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 en varias longitudes de onda desde el IR hasta el UV Emite alrededor 1 a 20 W distribuidos entre todas las longitudes de onda emitidas Las dos principales transiciones del láser están en el visible: Azul (488 μm) Verde (514.5 μm)

Características para su construcción 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.

Láser de Argón continuo 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.

Mecanismos de Excitación 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.  Una teoria que mejor explica este fenómeno es la teoría de los cuatro niveles del Argón

Teoría de los 4 niveles del Argón 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.

Transiciones para el láser de Argón Líneas de Emisión Niveles entre los que se produce la transición Longitud de onda en Å Nivel de energía superior Nivel de energía inferior   3577 4 d4 F 7/2 4 p4 D 5/2 4579 4 p2 S0 1/2 4 S2 P 1/2 4658 4 p2 P0 1/2 4 S2 P 3/2 4765 4 p2 P0 3/2 4880 4 p2 D0 5/2 4889 4965 4 p2 D0 3/2 5017 4 p2 F0 5/2 3 d2 D 3/2 5145 4 p4 D0 5/2 4 S2 D 3/2 5287 4 p4 D0 3/2

Emisión del láser de Argón Transiciones en el Argón Emisión del láser de Argón

Niveles entre las cuales hay transición Densidades de corriente umbral Longitud de onda en Å Niveles entre las cuales hay transición Densidades de corriente umbral   Con prisma Sin prisma 4545 4 p2 P0 3/2 4s2 P3/2 276 7395 201 4579 4 p2 S0 1/2 4s2 P1/2 137 176 4658 4 p2 P 1/2 4s2 P3/2 181 329 177 4727 4 p2 D0 1/2 4s2 P3/2 168 4765 4 p2 P0 3/2 4s2 P1/2 100 123 4880 4 p2 D0 3/2 4s2 P3/2 38 30 4965 4 p2 D 3/2 4s2 P3/2 105 143 5017 4 p2 F0 5/2 3d2 D3/2 158 193 5145 4 p4 D 5/2 4s2 P3/2 95 152 5287 4 p4 D0 3/2 4s2 P1/2 263 Alta

Potencia del Láser 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:

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 5mm Duración del pulso de corriente 3 μs Presión del Argón 10 μHg Potencia de salida en función de la densidad de corriente y duración del pulso

Potencia de salida en función de la densidad de corriente del pulso Tubo de láser de 1m x 5mm Longitud de onda 488 nm Presión del Argón 10 μHg Tr duración del pulso de corriente en μs Te 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

Potencia de salida en función de la presión Tubo de láser de 2m x 6mm de diámetro interno Longitud de onda 488.9 nm Duración del pulso de corriente 2 μs Potencia de salida en función de la presión

Tubo de láser de 2m x 9mm de diámetro interno Presión del Argón 12 μHg Densidad 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 Láser Una 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