. Una vez el Argón ionizado, decae de los niveles 4p por emisión estimulada (efecto láser) a un nivel intermedio).
III. Mediante una nueva emisión (emisión no láser) pasa del nivel intermedio al estado base del Argón ionizado.
IV. Mediante recombinaciones pasa al estado base del Argón neutral completando así las cuatro etapas.
Teoría de los 4 niveles del Argón
Transiciones para el láser de Argón
Líneas de EmisiónNiveles entre los que se produce la
transiciónLongitud de onda
en ÅNivel de energía
superiorNivel de energía
inferior
3577 4 d4 F 7/2 4 p4 D 5/24579 4 p2 S0 1/2 4 S2 P 1/24658 4 p2 P0 1/2 4 S2 P 3/24765 4 p2 P0 3/2 4 S2 P 1/24880 4 p2 D0 5/2 4 S2 P 3/24889 4 p2 P0 1/2 4 S2 P 1/24965 4 p2 D0 3/2 4 S2 P 1/25017 4 p2 F0 5/2 3 d2 D 3/25145 4 p4 D0 5/2 4 S2 D 3/25287 4 p4 D0 3/2 4 S2 P 1/2
Transiciones en el Argón
Emisión del láser de Argón
Longitud de onda en Å
Niveles entre las cuales hay transición
Densidades de corriente umbral
Con
prismaSin prisma Sin prisma
45454 p2 P0 3/2 4s2
P3/2276 7395 201
45794 p2 S0 1/2 4s2
P1/2137 176
46584 p2 P 1/2 4s2
P3/2181 329 177
47274 p2 D0 1/2 4s2
P3/2176 168
47654 p2 P0 3/2 4s2
P1/2100 123
48804 p2 D0 3/2 4s2
P3/238 30
49654 p2 D 3/2 4s2
P3/2105 143
50174 p2 F0 5/2 3d2
D3/2158 193
51454 p4 D 5/2 4s2
P3/295 152
52874 p4 D0 3/2 4s2
P1/2276 263 Alta
La potencia de salida de un láser se ve afectada por una serie de condiciones que proceden del funcionamiento del mismo.
En el láser de Argón pulsado donde los pulsos de corriente son relativamente altos; se ha encontrado experimentalmente que la potencia de salida esta descrita por la siguiente ecuación:
Potencia del Láser
)( 2ts JKP
ρ es la densidad de corriente. K es un coeficiente determinado por la presión del gas, diámetro del tubo de plasma y constantes de la cavidad óptica. Jt es un coeficiente dependiente del valor umbral de la densidad
de corriente. γ es un valor proporcional al coeficiente de los coeficientes de excitación de los estados superior e inferior del ión.
Tubo de láser 1m x 5mmDuración del pulso de corriente 3 μsPresión del Argón 10 μHg
Potencia de salida en función de la densidad de corriente y duración del pulso
Tubo de láser de 1m x 5mmLongitud de onda 488 nmPresión del Argón 10 μHgTr duración del pulso de corriente en μsTe tiempo en que sale la luz después de aplicar el pulso de corriente en μs
Potencia de salida en función de la densidad de corriente del pulso
Tubo de láser de 2m x 6mm de diámetro internoLongitud de onda 488.9 nmDuración del pulso de corriente 2 μs
Potencia de salida en función de la presión
Tubo de láser de 2m x 9mm de diámetro internoPresión del Argón 12 μHgDensidad de corriente pico 320 Amperes /cm2
Duración del pulso de corriente 2 μs
Potencia de salida en función de la longitud del plasma para diferentes longitudes de onda
Cavidad LáserUna cavidad láser esta determinada por el medio activo (gas, cristal), en donde la radiación al viajar entre los dos espejos o resonadores , es amplificada por emisión estimulada en el medio, y a su vez sufre pérdidas causadas por difracción, esparcimiento, inhomogeneidades del medio etc. La condición para que la cavidad sea resonante es que las pérdidas por las causas antes mencionadas sean menores que la ganancia a través el medio activo.
Resonador para el laser de Argón
El resonador láser es hecho de dos espejos, uno es altamente reflectivo (HR) y el otro es parcialmente reflectivo (OC) por donde el haz emerge como luz láser. La ventana de Brewster montada en ambos extremos del tubo, minimiza las pérdidas por reflección mientras creamos un haz polarizado.
Resumen
El medio activo es un plasma de iones excitados. El Argón es primero ionizado y después excitado. Varias transiciones del láser ocurren simultáneamente, las más fuertes ocurren en 514nm y 488nm. Debido a la alta energía requerida para ionizar, necesitamos densidades de corrientes muy altas. El tubo de la descarga se hace normalmente de un material con una baja conductividad térmica.
Emite alrededor 1 a 20 W de flujo distribuidos entre todas las longitudes de onda emitidas, tanto como 5 o 6 W se pueden obtener en la longitud de onda de más potencia, la línea de 514 nm.
Aplicaciones
Cirugía General
Holografia
Cirugía del ojo
Entretenimiento con luz láser
Bombeo para otros laseres
Bibliografía
Láser de Argón Pulsado
Tesis profesional
Arquímedes A. Morales Romero
Universidad Nacional Autónoma de México
México, D.F.
http://itl.chem.ufl.edu/4411L_f00/i2_lif/ar_laser.html#laser
http://vcs.abdn.ac.uk/ENGINEERING/lasers/gas.html
http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/optmod/lasgas.html#c3
http://repairfaq.cis.upenn.edu/sam/laserarg.htm#argiak
http://www.rli.com/resources/argon.asp