UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

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1 UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA LASERES DE IONES DE ARGON ALUMNO:MALDONADO GARCIA JAVIER ALEJANDRO PROFESOR: MANUEL FERNÁNDEZ En un laser de iones la escala de niveles de energía está expandida en comparación con átomos neutros. Asumiendo que se ioniza un átomo por la falta de un electrón en su último nivel y asumiendo por simplicidad que el apantallamiento es completo, la carga eléctrica efectiva para el ión es 2e, más que simplemente e para el átomo neutro. Esta expansión de la escala de energías implica que el laser de iones puede operar en las regiones visible y ultravioleta del espectro electromagnético. Los laseres de iones se dividen en dos categorías: Iones gaseosos, que involucran algunos de los gases nobles, los cuales oscilan sobre muchas frecuencias, las más comunes son verde y azul; Iones de vapor metálico (Sn, Pb, Zn, Cd y Se); el ejemplo más notable son los laseres de He-Cd y He-Se. No hablaremos de ellos. LASER DE ARGON El estado base del Ar + se obtiene removiendo uno de los electrones en el nivel externo 3p. Los estados excitados 4s y 4p se obtienen promoviendo uno de los restantes electrones 3p 5 al estado 4s o 4p. Como una consecuencia de la interacción con los otros electrones 3p 4, ambos niveles 4s y 4p, indicados como niveles únicos en la figura, actualmente consisten de varios subniveles. EL MEDIO ACTIVO EN LASER DE ARGON El ión Ar es excitado en un proceso de dos pasos involucrando colisión con dos electrones distintos: 1.El primero ioniza el Ar, obteniéndose el estado base del Ar +. 2.La segunda colisión excita al Ar +. El tiempo de vida del nivel 4p (~10-8s, observado por la transición radiativa 4p 4s acción laser) es 10 veces mayor que el tiempo de vida de la transición 4s 3p5, los ione Ar se acumulan predominantemente en el nivel 4p. De esto, el nivel 4p es

2 usado como nivel superior para la transición laser 4p 4s laser cw puede ser lograda. La excitación del Ar+ puede conducir a iones en el estado 4p por tres procesos distintos: 1.Excitación directa al nivel 4p partiendo del estado base del Ar+; 2.Excitación a estados superiores a 4p, seguidos por un decaimientos radiactivo al estado 4p; 3.Excitación a estados metaestables seguidos por una tercera colisión, conduciendo la excitación a un estado 4p. NIVELES DE ENERGIA INVOLUCRADOS EN EL LASER DE ARGON La razón de excitación del estado superior, (dn2/dt)p tiene la forma dn 2 N Ni N 2 2 e dt, p Donde Ne y Ni son las densidades de electrones e iones en el plasma respectivamente. Mientras el campo eléctrico de la descarga es independiente de la descarga, la velocidad de deriva vdrift es también independiente de la descarga. La densidad de corriente está dada por: J = ev drift N e.

3 Altas densidades de corriente son requeridas (~1kA/cm2) para bombear suficientes iones al estado superior. Esta es la razón por la que el primer laser de Ar apareció 3 años después del primer laser de He-Ne. Debido a que ambos niveles 4s y 4p cosisten de varios subniveles. Otros laseres de iones Oxigeno: Emite lineas en azul, verde y amarillocon un catodo frio identico al de los laseres Ar/Kr. Este laser tiene muy alta ganancia. Neon: Trabaja en modo cw en el UV pero no tiene lineas visibles practicas. Tiene una linea pulsada a 540nm en el verde. Xenon: Emite varias lineas en el verde con un catodo caliente, trabaja en un modo pulsado a muy baja presión, tan baja para sostener un arco de corriente, pero la suficiente para mantener una descarga pulsada. Emite principalmente en verde con algunas lineas en amarillo y azul. Las lineas de emisión verde a 526nm, 535.3nm y 539.5nm son las más intensas. Mientras que los laseres He-Ne emiten en una sola longitud de onda, los laseres de iones emiten en varias longitudes de onda a la vez. No todas las lineas son emitidas simultáneamente en un laser dado, algunas de estas solo están disponibles en laseres con mayor densidad de corriente. Otras competirán por la ganancia. Recubrimientos especiales en los espejos o un prisma en el interior de la cavidad (etalon) pueden ser empleados para obtener una o algunas de estas lineas. Lineas visibles del Argón (ignorando 8 lineas UV y 2 lineas IR): 454.6nm, 457.9nm, 465.8nm, 476.5nm, 488.0nm, 496.5nm, 501.7nm, 514.5nm, 528.7nm. Lineas visibles del Kriptón (ignorando 4 líneas UV y 8 líneas IR): 406.7nm, 413.1nm, 415.4nm, 468.0nm, 476.2nm, 482.5nm, 520.8nm, 530.9nm, 568.2nm, 647.1nm, 676.4nm. Las líneas emitidas son sensibles a la corriente del tubo y presión del gas y entonces el balance de color (intensidad relativa de las varias longitudes de onda) se desfasarán conforme el tubo se calienta y envejece. Tubo para laser de Argón Respecto al funcionamiento del tubo, la corriente del plasma y el haz laser están confinados por discos de metal (tungsteno) insertados a lo largo del núcleo de un tubo de material cerámico (BeO). Este material, termalmente conductor y resistente, es necesario para asegurar una buena conducción térmica del tubo y al mismo tiempo evitar problemas de erosión derivados de la alta temperatura del plasma. El diámetro de los hoyos centrales en los discos es pequeño (~2mm). Otro problema de los laseres de Argón, es el fenómeno de cataforesis. Debido a la alta densidad de corriente, hay una gran migración de iones Ar hacia el cátodo, donde son neutralizados al combinarse con electrones emitidos por la superficie del cátodo. Estos átomos neutros tienden a acumularse en este electrodo, provocando una reducción en la presión del Ar, en la descarga capilar, debajo de su valor óptimo. Para compensar este problema, hoyos adicionales son agregados alrededor del centro de los discos para proveer rutas de retorno para los átomos del cátodo al ánodo, por difusión. Los hoyos son distribuidos para que no haya

4 flujos de corriente a lo largo de estas trayectorias ya que las longitudes involucradas son mayores comparadas con la trayectoria a través de los hoyos centrales. El tubo cerámico interno es enfriado por agua para remover la gran cantidad de calor que es disipada en el tubo. Un campo magnético estático es aplicado a la región de descarga, paralelo al eje del tubo, por un solenoide. Con este arreglo, la fuerza de Lorente hace que los electrones giren alrededor del eje del tubo, reduciendo la razón de difusión de electrones hacia las paredes. Esto incrementa el número de electrones libres en el centro del tubo, incrementando la razón de bombeo. Esto justifica el aumento en la potencia de salida cuando un campo magnético es aplicado. El confinamiento de cargas hacia el centro del tubo hace que el campo magnético ayude a atenuar los daños a las paredes del tubo. Es notoria que para laseres de alta potencia los espejos son montados externamente a la cavidad para disminuir el daño a las películas de estos debidos a la intensa radiación vuv emitida por el plasma. Para laseres de baja potencia (<1W), el tubo laser está hecho simplemente de un bloque de material cerámico (BeO) provisto de un hoyo central para la corriente de descarga. En este caso, no hay campo magnético aplicado, el tubo es enfriado por aire, y los espejos son sellados directamente a los extremos del tubo. Dependencia de la potencia de salida con la corriente del tubo La potencia se incrementa aproximadamente con el cuadrado de la densidad de corriente. En la figura se muestra la curva de potencia de salida contra corriente para un laser de Ar en operación multilínea a varias presiones del gas. La pendiente de la curva varía un poco con la presión, pero en todos los casos un pequeño incremento de corriente produce un incremento significativo en la potencia de salida.

5 CAVIDADES OPTICAS DE LASERES DE IONES Muchos laseres de iones emplean cavidades óptica hemisféricas. Un laser de argón típico tiene una cavidad de alrededor de 1.25m. El espejo es plano, y el radio de curvatura del acoplador de salida es de 4 o 5 metros. Selector de longitudes de onda APLICACIONES 1.Industria: Corte, procesos de evaluación, foto-deposición, metrología, pruebas holográficas, fotolitografía, modelamiento 3d. 2.Procesamiento de información: Reconocimiento óptico de caracteres, procesamiento de señales, impresión laser, scaneo, generación de caracteres, scaneo de código de barras, separación de imagen, almacenaje óptico de información en CD, lectura de discos ópticos. 3.Militar: Velocimetría, sistemas de vuelo, censores de fibra óptica. 4.Otros: Detección de huellas digitales, entretenimiento, medicina forense, investigación, espectroscopia, artes gráficas, análisis de combustión, holografía, interferometría. REFERENCIAS Principles of lasers Fourth edition Orazio Svelto Manual de ion laser