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LASERES DE IONES
AREA: OPTICA
ESTUDIANTE: REYLE MAR SARAO
CATEDRATICO: DR. CARLOS TREVIÑO
PALACIOS
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En un laser de iones la escala de niveles de energia 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 categorias:
Iones gaseasos, 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 se considerarán
en este trabajo.
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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 3p5 al estado 4s
o 4p. Como una consecuencia de la
interacción con los otros electrones 3p4,
ambos niveles 4s y 4p, indicados como
niveles únicos en la figura, actualmente
consisten de varios subniveles.
3
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+.
La segunda colisión excita al Ar+.
2.
4
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
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
decamimientos radiativo al estado 4p;
3. Excitación a estados metaestables seguidos por una tercera
colisión, conduciendo la excitación a un estado 4p.
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NIVELES DE ENERGIA INVOLUCRADOS EN EL LASER DE ARGON
6
La razón de excitación del estado superior, (dn2/dt)p tiene la forma:
 dN 2 

 ,  N 2 Ni 
 dt  p
N
2
e
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  evdrift N e .
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, el laser Ar
oscila sobre varias.
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Otros laseres de iones

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.
 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.
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Mientras que los laseres He-Ne emiten en una sola longitud de onda, los
laseres de iones emiten en varias longitude de onda a la vez. No todas las
lineas son emitidas simultaneamente en un laser dado, algunas de estas solo
están disponibles en laseres con mayor densidad de corriente. Otras
competiran 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.
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LASERES DE LUZ BLANCA

La mezcla de Ar/Kr da lugar a lo que
se denomina “laser de luz blanca”,
término que hace referencia a la
capacidad de mezclar conjuntos de
longitudes de onda en el rojo, verde
y azul en proporciones adecuadas
para “simular” el efecto de una
fuente de luz blanca en despliegue
completo de colores y shows laser, y
para algunas aplicaciones en
espectroscopia. Las longitudes de
onda individuales son coherentes
pero no una con otra.

Muchos laseres de luz blanca en
formato enfriado por aire están
diseñados para usar una proporción
de 60:20:20 de rojo, verde y azul
respectivamente.
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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
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.
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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.
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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
6 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.
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Dependencia de la potencia de
salida con el campo magnético

La figura 7 muestra las variaciones
en la potencia de salida para el laser
de Ar en sus dos líneas más
intensas cuando el campo
magnético es variado. La aplicación
del campo magnético da lugar a que
los niveles de energía se partan en
niveles cercanamente espaciados, lo
que se conoce como efecto
Zeeman, que es proporcional a la
intensidad de campo magnético. En
el laser de Ar el campo magnético
provoca un ensanchamiento de la
curva de ganancia que es
proporcional a la intensidad del
campo magnético aplicado. Después
de algunos kilogauss, la curva de
ganancia llega a ser tan ancha y
plana que la potencia de salida y las
líneas espectrales empiezan a
disminuir. Cada línea del laser tiene
una intensidad de campo magnético
óptima.
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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 HR es plano, y el radio de curvatura
del acoplador de salida es de 4 o 5 metros.
Transmitancias
para espejos
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Selector de longitudes de onda
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APLICACIONES
1.
2.
3.
4.
Industria: Corte, procesos de evaluación, fotodeposición, micro- maquinado, metrología, pruebas
holográficas, fotolitografía, modelamiento 3d.
Procesamiento de información: Reconocimiento óptico
de caracteres, procesamiento de señales, facsímile,
despliegue, impresión laser, scaneo, color, generación
de caracteres, scaneo de código de barras, separación
de imagen, almacenaje óptico de información en CD,
lectura de discos ópticos.
Militar: Velocimetría, sistemas de vuelo, sensores de
fibra óptica.
Otros: Detección de huellas digitales, entretenimiento,
medicina forense, investigación, espectroscopia, artes
gráficas, análisis de combustión, holografía,
interferometría.
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REFERENCIAS
Principles of lasers
Fourth edition
Orazio Svelto
Translated by David C. Hanna
Plenum Press, New York and London
http://www.dewtronics.com/tutorials/lasers/leot/course03_mod06/m
od03-06.html
http://www.dewtronics.com/tutorials/lasers/leot/course03_mod07/m
od03-07.html
http://www.dewtronics.com/tutorials/lasers/leot/course04_mod03/m
od04-03.html
http://stwi.weizmann.ac.il/Lasers/laserweb/Types/Type_frm.htm
http://repairfaq.cis.upenn.edu/sam/laserfaq.htm#faqtoc
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