Láser de helio-neón

Un láser de helio-neón o láser de He-Ne es un tipo de láser de gas cuyo medio de ganancia de medio de alta energía consiste en una mezcla de proporción (entre 5:1 y 20:1) de helio y neón a una presión total de aproximadamente 1 torr dentro de una pequeña descarga eléctrica. El láser de He-Ne más conocido y utilizado funciona a una longitud de onda de 632,8 nm, en la parte roja del espectro visible.

Historia del desarrollo del láser He-Ne

Los primeros láseres de He-Ne emitieron infrarrojos a 1150 nm, y fueron los primeros láseres de gas y los primeros láseres con salida de onda continua. Sin embargo, un láser que funcionara en longitudes de onda visibles tenía mucha más demanda, y se investigaron otras transiciones de neón para identificar aquellas en las que se pueda lograr una inversión de población. Se descubrió que la línea de 633 nm tiene la mayor ganancia en el espectro visible, lo que la convierte en la longitud de onda elegida por la mayoría de los láseres de He-Ne. Sin embargo, son posibles otras longitudes de onda de emisión estimulada visible e infrarroja, y mediante el uso de revestimientos de espejos con su reflectancia máxima en estas otras longitudes de onda; Los láseres He-Ne podrían diseñarse para emplear esas transiciones, incluidos láseres visibles que aparecen en rojo, naranja, amarillo y verde. Las emisiones estimuladas se conocen desde más de 100 μm en el infrarrojo lejano hasta 540 nm en el visible.

Debido a que las transiciones visibles tienen una ganancia algo menor, estos láseres generalmente tienen eficiencias de producción más bajas y son más costosos. La transición de 3,39 μm tiene una ganancia muy alta, pero no se puede utilizar en un láser He-Ne ordinario (de una longitud de onda prevista diferente) porque la cavidad y los espejos tienen pérdidas en esa longitud de onda. Sin embargo, en los láseres de He-Ne de alta potencia que tienen una cavidad particularmente larga, la superluminiscencia de 3,39 μm puede convertirse en una molestia, ya que roba potencia al medio de emisión estimulado y, a menudo, requiere una supresión adicional.

El láser de He-Ne más conocido y utilizado opera a una longitud de onda de 632,8 nm, en la parte roja del espectro visible. Fue desarrollado en Bell Telephone Laboratories en 1962, 18 meses después de la demostración pionera en el mismo laboratorio del primer láser infrarrojo continuo de gas He-Ne en diciembre de 1960.

Construcción y operación

El medio de ganancia del láser, como sugiere su nombre, es una mezcla de gases de helio y neón, en una proporción aproximada de 10:1, contenida a baja presión en una envoltura de vidrio. La mezcla de gases se compone principalmente de helio, de modo que se pueden excitar los átomos de helio. Los átomos de helio excitados chocan con los átomos de neón, excitando algunos de ellos al estado que irradia 632,8 nm. Sin helio, los átomos de neón se excitarían principalmente a estados excitados más bajos, responsables de las líneas no láser.

Se puede construir un láser de neón sin helio, pero es mucho más difícil sin este medio de acoplamiento de energía. Por lo tanto, un láser de He-Ne que ha perdido suficiente helio (por ejemplo, debido a la difusión a través de los sellos o el vidrio) perderá su funcionalidad láser porque la eficiencia de bombeo será demasiado baja. La energía o fuente de bombeo del láser la proporciona una descarga eléctrica de alto voltaje que pasa a través del gas entre los electrodos (ánodo y cátodo) dentro del tubo. Normalmente se requiere una corriente CC de 3 a 20 mA para el funcionamiento en CW. La cavidad óptica del láser generalmente consta de dos espejos cóncavos o un espejo plano y uno cóncavo: uno que tiene una reflectancia muy alta (típicamente 99,9%) y el espejo acoplador de salida que permite aproximadamente un 1% de transmisión.

Los láseres comerciales de He-Ne son dispositivos relativamente pequeños en comparación con otros láseres de gas, con longitudes de cavidad que suelen oscilar entre 15 y 50 cm (pero a veces hasta aproximadamente 1 metro para lograr las potencias más altas) y niveles de potencia de salida óptica que van desde 0,5 a 50 mW.

La longitud de onda precisa de los láseres rojos de He-Ne es de 632,991 nm en el vacío, que se refracta a aproximadamente 632,816 nm en el aire. Las longitudes de onda de los modos de emisión estimulados se encuentran aproximadamente 0,001 nm por encima o por debajo de este valor, y las longitudes de onda de esos modos cambian dentro de este rango debido a la expansión y contracción térmica de la cavidad. Las versiones con estabilización de frecuencia permiten especificar la longitud de onda de un solo modo con una precisión de 1 parte en 10⁸ mediante la técnica de comparar las potencias de dos modos longitudinales en polarizaciones opuestas. Se puede obtener una estabilización absoluta de la frecuencia (o longitud de onda) del láser, tan fina como 2,5 partes en 10¹¹, mediante el uso de una celda de absorción de yodo.

El mecanismo que produce la inversión de población y la amplificación de la luz en un plasma láser de He-Ne se origina con una colisión inelástica de electrones energéticos con átomos de helio en estado fundamental en la mezcla de gases. Como se muestra en el diagrama de niveles de energía adjunto, estas colisiones excitan los átomos de helio desde el estado fundamental a estados excitados de mayor energía, entre ellos el 2³S₁ y el 2¹S₀ (LS, o acoplamiento Russell-Saunders, el número frontal 2 indica que un electrón excitado es n = 2 estado) son estados metaestables de larga duración. Debido a una casi coincidencia fortuita entre los niveles de energía de los dos estados metaestables de He y los niveles 5s₂ y 4s₂ (notación Paschen) del neón, las colisiones entre estos estados de helio Los átomos metaestables y los átomos de neón en estado fundamental dan como resultado una transferencia selectiva y eficiente de energía de excitación del helio al neón. Este proceso de transferencia de energía de excitación viene dado por las ecuaciones de reacción.

He*(2)³S₁) + Ne¹S₀ → He(¹S₀) + Ne*4s₂ + ΔE,

He*(2)¹S) + Ne¹S₀ + ΔE → He(¹S₀) + Ne*5s₂,

donde * representa un estado excitado y ΔE es la pequeña diferencia de energía entre los estados de energía de los dos átomos, del orden de 0,05 eV o 387 cm⁻¹, que es suministrada por energía cinética. La transferencia de energía de excitación aumenta muchas veces la población de los niveles de neón 4s₂ y 5s₂. Cuando la población de estos dos niveles superiores excede la del nivel inferior correspondiente, 3p₄, al que están conectados ópticamente, se produce una inversión de población. El medio se vuelve capaz de amplificar la luz en una banda estrecha de 1,15 μm (correspondiente a la transición de 4s₂ a 3p₄) y en una banda estrecha de 632,8 nm (correspondiente a la transición de 5s₂ a 3p₄). El nivel 3p₄ se vacía eficientemente mediante una rápida desintegración radiativa al estado 3s, alcanzando finalmente el estado fundamental.

El paso restante al utilizar la amplificación óptica para crear un oscilador óptico es colocar espejos altamente reflectantes en cada extremo del medio amplificador para que una onda en un modo espacial particular se refleje sobre sí misma, ganando más potencia en cada paso que se pierde debido a la transmisión a través de los espejos y la difracción. Cuando se cumplen estas condiciones para uno o más modos longitudinales, la radiación en esos modos se acumulará rápidamente hasta que se produzca la saturación de ganancia, lo que dará como resultado una salida estable y continua del rayo láser a través del espejo frontal (típicamente con un 99% de reflexión).

El ancho de banda de ganancia del láser He-Ne está dominado por el ensanchamiento Doppler en lugar del ensanchamiento por presión debido a la baja presión del gas y, por lo tanto, es bastante estrecho: solo alrededor de 1,5 GHz de ancho total para la transición de 633 nm. Con cavidades que tienen longitudes típicas de 15 a 50 cm, esto permite que oscilen simultáneamente entre 2 y 8 modos longitudinales (sin embargo, hay unidades de modo longitudinal único disponibles para aplicaciones especiales). La salida visible del láser rojo He-Ne, su larga longitud de coherencia y su excelente calidad espacial hacen de este láser una fuente útil para holografía y como referencia de longitud de onda para espectroscopia. Un láser de He-Ne estabilizado es también uno de los sistemas de referencia para la definición del medidor.

Antes de la invención de los abundantes y baratos láseres de diodo, los láseres rojos de He-Ne se utilizaban ampliamente en los lectores de códigos de barras en las cajas de los supermercados. Los giroscopios láser han empleado láseres de He-Ne que funcionan a 633 nm en una configuración de láser de anillo. Los láseres He-Ne generalmente están presentes en laboratorios ópticos educativos y de investigación.

Aplicaciones

Los láseres rojos de He-Ne tienen una enorme cantidad de usos industriales y científicos. Se utilizan ampliamente en demostraciones de laboratorio en el campo de la óptica debido a su costo relativamente bajo y facilidad de operación en comparación con otros láseres visibles que producen haces de calidad similar en términos de coherencia espacial (un haz gaussiano monomodo) y longitud de coherencia larga (sin embargo, desde aproximadamente 1990 los láseres semiconductores han ofrecido una alternativa de menor costo para muchas de estas aplicaciones).

A partir de 1978, los láseres de tubo de HeNe (fabricados por Toshiba y NEC) se utilizaron en los reproductores Pioneer LaserDisc. Esto continuó hasta la línea de modelos de 1984, que contenía diodos láser infrarrojos. Pioneer continuó usando diodos láser en todos los reproductores posteriores hasta la interrupción del formato en 2009.