Un láser TEA es un láser de gas energizado por una descarga eléctrica de alto voltaje en una mezcla de gas generalmente a la presión atmosférica o por encima de ella . Los tipos más comunes son los láseres de dióxido de carbono y los láseres excímeros , ambos ampliamente utilizados en la industria y la investigación; menos comunes son los láseres de nitrógeno . El acrónimo "TEA" significa Transversely Excited Atmospheric (Atmosférico excitado transversalmente).
Historia
Invención
El láser TEA de dióxido de carbono (CO 2 ) fue inventado a fines de la década de 1960 por Jacques Beaulieu, que trabajaba en el Departamento de Investigación y Desarrollo de Defensa de Canadá en Valcartier en Quebec , Canadá . El desarrollo se mantuvo en secreto hasta 1970, cuando se publicaron breves detalles.
En 1963, C. Kumar N. Patel , que trabajaba en Bell Telephone Laboratories , demostró por primera vez la salida de láser a 10,6 µm de una descarga de gas CO 2 excitado por RF a baja presión . Con la adición de nitrógeno y helio y utilizando una descarga eléctrica de CC , se lograron potencias CW de alrededor de 100 W. Pulsando la descarga utilizando voltajes más altos, o conmutando Q utilizando un espejo giratorio, se podrían obtener potencias de pulso de unos pocos kilovatios como límite práctico.
Los picos de potencia más altos solo se pueden lograr aumentando la densidad de las moléculas de CO 2 excitadas . La capacidad de energía almacenada por unidad de volumen de gas aumenta linealmente con la densidad y, por lo tanto, con la presión del gas, pero el voltaje necesario para lograr la descomposición del gas y acoplar la energía en los niveles superiores del láser aumenta al mismo ritmo. La solución práctica para evitar voltajes muy altos fue pulsar el voltaje transversalmente al eje óptico (en lugar de longitudinalmente como era el caso de los láseres de baja presión), limitando la distancia de ruptura a unos pocos centímetros. Esto permitió el uso de voltajes manejables de algunas decenas de kV. El problema era cómo iniciar y estabilizar una descarga luminiscente a estas presiones de gas mucho más altas, sin que la descarga degenerara en un arco brillante de alta corriente, y cómo lograr esto en un volumen útil de gas.
Láser de CO 2 TEA
Beaulieu informó de un láser de CO 2 de presión atmosférica excitado transversalmente . Su solución al problema de la formación del arco fue tener una barra conductora frente a una matriz lineal de pines con una separación de unos pocos centímetros. Los pines se cargaron individualmente con resistencias que obligaban a la descarga de cada pin a un cepillo de baja corriente o descarga luminosa que se extendía hacia la barra. La cavidad del láser sondeó 100-200 de estas descargas en serie proporcionando la ganancia del láser. Un condensador de descarga rápida conmutaba rápidamente a través de los electrodos láser utilizando un espacio de chispas o tiratrón que proporcionaba los pulsos de alto voltaje.
Estos primeros láseres TEA "Pin-Bar", que operan alrededor de un pulso por segundo, fueron fáciles y económicos de construir. Al operar a presión atmosférica, se podrían evitar los complejos sistemas de vacío y manipulación de gases. Podrían producir potencias pico de MW de unos pocos 100 ns de duración capaces de descomponer el aire si se enfocan con una lente de distancia focal corta. Las desventajas fueron la mala simetría de ganancia, la disipación en las resistencias y el tamaño.
Pearson y Lamberton
El primer láser TEA verdadero (sin pin-bar) fue realizado por Pearson y Lamberton trabajando en el Laboratorio de Investigación Electrónica de Servicios MOD del Reino Unido en Baldock. Utilizaron un par de electrodos con perfil de Rogowski separados por uno o dos centímetros. Su diseño de doble descarga [se necesita aclaración ] acopló parte de la energía de descarga a un alambre delgado que corría paralelo y desplazado desde un lado de los electrodos. Esto sirvió para preionizar el gas dando como resultado una descarga luminiscente volumétrica uniforme. De igual importancia para la preionización, era la necesidad de que la descarga fuera muy rápida. Al verter energía en el gas rápidamente, los arcos de alta corriente no tuvieron tiempo de formarse.
Pearson y Lamberton usaron una cámara de racha para verificar la secuencia de eventos. A medida que se elevó el voltaje a través de los electrodos, la emisión de campo del alambre delgado resultó en una descarga de lámina entre él y el ánodo. Dado que la descarga principal posterior comenzó desde el cátodo, se sugirió que la fotoemisión era el mecanismo de iniciación. Posteriormente, otros trabajadores habían demostrado métodos alternativos para lograr la preionización. Estos incluían cables y electrodos dieléctricamente aislados, conjuntos de chispas deslizantes, haces de electrones y clavijas cargadas por impedancia con condensadores.
El láser TEA original de Pearson-Lamberton podía funcionar a alrededor de un pulso por segundo cuando se conmutaba con una descarga de chispas que descargaba un condensador cargado resistivamente desde una fuente de alimentación de CC. Al hacer circular el gas entre los electrodos, que utilizaba la carga del condensador sin pérdidas y reemplazaba el espacio de chispas con un tiratrón, posteriormente se lograron tasas de repetición superiores a mil pulsos por segundo con varios diseños de láser TEA.
Método de doble descarga
El método de doble descarga necesario para iniciar descargas estables de gas a alta presión se puede utilizar tanto por debajo como por encima de la presión atmosférica , y estos dispositivos también pueden denominarse láseres TEA. Los láseres excimer comerciales que operan en el ultravioleta utilizan un régimen de doble descarga muy similar al láser CO 2 TEA. Usando criptón , argón o cloruro de xenón o gas fluoruro tamponado con helio a 2-3 atmósferas de presión, los láseres excimer pueden producir pulsos de megavatios de luz láser ultravioleta.
Descripción de descarga microscópica
En la mayoría de los descargadores de chispas de sobretensión, las avalanchas de electrones se mueven hacia el ánodo. A medida que aumenta el número de electrones, la ley de Coulomb establece que también aumenta la intensidad del campo. El campo fuerte acelera la avalancha. Un tiempo de aumento lento del voltaje permite que los electrones se desvíen hacia el ánodo antes de que puedan generar una avalancha. Las moléculas electrofílicas capturan electrones antes de que puedan generar una avalancha. Los efectos térmicos desestabilizan un electrón de descarga homogéneo y la difusión de iones lo estabiliza.
Aplicaciones
Los láseres TEA CO 2 se utilizan ampliamente para el marcado de productos. Un logotipo, número de serie o fecha de caducidad se marca en una variedad de materiales de empaque pasando la luz láser a través de una máscara que contiene la información y enfocándola a una intensidad que elimina el material a marcar. Además de esto, los láseres TEA CO 2 se utilizan para la preparación de superficies en entornos industriales desde mediados de la década de 1990. Las aplicaciones incluyen:
- El decapado selectivo o completo de pintura, conocido como eliminación selectiva de recubrimientos por láser (SLCR) en el campo del mantenimiento o reparación de aeronaves; este proceso de decapado selectivo fue aprobado en 2001 como el primer proceso de decapado por láser por los OEM y los centros de mantenimiento de aeronaves.
- La activación o limpieza de superficies para pintar y pegar.
- La eliminación de capas de contaminación o de recubrimiento, como preparación para la unión o soldadura.
- Use limpieza libre de moldes y herramientas, por ejemplo, moldes de neumáticos o moldes para producir pieles para piezas interiores de automóviles.
La ventaja de este láser específico es la combinación de la longitud de onda específica del CO 2 , principalmente 10,6 µm, con el alto nivel de energía de los pulsos cortos (~ 2 µs).
Ver también
Referencias
- Patel, CKN (25 de mayo de 1964). "Interpretación de Experimentos Optical Maser COM 2 ". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 12 (21): 588–590. doi : 10.1103 / physrevlett.12.588 . ISSN 0031-9007 .
- Beaulieu, AJ (15 de junio de 1970). " Láseres de CO 2 de presión atmosférica excitados transversalmente ". Letras de Física Aplicada . Publicación AIP. 16 (12): 504–505. doi : 10.1063 / 1.1653083 . ISSN 0003-6951 .
- Pearson, P .; Lamberton, H. (1972). "Láseres de CO2 a presión atmosférica que dan alta energía de salida por unidad de volumen". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). 8 (2): 145-149. doi : 10.1109 / jqe.1972.1076905 . ISSN 0018-9197 .
- Levatter, Jeffrey I .; Lin, Shao ‐ Chi (1980). "Condiciones necesarias para la formación homogénea de descargas de avalanchas pulsadas a altas presiones de gas". Revista de Física Aplicada . Publicación AIP. 51 (1): 210-222. doi : 10.1063 / 1.327412 . ISSN 0021-8979 .
enlaces externos
- Cree su propio láser TEA de potencia media con componentes fáciles de encontrar
- Mini cabezal láser de CO2 TEA que muestra los detalles de la construcción