fbpx
Wikipedia

Láser de dióxido de carbono

El láser de dióxido de carbono (láser de CO2) es uno de los más antiguos láseres de gas desarrollado por Kumar Patel en los Laboratorios Bell en 1964,[1][2]​ y todavía tiene hoy en día un gran número de aplicaciones.

Esquema principal de un láser de (CO2).

Los láseres de dióxido de carbono en modo continuo tienen un gran poder y son fácilmente accesibles. También son muy eficaces; la ratio potencia de bombeo (el poder de excitación) vs potencia de salida alcanza el 20%.

Los láseres de CO2 emiten en IR, su banda de longitud de onda principal está comprendida entre 9,4 y 10,6 μm (micras).

Elementos básicos de un láser

 
Ejemplo de dispositivo de emisión láser típico:
1. Medio activo con ganancia óptica
2. Energía de bombeo para el láser
3. Espejo de alta reflectancia
4. Espejo de acoplamiento o salida
5. Emisión del haz láser

Un láser típico consta de tres elementos básicos de operación. Una cavidad óptica resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es de alta reflectancia (cercana al 100%) y otro conocido como acoplador, que tiene una reflectancia menor y que permite la salida de la radiación láser de la cavidad. Dentro de esta cavidad resonante se sitúa un medio activo con ganancia óptica, que puede ser sólido, líquido o gaseoso (habitualmente el gas se encontrará en estado de plasma parcialmente ionizado) que es el encargado de amplificar la luz. Para poder amplificar la luz, este medio activo necesita un cierto aporte de energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de luz (bombeo óptico) o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico)adicionamiento usa a emisión estimulada para desencadenar una avalancha de fotones coherentes.

Amplificación

El medio amplificador es un gas - refrigerado por un circuito de agua en el caso de grandes potencias - en el que se produce una descarga eléctrica. El gas usado en el tubo de descarga está formado por:

Las proporciones varían en función del tipo o tipos de láseres que se requieren.

La inversión de población en el láser se realiza según la siguiente secuencia:

  1. la colisión con un electrón induce un estado excitado vibratorio en el nitrógeno. Como el nitrógeno es una molécula homonuclear[3]​ no pierde su energía por la emisión de un fotón y por lo tanto sus niveles de excitación vibratoria son metaestables y tienen un gran periodo de vida;
  2. la transferencia de la energía de colisión entre el nitrógeno y el dióxido de carbono induce una excitación vibratoria del dióxido de carbono con la suficiente energía para impulsar la inversión de población deseada para el funcionamiento del láser;
  3. las moléculas permanecen en un estado excitado inferior. El retorno a su estado fundamental se hace mediante las colisiones con los átomos de helio frío. Los átomos de helio excitado por el choque deben ser enfriado para mantener su capacidad de producir una inversión de población de las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres de ampolla sellada, la refrigeración se realiza por intercambio de calor cuando los átomos de helio rebotan en la pared fría de la ampolla. En el caso de láser de flujo, un flujo continuo de CO2 y N 2 es excitada por la descarga y la mezcla de gas caliente es evacuada a continuación por una bomba.

Tecnología

Dado que los láseres de CO2 emiten en el infrarrojo, su fabricación requiere de materiales específicos. Tradicionalmente, los espejos son de tipo multicapa fabricados en silicio, en molibdeno o en oro. Las ventanas y las lentes son de germanio o seleniuro de zinc. Para potencias superiores se prefieren espejos de oro y las ventanas de seleniuro de zinc. Se pueden incluso encontrar ventanas y espejos de diamante. Las ventanas de diamante son muy caras, pero su buena conductividad térmica asociada a su dureza los hace muy valiosos cuando se necesita alta potencia o en ambientes muy sucios. Los elementos ópticos de diamante incluso puede ser lijados, sin alterar sus propiedades ópticas. En su origen las ventanas y los espejos se fabricaban de sal, cloruro de sodio (NaCl) o cloruro de potasio (KCl). Aunque estos materiales son muy baratos, se abandonó su empleo debido a su alta sensibilidad a la humedad.

El tipo más simple de láser de CO2 es un tubo de descarga cerrada, con una mezcla de gases como se describió anteriormente, con un espejo al 100% en un lado y un semi-espejo transparente recubierto de seleniuro de zinc en la salida lateral. La reflectividad del espejo de salida es de 5 a 15%.

Los láseres de CO2 suministran potencias que van desde varios milivatios (mW) a varios cientos de kilovatios (kW). El láser de CO2 puede ser fácilmente conmutado (Q-switching),[4]​ utilizando un espejo giratorio o con un conmutador opto-electrónico dando lugar a una potencia máxima de hasta GW.

Las transiciones se hacen en realidad en las bandas de vibración y rotación molecular de una molécula lineal triatómica, se puede seleccionar la estructura de rotación de las bandas Ku y R con la ayuda de un sistema de afinación en la cavidad óptica. Ya que los materiales transparentes en el infrarrojo causa importantes pérdidas, se utilizan casi siempre como un sistema de afino de la frecuencia de red de difracción. Al girar la red se puede aislar una línea espectral rotativa particular de las transiciones electrónicas. También se puede usar un interferómetro Fabry-Pérot y así obtener una línea muy fina. En la práctica esto significa que un continuo de líneas espectroscópicas separadas por alrededor de 1 cm-1 (30 GHz), junto con la sustitución isotópica, puede ser utilizado en una superficie de entre 880 à 1090 cm-1. Esta capacidad de los láseres de CO2 de poder alinearse se utiliza principalmente en la investigación.


Tipos

Existen diversos tipos de láser de dióxido de carbonoː

  • Láser de tubo selladoː en este caso, el orificio del láser se halla en un tubo sellado.
  • Láser de placas refrigeradasː el dióxido de carbono se encuentra entre un par de electrodos, por lo que tiene una mayor cantidad de kW de salida y más potencia.
  • Láser de flujo axialː este tipo de láser tiene una potencia de onda continua y no se recalienta.
  • Láser TEAː este láser tiene una presión de gas muy alta, aunque por debajo de los 100w.[5]

Aplicaciones

 
Un objetivo experimental es vaporizado y luego quemado por un láser de dióxido de carbono de una potencia de unas pocas decenas de kilovatios.
 
Un láser de dióxido de carbono para uso médico.

Dado la alta potencia combinada con un coste razonable, los láseres de CO2 se utilizan comúnmente en la industria para el corte y la soldadura, y, con menos potencia, para el grabado. También se utilizan en cirugía porque trabajan en una longitud de onda muy bien absorbida por el agua, y por lo tanto por los tejidos vivos (cirugía láser, alisando la piel, ritidectomía - que es esencialmente quemar en la piel para estimular la formación de colágeno - y en la dermoabrasión).

Como la atmósfera terrestre es particularmente transparente al infrarrojo, los láser de CO2 también se utilizan para fines militares (telemetría), usando técnicas de LIDAR.

Notas

  1. (en inglés)Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO2, dans Physical Review, vol. 136, N ó 5A, 1964, p. A1187–A1193.
  2. (en inglés) La publication de C. Kumar N. Patel dans Physical Review.
  3. Decimos que una molécula diatómica homonuclear se compone de dos átomos del mismo elemento.
  4. El Q-switching es una técnica mediante la cual un láser puede producir un haz de impulsos. Con esta técnica hemos conseguido unas potencias de pico muy altoas en el orden de gigavatios, es decir, mucho más que si el mismo láser funcionase en onda continua.
  5. «Capacidades del láser CO2». 

Véase también

Enlaces externos

  •   Datos: Q1362150

láser, dióxido, carbono, láser, dióxido, carbono, láser, más, antiguos, láseres, desarrollado, kumar, patel, laboratorios, bell, 1964, todavía, tiene, día, gran, número, aplicaciones, esquema, principal, láser, láseres, dióxido, carbono, modo, continuo, tienen. El laser de dioxido de carbono laser de CO2 es uno de los mas antiguos laseres de gas desarrollado por Kumar Patel en los Laboratorios Bell en 1964 1 2 y todavia tiene hoy en dia un gran numero de aplicaciones Esquema principal de un laser de CO2 Los laseres de dioxido de carbono en modo continuo tienen un gran poder y son facilmente accesibles Tambien son muy eficaces la ratio potencia de bombeo el poder de excitacion vs potencia de salida alcanza el 20 Los laseres de CO2 emiten en IR su banda de longitud de onda principal esta comprendida entre 9 4 y 10 6 mm micras Indice 1 Elementos basicos de un laser 2 Amplificacion 3 Tecnologia 4 Tipos 5 Aplicaciones 6 Notas 7 Vease tambien 8 Enlaces externosElementos basicos de un laser Editar Ejemplo de dispositivo de emision laser tipico 1 Medio activo con ganancia optica2 Energia de bombeo para el laser3 Espejo de alta reflectancia4 Espejo de acoplamiento o salida5 Emision del haz laser Un laser tipico consta de tres elementos basicos de operacion Una cavidad optica resonante en la que la luz puede circular que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es de alta reflectancia cercana al 100 y otro conocido como acoplador que tiene una reflectancia menor y que permite la salida de la radiacion laser de la cavidad Dentro de esta cavidad resonante se situa un medio activo con ganancia optica que puede ser solido liquido o gaseoso habitualmente el gas se encontrara en estado de plasma parcialmente ionizado que es el encargado de amplificar la luz Para poder amplificar la luz este medio activo necesita un cierto aporte de energia llamada comunmente bombeo Este bombeo es generalmente un haz de luz bombeo optico o una corriente electrica bombeo electrico adicionamiento usa a emision estimulada para desencadenar una avalancha de fotones coherentes Amplificacion EditarEl medio amplificador es un gas refrigerado por un circuito de agua en el caso de grandes potencias en el que se produce una descarga electrica El gas usado en el tubo de descarga esta formado por Dioxido de carbono CO2 de 10 a 20 Nitrogeno N2 de 10 a 20 Hidrogeno H2 y o Xenon Xe un pequeno porcentaje por lo general en un tubo cerrado Helio He en cantidad suficiente para completar Las proporciones varian en funcion del tipo o tipos de laseres que se requieren La inversion de poblacion en el laser se realiza segun la siguiente secuencia la colision con un electron induce un estado excitado vibratorio en el nitrogeno Como el nitrogeno es una molecula homonuclear 3 no pierde su energia por la emision de un foton y por lo tanto sus niveles de excitacion vibratoria son metaestables y tienen un gran periodo de vida la transferencia de la energia de colision entre el nitrogeno y el dioxido de carbono induce una excitacion vibratoria del dioxido de carbono con la suficiente energia para impulsar la inversion de poblacion deseada para el funcionamiento del laser las moleculas permanecen en un estado excitado inferior El retorno a su estado fundamental se hace mediante las colisiones con los atomos de helio frio Los atomos de helio excitado por el choque deben ser enfriado para mantener su capacidad de producir una inversion de poblacion de las moleculas de dioxido de carbono En los laseres de ampolla sellada la refrigeracion se realiza por intercambio de calor cuando los atomos de helio rebotan en la pared fria de la ampolla En el caso de laser de flujo un flujo continuo de CO2 y N 2 es excitada por la descarga y la mezcla de gas caliente es evacuada a continuacion por una bomba Tecnologia EditarDado que los laseres de CO2 emiten en el infrarrojo su fabricacion requiere de materiales especificos Tradicionalmente los espejos son de tipo multicapa fabricados en silicio en molibdeno o en oro Las ventanas y las lentes son de germanio o seleniuro de zinc Para potencias superiores se prefieren espejos de oro y las ventanas de seleniuro de zinc Se pueden incluso encontrar ventanas y espejos de diamante Las ventanas de diamante son muy caras pero su buena conductividad termica asociada a su dureza los hace muy valiosos cuando se necesita alta potencia o en ambientes muy sucios Los elementos opticos de diamante incluso puede ser lijados sin alterar sus propiedades opticas En su origen las ventanas y los espejos se fabricaban de sal cloruro de sodio NaCl o cloruro de potasio KCl Aunque estos materiales son muy baratos se abandono su empleo debido a su alta sensibilidad a la humedad El tipo mas simple de laser de CO2 es un tubo de descarga cerrada con una mezcla de gases como se describio anteriormente con un espejo al 100 en un lado y un semi espejo transparente recubierto de seleniuro de zinc en la salida lateral La reflectividad del espejo de salida es de 5 a 15 Los laseres de CO2 suministran potencias que van desde varios milivatios mW a varios cientos de kilovatios kW El laser de CO2 puede ser facilmente conmutado Q switching 4 utilizando un espejo giratorio o con un conmutador opto electronico dando lugar a una potencia maxima de hasta GW Las transiciones se hacen en realidad en las bandas de vibracion y rotacion molecular de una molecula lineal triatomica se puede seleccionar la estructura de rotacion de las bandas Ku y R con la ayuda de un sistema de afinacion en la cavidad optica Ya que los materiales transparentes en el infrarrojo causa importantes perdidas se utilizan casi siempre como un sistema de afino de la frecuencia de red de difraccion Al girar la red se puede aislar una linea espectral rotativa particular de las transiciones electronicas Tambien se puede usar un interferometro Fabry Perot y asi obtener una linea muy fina En la practica esto significa que un continuo de lineas espectroscopicas separadas por alrededor de 1 cm 1 30 GHz junto con la sustitucion isotopica puede ser utilizado en una superficie de entre 880 a 1090 cm 1 Esta capacidad de los laseres de CO2 de poder alinearse se utiliza principalmente en la investigacion Tipos EditarExisten diversos tipos de laser de dioxido de carbonoː Laser de tubo selladoː en este caso el orificio del laser se halla en un tubo sellado Laser de placas refrigeradasː el dioxido de carbono se encuentra entre un par de electrodos por lo que tiene una mayor cantidad de kW de salida y mas potencia Laser de flujo axialː este tipo de laser tiene una potencia de onda continua y no se recalienta Laser TEAː este laser tiene una presion de gas muy alta aunque por debajo de los 100w 5 Aplicaciones Editar Un objetivo experimental es vaporizado y luego quemado por un laser de dioxido de carbono de una potencia de unas pocas decenas de kilovatios Un laser de dioxido de carbono para uso medico Dado la alta potencia combinada con un coste razonable los laseres de CO2 se utilizan comunmente en la industria para el corte y la soldadura y con menos potencia para el grabado Tambien se utilizan en cirugia porque trabajan en una longitud de onda muy bien absorbida por el agua y por lo tanto por los tejidos vivos cirugia laser alisando la piel ritidectomia que es esencialmente quemar en la piel para estimular la formacion de colageno y en la dermoabrasion Como la atmosfera terrestre es particularmente transparente al infrarrojo los laser de CO2 tambien se utilizan para fines militares telemetria usando tecnicas de LIDAR Notas Editar en ingles Continuous Wave Laser Action on Vibrational Rotational Transitions of CO2 dans Physical Review vol 136 N o 5A 1964 p A1187 A1193 en ingles La publication de C Kumar N Patel dans Physical Review Decimos que una molecula diatomica homonuclear se compone de dos atomos del mismo elemento El Q switching es una tecnica mediante la cual un laser puede producir un haz de impulsos Con esta tecnica hemos conseguido unas potencias de pico muy altoas en el orden de gigavatios es decir mucho mas que si el mismo laser funcionase en onda continua Capacidades del laser CO2 Vease tambien EditarLaserEnlaces externos EditarEsta obra contiene una traduccion derivada de Laser au dioxyde de carbone de la Wikipedia en frances publicada por sus editores bajo la Licencia de documentacion libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribucion CompartirIgual 3 0 Unported en ingles Fabriquer soi meme son laser CO2 Datos Q1362150Obtenido de https es wikipedia org w index php title Laser de dioxido de carbono amp oldid 134352381, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

español

, española, descargar, gratis, descargar gratis, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, imagen, música, canción, película, libro, juego, juegos