Un láser TEA es un láser de gas activado por una descarga eléctrica de alto voltaje en una mezcla de gases generalmente a presión atmosférica o superior . Los tipos más comunes son los láseres de dióxido de carbono y los láseres excimer , ambos ampliamente utilizados en la industria y la investigación; los láseres de nitrógeno son menos comunes . El acrónimo "TEA" significa "atmosférico excitado transversalmente".
El láser TEA de dióxido de carbono (CO2 ) fue inventado a finales de los años 1960 por Jacques Beaulieu, que trabajaba en el Ministerio de Investigación y Desarrollo de Defensa de Canadá en Valcartier , 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 a partir de una descarga de gas CO2 excitada por radiofrecuencia de baja presión . Con la adición de nitrógeno y helio y utilizando una descarga eléctrica de CC , se lograron potencias de onda continua de alrededor de 100 W. Al pulsar la descarga utilizando voltajes más altos, o mediante conmutación Q utilizando un espejo giratorio, se pudieron obtener potencias de pulso de unos pocos kilovatios como límite práctico.
Sólo se podían conseguir potencias de pico más altas aumentando la densidad de las moléculas de CO2 excitadas . La capacidad de almacenar energía por unidad de volumen de gas aumenta linealmente con la densidad y, por 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 era 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 descomposición a unos pocos centímetros. Esto permitió el uso de voltajes manejables de unas pocas 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 degenere en un arco brillante de alta corriente, y cómo lograr esto sobre un volumen útil de gas.
Beaulieu presentó un láser de CO2 a presión atmosférica excitado transversalmente . Su solución al problema de la formación de arcos fue colocar 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 forzaban la descarga de cada pin a una descarga de cepillo o luminiscencia de baja corriente que se extendía hacia la barra. La cavidad del láser sondeaba entre 100 y 200 de estas descargas en serie, lo que proporcionaba la ganancia del láser. Un condensador de descarga rápida conmutaba rápidamente entre los electrodos del láser utilizando un chisporroteador o tiratrón, lo que proporcionaba los pulsos de alto voltaje.
Estos primeros láseres TEA "Pin-Bar", que funcionaban a una velocidad de aproximadamente un pulso por segundo, eran fáciles y baratos de construir. Al funcionar a presión atmosférica, se podían evitar complejos sistemas de vacío y manipulación de gases. Podían producir potencias pico de MW de unos pocos cientos de ns de duración capaces de descomponer el aire si se enfocaban con una lente de distancia focal corta. Las desventajas eran la mala simetría de ganancia, la disipación en las resistencias y el tamaño.
El primer láser TEA verdadero (sin barra de pines) fue creado por Pearson y Lamberton, que trabajaban 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 [ aclaración necesaria ] acoplaba parte de la energía de descarga a un cable delgado que corría paralelo a un lado de los electrodos y desplazado respecto de él. Esto servía para preionizar el gas, lo que daba como resultado una descarga luminiscente volumétrica uniforme. Igual de importante que la preionización era la necesidad de que la descarga fuera muy rápida. Al volcar la energía en el gas rápidamente, los arcos de alta corriente no tenían tiempo de formarse.
Pearson y Lamberton utilizaron una cámara de rayos X para verificar la secuencia de eventos. A medida que se elevaba 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 iniciador. Posteriormente, otros investigadores habían demostrado métodos alternativos para lograr la preionización. Estos incluían cables y electrodos aislados dieléctricamente, matrices de chispas deslizantes, haces de electrones y pines cargados por impedancia con condensadores.
El láser TEA original de Pearson-Lamberton podía funcionar a un pulso por segundo aproximadamente cuando se conectaba con un descargador de chispas que descargaba un condensador cargado de manera resistiva desde una fuente de alimentación de CC. Al hacer circular el gas entre los electrodos, que utilizaba una carga de condensador sin pérdidas y al reemplazar el descargador de chispas por un tiratrón, se lograron posteriormente tasas de repetición superiores a mil pulsos por segundo con varios diseños de láser TEA.
El método de doble descarga necesario para iniciar descargas de gas estables 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 funcionan en el ultravioleta utilizan un régimen de doble descarga muy similar al láser TEA de CO2 . Utilizando criptón , argón o cloruro de xenón o gas fluoruro amortiguado con helio a 2-3 atmósferas de presión, los láseres excimer pueden producir pulsos de megavatios de luz láser ultravioleta.
En la mayoría de los descargadores de sobretensión, las avalanchas de electrones se desplazan 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 subida lento de la tensión permite que los electrones se desplacen hacia el ánodo antes de que puedan generar una avalancha. Las moléculas electrófilas capturan electrones antes de que puedan generar una avalancha. Los efectos térmicos desestabilizan un electrón de descarga homogénea y la difusión de iones lo estabiliza.
Los láseres de CO2 TEA se utilizan ampliamente para el marcado de productos. Se marca un logotipo, un número de serie o una fecha de caducidad en una variedad de materiales de embalaje haciendo pasar la luz láser a través de una máscara que contiene la información y enfocándola hasta una intensidad que destruye el material que se va a marcar. Además, los láseres de CO2 TEA se utilizan para la preparación de superficies en entornos industriales desde mediados de los años 90. Las aplicaciones incluyen:
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).
El sociólogo Harry Collins investigó el desarrollo del láser TEA y su construcción en otros laboratorios de investigación . Analizó cómo, en lugar de poder construir el láser únicamente a partir de fuentes publicadas, los investigadores dependían de llamadas telefónicas y visitas en persona al laboratorio para aprender las habilidades necesarias para construir un láser TEA que funcionara. Sin embargo, al compartir conocimientos entre ellos, los científicos también retenían información considerada relevante en la competencia entre laboratorios (Collins 1974). Este artículo de 1974 se considera fundamental para introducir el concepto revisado de conocimiento tácito en la sociología y la historia de la ciencia.