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