Láser de Dióxido de Carbono (CO2) La vibración de una molécula de (CO2) puede modelarse por dos masas conectadas por un resorte O C Energia potencial =V(x)=1/2kx² x Una molécula de CO2 en estado gaseoso, es libre de vibrar y rodar. Las transiciones entre los niveles de energía vibratorios emiten los fotones con las longitudes de onda en la región infrarroja, mientras las transiciones entre los niveles de energía rotatorios emiten los fotones en la región de microonda. Específicamente, el CO2 emite fotones con longitud de onda de 10.6um y 9.6um.

es la frecuencia de osilacion y mr es la masa reducida del sistema. Una molécula deCO2 puede sufrir tres tipos de vibraciones independientes Cada uno de estos modos normales de vibración para la molécula de CO2 es asociado con una frecuencia característica de vibración (w) y un nivele de energía fijo: Donde: es la frecuencia de osilacion y mr es la masa reducida del sistema.

es la frecuencia de osilacion y mr es la masa reducida del sistema. Una molécula deCO2 puede sufrir tres tipos de vibraciones independientes Cada uno de estos modos normales de vibración para la molécula de CO2 es asociado con una frecuencia característica de vibración (w) y un nivele de energía fijo: Donde: es la frecuencia de osilacion y mr es la masa reducida del sistema.

Donde j es el numero quántico rotacional Cuando la molecula rueda sobre su centro de masa (el átomo de carbono) tiene una energía cinética que es una función de su momento de inercia ,entonces los niveles de energía rotatorios se aproxima por:   EJ = hcBJ(J+1),   J = 0, 1, 2, 3, ...    Donde j es el numero quántico rotacional B es la constante rotacional del  CO2  B=0.39cm-1       Una molécula en un modo vibracional particular también puede estar en uno de varios estados rotatorios. Estos estados rotatorios tienen una degeneración (2J+1) y difiere por la energía: Donde f es el momento de inercia las moléculas en un estado vibracional y un estado rotatorio particular sólo pueden hacer la transición a otro estado rotatorio si el cambio en J es +1 o -1.

Asi que nosotros debemos distinguir dos tipos de por ejemplo, una molecula en el modo vibratorio (001) y en el estado rotatorio J(7) solo puede tener una transición al modo (100) y estado rotatorio J(6) Si la diferencia de energía entre el estado 001(J=7) y el estado 100(J=6) es E0, entonces la energía de esta transición sera: Asi que nosotros debemos distinguir dos tipos de transiciónes, aquellas que coresponden a un cambio de –1 en J que pertenecen a la rama R y la transición que coresponde a un cambio de +1 en J que pertenece a la rama P

Transiciones en el láser de CO2 En un láser de CO2 las transiciones láser se producen cuando la molécula va desde el nivel de energía más alto del modo asimétrico hasta uno de los otros dos, como puede verse en la figura *A la transición al modo de tensión simétrico le corresponde una longitud de onda de 10.6 u m. *A la transición al modo de flexión le corresponde una longitud de onda de 9.6 um. Cada nivel de energía vibracional se subdivide en muchos niveles rotacionales. Pueden ocurrir transiciones entre niveles de energía vibracional con diferentes niveles rotacionales, por ello hay muchas líneas láser alrededor de las transiciones vibracionales principales.

La poblacion de varios niveles de energia pueden descrivirse por la distribucion de Boltzmann: N(J)=g(J) e-E/kT         Donde el g(J) es la degeneración del nivel J T es la temperatura (°K), k es la constante de Boltzmann, y E es la energía rotatoria.       La densidad de la población aumenta debido al factor de degeneración, pero eventualmente disminuyen debido al factor exponencial; las pocas moléculas poseen la energía para habitar los niveles de energía superiores.

La plasma del láser de CO2 contiene He, CO2, y N2. Funcionamiento del láser de CO2 La plasma del láser de CO2 contiene He, CO2, y N2. Cuando los electrones acelerados por el campo eléctrico chocan con las moléculas de N2 los excitan a sus niveles del vibración más bajos. Las moléculas de nitrógeno facilitan el proceso de excitación de las moléculas CO2 . El primer nivel de energía vibracional de la molécula de Nitrógeno es muy similar al modo de tensión asimétrico de la molécula de CO2 de modo que la energía puede transferirse fácilmente desde las moléculas de Nitrógeno excitadas hasta las moléculas de CO2 . Las moléculas de Helio se añaden a la mezcla gaseosa para : Despoblar el nivel de energía láser más bajo y para mantener la inversión de población. Estabilizar la descarga eléctrica disipando calor de la zona de acción láser. por ejemplo una mezcla de CO2/N2/H2 en proporciones de 1:2:3 respectivamente y a 10 atm producen :   moléculas capaces de producir fhotones de 10.6um y podemos extraer un poder de 0.838 J/cm³

Tipos de Láseres de CO 2 :  Láseres de flujo de gas CO2 :En estos láseres una nueva mezcla de gas está fluyendo continuamente a través del tubo láser mientras se produce la acción láser. El flujo de gas se utiliza cuando se requiere la máxima potencia de salida del láser de CO2 . Láser de CO2 sellado : El tubo láser se llena con la mezcla apropiada de gases y es entonces sellado. Se aplica un alto voltaje entre los electrodos situados a ambos extremos del tubo de gas. Los electrones acelerados excitan a las moléculas de gas. El problema con los láseres sellados es la disociación de las moléculas de CO2 en CO y oxígeno al mismo tiempo. Para reducir este efecto, se añade a la mezcla de gases un agente catalítico Láser de CO2 en una guíaondas :Cuando el diámetro del tubo se reduce a un tamaño de alrededor de 1 milímetro, éste se convierte en una guíaondas. La radiación dentro de un tubo de pequeño diámetro está confinada a moverse a lo largo del tubo, con bajas pérdidas. Estos pequeños láseres de CO2 pueden producir hasta 50 watios de radiación contínua.

Láseres de flujo transversal de gas CO2 Cuando el flujo de gas en el láser es perpendicular al eje del láser, es posible mantener un flujo mucho mayor debido a que la distancia es muy corta. Ya que el enfriamiento por el flujo de gas es muy eficiente , es posible obtener una alta potencia de salida en estos láseres. Tanto el flujo de gas como la descarga eléctrica se producen a lo largo de la anchura del láser. Entonces, la distancia entre los electrodos es pequeña, de modo que la descarga eléctrica puede conseguirse incluso para gas a alta presión (por encima de unas pocas atmósferas). El flujo transversal se usa para láseres de CO2 de muy alta potencia. Láseres en la Naturaleza :Cerca de nubes de gases calientes de las estrellas pueden producirse láseres naturales. La luz procedente de las estrellas provoca la excitación de las moléculas de gas a niveles altos, y las moléculas decaen entonces a estados metaestables. Si existe un nivel de energía bajo adecuado, se produce una inversión de población, y como resultado de esto, se produce la acción láser.