Láser de nitrógeno

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Un láser de nitrógeno es un láser de gas que funciona en el rango ultravioleta (normalmente 337,1 nm) y utiliza nitrógeno molecular como medio de ganancia, bombeado mediante una descarga eléctrica.

La eficiencia del láser de nitrógeno para taponar la pared es baja, típicamente 0,1% o menos, aunque en la literatura se han informado láseres de nitrógeno con una eficiencia de hasta el 3%. La eficiencia del enchufe de pared es el producto de las tres eficiencias siguientes:

eléctrico: láser TEA
medio de ganancia: Esto es lo mismo para todos los láseres de nitrógeno y por lo tanto tiene que ser al menos 3%
- inversión por impacto de electrones es 10 a 1 debido al principio de Franck-Condon
- energía perdida en el nivel del láser inferior: 40%
óptica: Emisión más estimulada que emisión espontánea

Ganancia media

El medio de ganancia son moléculas de nitrógeno en fase gaseosa. El láser de nitrógeno es un láser de tres niveles. A diferencia de los láseres de cuatro niveles más típicos, el nivel láser superior de nitrógeno se bombea directamente, sin imponer límites de velocidad a la bomba. El bombeo normalmente se realiza mediante impacto directo de electrones; los electrones deben tener suficiente energía, o no podrán excitar el nivel superior del láser. Los valores óptimos normalmente informados están en el rango de 80 a 100 eV por presión Torr·cm de gas nitrógeno.

Existe un límite superior de vida útil del láser de 40 ns a bajas presiones y la vida útil se acorta a medida que aumenta la presión. La vida útil es de sólo 1 a 2 ns a 1 atmósfera. En general

{displaystyle t[mathrm {ns} ]={cfrac {36}{1+12.8*p[mathrm {bar} ]}}.}

Las líneas más fuertes se encuentran en una longitud de onda de 337,1 nm en el ultravioleta. Se han informado otras líneas a 357,6 nm, también ultravioleta. Esta información se refiere al segundo sistema positivo del nitrógeno molecular, que es, con diferencia, el más común. No se produce ninguna vibración de los dos átomos de nitrógeno, porque la distancia átomo-átomo no cambia con la transición electrónica. La rotación debe cambiar para generar el momento angular del fotón; además, a temperatura ambiente se encuentran múltiples estados de rotación. También hay líneas en el rojo lejano y en el infrarrojo del primer sistema positivo, y una línea láser azul visible del ion positivo de nitrógeno molecular (1+).

La vida útil del nivel inferior metaestable es de 40 μs, por lo que el láser se autotermina, normalmente en menos de 20 ns. Este tipo de autoterminación a veces se denomina "cuello de botella en el nivel inferior". Esto es sólo una regla general, como se ve en muchos otros láseres: El láser de helio-neón también tiene un cuello de botella, ya que un paso de desintegración necesita las paredes de la cavidad y este láser normalmente funciona en modo continuo. Se han utilizado en modo continuo varios tintes orgánicos con tiempos de vida de nivel superior inferiores a 10 ns. El láser Nd:YAG tiene una vida útil de nivel superior de 230 μs, pero también admite pulsos de 100 ps.

Las tasas de repetición pueden variar hasta unos pocos kHz, siempre que se proporcione un flujo de gas y un enfriamiento adecuados de la estructura. El nitrógeno frío es un mejor medio que el nitrógeno caliente, y esto parece ser parte de la razón por la que la energía y la potencia del pulso disminuyen a medida que la tasa de repetición aumenta a más de unos pocos pulsos por segundo. Al parecer, también existen problemas relacionados con la permanencia de iones en el canal láser.

Se puede utilizar aire, que contiene un 78 % de nitrógeno, pero más del 0,5 % de oxígeno envenena el láser.

Óptica

Los láseres de nitrógeno pueden funcionar dentro de una cavidad de resonador, pero debido a la ganancia típica de 2 cada 20 mm, funcionan con mayor frecuencia únicamente sobre superluminiscencia; aunque es común colocar un espejo en un extremo de manera que la salida se emita desde el extremo opuesto.

Para una ganancia de 10 mm de ancho, la difracción de volumen entra en juego después de 30 m a lo largo del medio de ganancia, una longitud inaudita. Por lo tanto, este láser no necesita una lente cóncava ni lentes de reenfoque y la calidad del haz mejora a lo largo del medio de ganancia. La altura del volumen bombeado puede ser tan pequeña como 1 mm, necesitando una lente de reenfoque ya después de 0,3 m. Una solución sencilla es utilizar electrodos redondeados y de gran radio, de modo que se obtenga un perfil de bomba cuadrático.

Eléctrica

(feminine)

El medio de ganancia generalmente se bombea mediante una descarga eléctrica transversal. Cuando la presión es igual o superior a la presión atmosférica, la configuración se denomina láser TEA (TEA es un acrónimo de Descarga eléctrica transversal en gas a presión atmosférica).

Descripción microscópica de una descarga rápida

En un fuerte campo eléctrico externo, este electrón crea una avalancha de electrones en la dirección de las líneas del campo eléctrico. La difusión de electrones y la dispersión elástica en una molécula de gas amortiguador propagan la avalancha perpendicular al campo. La dispersión inelástica crea fotones, que crean nuevas avalanchas a centímetros de distancia. Después de un tiempo, la carga eléctrica de la avalancha llega a ser tan grande que, siguiendo la ley de Coulomb, genera un campo eléctrico tan grande como el campo eléctrico externo. En regiones con mayor intensidad de campo, el efecto de avalancha se intensifica. Esto conduce a descargas similares a arcos eléctricos llamadas serpentinas. Una mezcla de un gas noble (hasta 0,9) y nitrógeno mejora la dispersión elástica de los electrones durante la multiplicación de electrones y así se amplían los aludes y las serpentinas.

Las chispas utilizan una alta densidad de moléculas de gas y una baja densidad de electrones iniciales para favorecer las serpentinas. Los electrones son eliminados por un voltaje que aumenta lentamente. Un gas de alta densidad aumenta el campo de ruptura, por lo que se pueden usar arcos más cortos con menor inductancia y se aumenta la capacidad entre los electrodos. Una serpentina ancha tiene una inductancia más baja.

Los láseres de gas utilizan una baja densidad de moléculas de gas y una alta densidad de electrones iniciales para evitar corrientes de aire. Los electrones se añaden mediante preionización y no se eliminan con oxígeno, porque se utiliza nitrógeno de las botellas. Las avalanchas amplias pueden excitar más moléculas de nitrógeno.

La dispersión inelástica calienta una molécula, de modo que en una segunda dispersión aumenta la probabilidad de emisión de electrones. Esto conduce a un arco. Normalmente, la formación de arcos se produce después de la exposición con láser de nitrógeno. La serpentina en el explosor descarga los electrodos sólo mediante carga de imagen, por lo que cuando la serpentina toca ambos electrodos la mayor parte de la carga todavía está disponible para alimentar el arco; La carga adicional se almacena en las placas de distribución. Por lo tanto, la formación de arcos en el explosor comienza antes del láser.

Levatter y Lin describen las condiciones para las descargas pulsadas de avalanchas.

Electrodinámica

Reducción transversal de la implementación de baja inductancia. Erratum: La tapa derecha necesita ser más grande.

La electrónica es un circuito compuesto por un vía de chispas, un condensador y la descarga a través del nitrógeno. Primero se cargan la vía de chispas y el condensador. Luego, el explosor se descarga y se aplica voltaje al nitrógeno.

Una construcción alternativa utiliza dos condensadores conectados como un generador Blumlein. Se conectan dos condensadores de modo que una placa sea una tierra común y las demás estén conectadas cada una a los electrodos de descarga de chispas. Estos condensadores suelen construirse a partir de una sola capa de placa de circuito impreso o una pila similar de lámina de cobre y dieléctrico delgado. Los condensadores están conectados a través de un inductor, una simple bobina espaciada por aire. Un condensador también tiene una pequeña vía de chispas a través de él. Cuando se aplica HT, los dos condensadores se cargan lentamente y están efectivamente unidos por el inductor. Cuando el explosor alcanza su voltaje de activación, se descarga y rápidamente reduce el voltaje de ese capacitor a cero. Como la descarga es rápida, el inductor actúa como un circuito abierto y, por lo tanto, la diferencia de voltaje a través del explosor transversal (entre los dos condensadores) aumenta rápidamente hasta que el explosor principal se descarga, disparando el láser.

La velocidad de cualquiera de los circuitos aumenta en dos pasos. Primero, la inductancia de todos los componentes se reduce acortando y ensanchando los conductores y comprimiendo el circuito en un rectángulo plano. La inductancia total es la suma de los componentes:

objeto	longitud	espesor	ancho	ancho	inductancia	inductancia	inductancia	capacidad	oscilación
			como bobina	como alambre	medida	teoría de la bobina	teoría del alambre	teoría de la placa	período de sesiones
unidad	m	m	m	m	n H	n H	n H	nF	ns
brecha	2×10⁻²	1×10⁻²	2×10⁻²	1×10^{; 5 -}	10	12.57	13.70	0,0004
cinta metálica	2×10⁻²	2×10⁻²	4×10⁻²	5×10⁻³		12.57	5.32	0,0004
Cap. 1	2×10⁻¹	4×10⁻⁴	3×10⁻¹			0.34		2.6563
cinta metálica	2×10⁻²	2×10⁻²	3×10⁻¹			1.68		0,0027
canal láser	1×10⁻²	2×10⁻²	3×10⁻¹			0.84		0,0013
cinta metálica	2×10⁻²	2×10⁻²	3×10⁻¹			1.68		0,0027
Cap. 2	3×10⁻¹	4×10⁻⁴	3×10⁻¹			0,50		3.9844
chispa.						22.90		2.6563	49
disch. osc.						5.03		1.5938	18

Se informa que la intensa descarga distorsiona los osciloscopios cercanos. Esto se puede reducir construyendo el láser simétricamente en un cilindro conectado a tierra con el explosor en la parte inferior, el láser en la parte superior, condensador 1 izquierdo y derecho, y condensador 2 izquierdo y derecho apilados sobre el condensador 1. Esto tiene la ventaja adicional de reducir la inductancia. Y esto tiene la desventaja de que ya no se puede comprobar si hay chispas en el canal láser.

En segundo lugar, se aplica la teoría de la línea de transmisión y la teoría de la guía de ondas para lograr una excitación de onda viajera. Los pulsos medidos del láser de nitrógeno son tan largos que el segundo paso carece de importancia. De este análisis se desprende que:

el espejo final y la brecha de chispa están en el mismo lado
un láser estrecho largo a las presiones atmosféricas es ineficaz

Explosión de chispa

La ley de Paschen establece que la longitud de la vía de chispa es inversamente proporcional a la presión. Para una relación fija de longitud a diámetro de la chispa, la inductancia es proporcional a la longitud (fuente [1], comparar con: antena dipolo). Así, los electrodos del explosor se pegan o sueldan sobre un anillo espaciador dieléctrico. Para reducir el peligro debido a la presión, se minimiza el volumen. Para evitar chispas fuera del anillo espaciador en condiciones de baja presión, el espaciador generalmente se vuelve más grueso hacia afuera en forma de S.

Conexión entre el explosor y el canal láser según la teoría de las ondas viajeras:

La brecha de inductancia baja se puede insertar en una línea de transmisión de bandas
brecha biconical de chispa
brecha biconical de chispa
brecha biconical de chispa

El voltaje de ruptura es bajo para el helio, medio para el nitrógeno y alto para el SF₆, aunque no se dice nada sobre las variaciones del espesor de la chispa.

Con un explosor son posibles tiempos de aumento de hasta 8×10¹⁰ A/s. Esto coincide muy bien con los tiempos de subida típicos de 1×10⁻⁸ sy las corrientes típicas de 1×10³ A que se producen en los láseres de nitrógeno.

Una cascada de explosores permite utilizar un pulso de disparo débil para iniciar una corriente en el espacio más pequeño, esperar su transición a un arco y luego que este arco se extienda hacia el espacio más grande. Aún así, la primera chispa de la cascada necesita un electrón libre para empezar, por lo que la fluctuación es bastante alta.

Preionización

Las avalanchas homogeneizan una descarga rápidamente principalmente a lo largo de las líneas de campo. Con una duración corta (<10 ms) desde el último pulso láser quedan suficientes iones para que todas las avalanchas se superpongan también lateralmente. Con baja presión (<100 kPa), la densidad máxima del portador de carga es baja y se inhibe la transición electromagnética de avalancha a chispa.

En otros casos La radiación UV homogeneiza una descarga lentamente perpendicular a una descarga. Estos se equilibran colocando dos descargas lineales una al lado de la otra a 1 cm de distancia. La primera descarga se realiza a través de un espacio más pequeño y comienza temprano. Debido al bajo número de electrones iniciales, normalmente se ven serpentinas con una separación de 1 mm. Los electrodos de la primera descarga están recubiertos por un dieléctrico, que limita esta descarga. Por lo tanto, la tensión puede aumentar aún más hasta que pueden comenzar avalanchas en el segundo hueco. Son tantos que se superponen y excitan cada molécula.

Con aproximadamente 11 ns, la generación de UV, la ionización y la captura de electrones se encuentran en un régimen de velocidad similar al de la duración del pulso del láser de nitrógeno. y por lo tanto se debe aplicar electricidad tan rápida.

Excitación por impacto de electrones

El nivel láser superior es excitado eficientemente por electrones con más de 11 eV, la mejor energía es 15 eV. La temperatura de los electrones en las serpentinas sólo alcanza los 0,7 eV. El helio, debido a su mayor energía de ionización y a la falta de excitaciones vibratorias, aumenta la temperatura a 2,2 eV. Los voltajes más altos aumentan la temperatura. Los voltajes más altos significan pulsos más cortos.

Dispositivos típicos

La presión del gas en un láser de nitrógeno varía desde unos pocos mbar hasta varios bares. El aire proporciona mucha menos energía de salida que el nitrógeno puro o una mezcla de nitrógeno y helio. La energía del pulso oscila entre 1 μJ y aproximadamente 1 mJ; Se pueden alcanzar potencias máximas entre 1 kW y 3 MW. La duración de los pulsos varía desde unos pocos cientos de picosegundos (a 1 atmósfera de presión parcial de nitrógeno) hasta aproximadamente 30 nanosegundos a presión reducida (normalmente unas docenas de Torr), aunque los anchos de pulso FWHM de 6 a 8 ns son típicos.

Construcción amateur

El láser de nitrógeno de descarga transversal ha sido durante mucho tiempo una opción popular para la construcción de viviendas por parte de aficionados, debido a su construcción simple y manejo sencillo del gas. Fue descrito por Scientific American en 1974, como uno de los primeros artículos de construcción de viviendas con láser. Como no existe una cavidad para este láser de aire, el dispositivo no es estrictamente un láser, sino que utiliza emisión estimulada amplificada (ASE).

Aplicaciones

Bombeo óptico transversal de los láseres tintes
medición de la contaminación atmosférica (Lidar)
Desorción/ionización del láser asistido por matriz
Lista de artículos láser

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