láser de dióxido de carbono
El láser de dióxido de carbono ( láser de CO 2 ) fue uno de los primeros láseres de gas que se desarrolló. Fue inventado por Kumar Patel de Bell Labs en 1964 [1] y sigue siendo uno de los tipos de láser más útiles. Los láseres de dióxido de carbono son los láseres de onda continua de mayor potencia disponibles en la actualidad. También son bastante eficientes: la relación entre la potencia de salida y la potencia de bombeo puede llegar al 20 %. El láser de CO 2 produce un haz de luz infrarroja con las principales bandas de longitud de onda centradas en 9,6 y 10,6 micrómetros (μm).
El medio láser activo (medio de ganancia/ amplificación láser ) es una descarga de gas que se enfría con aire o agua, según la potencia que se aplique. El gas de llenado dentro de un tubo de descarga sellado consta de alrededor de 10 a 20% de dióxido de carbono ( CO
2), alrededor de 10-20% de nitrógeno ( N
2), un pequeño porcentaje de hidrógeno ( H
2) y/o xenón (Xe), y el resto es helio (He). [ cita requerida ] Se usa una mezcla diferente en un láser de flujo continuo, donde el CO
2se bombea continuamente a través de él. Las proporciones específicas varían según el láser en particular.
La inversión de población en el láser se logra mediante la siguiente secuencia: el impacto de un electrón excita los modos de vibración cuántica {v1(1)} del nitrógeno. Debido a que el nitrógeno es una molécula homonuclear , no puede perder esta energía mediante la emisión de fotones y, por lo tanto, sus modos vibratorios excitados son metaestables y relativamente duraderos. norte
2{v1(1)} y CO
2{v3(1)} siendo casi perfectamente resonante (el diferencial de energía molecular total está dentro de los 3 cm −1 cuando se tiene en cuenta N
2anarmonía, distorsión centrífuga e interacción vibro-rotacional, que está más que compensada por la distribución de velocidad de Maxwell de la energía en modo de traslación), N
2se desexcita por colisión transfiriendo su energía de modo vibracional a la molécula de CO 2 , lo que hace que el dióxido de carbono se excite a su estado cuántico de modo vibratorio {v3(1)} (estiramiento asimétrico). el CO
2luego emite radiativamente a 10,6 μm [i] cayendo al modo vibracional {v1(1)} (estiramiento simétrico), o 9,6 μm [i] cayendo al modo vibratorio {v20(2)} (flexión). Las moléculas de dióxido de carbono luego hacen la transición a su estado fundamental de modo vibracional {v20 (0)} desde {v1 (1)} o {v20 (2)} por colisión con átomos de helio fríos, manteniendo así la inversión de población. Los átomos de helio calientes resultantes deben enfriarse para mantener la capacidad de producir una inversión de población en las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres sellados, esto ocurre cuando los átomos de helio golpean las paredes del tubo de descarga del láser. En los láseres de flujo continuo, una corriente continua de CO 2y el nitrógeno es excitado por la descarga de plasma y las bombas expulsan la mezcla de gas caliente del resonador.
Debido a que la energía de excitación de los estados cuánticos de modo vibracional y rotacional molecular es baja, los fotones emitidos debido a la transición entre estos estados cuánticos tienen una energía comparativamente más baja y una longitud de onda más larga que la luz visible y la luz infrarroja cercana. La longitud de onda de 9 a 12 μm de los láseres de CO 2 es útil porque cae en una ventana importante para la transmisión atmosférica (hasta un 80 % de transmisión atmosférica en esta longitud de onda) y porque muchos materiales naturales y sintéticos tienen una fuerte característica de absorción en este rango. [2]
La longitud de onda del láser se puede ajustar alterando la relación isotópica de los átomos de carbono y oxígeno que componen el CO
2moléculas en el tubo de descarga.
