Un láser TEA es un láser de gas energizado 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 utilizados ampliamente en la industria y la investigación; menos comunes son los láseres de nitrógeno . El acrónimo "TEA" significa Atmosférico Transversalmente Excitado.
El láser TEA de dióxido de carbono (CO 2 ) fue inventado a finales de la década de 1960 por Jacques Beaulieu, que trabajaba en el Departamento 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 , trabajando en Bell Telephone Laboratories , demostró por primera vez la salida de un láser a 10,6 μm de una descarga de gas CO 2 excitada por RF de baja presión . Con la adición de nitrógeno y helio y utilizando una descarga eléctrica de CC , se alcanzaron potencias en CW de alrededor de 100 W. Pulsando la descarga usando voltajes más altos, o cambiando Q usando un espejo giratorio, se podrían obtener potencias de pulso de unos pocos kilovatios como límite práctico.
Sólo se podrían lograr potencias máximas más altas 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 tanto, con la presión del gas, pero el voltaje necesario para lograr la descomposición del gas y acoplar energía a los niveles superiores del láser aumenta al mismo ritmo. La solución práctica para evitar voltajes muy altos fue impulsar 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 unas pocas decenas de kV. El problema era cómo iniciar y estabilizar una descarga luminosa a presiones de gas mucho más altas, sin que la descarga degenerara en un arco brillante de alta corriente, y cómo lograrlo en un volumen útil de gas.
Beaulieu informó sobre un láser de CO 2 a presión atmosférica excitado transversalmente . Su solución al problema de la formación de arco fue tener una barra conductora enfrentada a un conjunto lineal de pines con una separación de unos pocos centímetros. Los pines se cargaron individualmente con resistencias que forzaron la descarga de cada pin hacia un cepillo de baja corriente o una descarga luminosa que se desplegó en abanico hacia la barra. La cavidad del láser sondeó entre 100 y 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 descargador de chispas o tiratrón que proporcionaba los pulsos de alto voltaje.
Estos primeros láseres TEA "Pin-Bar", que funcionaban a aproximadamente un pulso por segundo, fueron fáciles y económicos de construir. Al operar a presión atmosférica, se podrían evitar complejos sistemas de vacío y manejo de gases. Podrían producir potencias máximas 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 eran la mala simetría de ganancia, la disipación en las resistencias y el tamaño.
El primer láser TEA verdadero (sin barra) fue realizado 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 [ se necesita aclaración ] acoplaba parte de la energía de descarga a un cable delgado que corría paralelo y desplazado de un lado de los electrodos. Esto sirvió para preionizar el gas dando como resultado una descarga luminosa volumétrica uniforme. De igual importancia que la preionización era la necesidad de que la descarga fuera muy rápida. Al verter energía rápidamente en el gas, los arcos de alta corriente no tuvieron tiempo de formarse.
Pearson y Lamberton utilizaron una cámara de racha para verificar la secuencia de los acontecimientos. A medida que se aumentaba el voltaje a través de los electrodos, la emisión de campo del alambre delgado daba como resultado una descarga laminar entre él y el ánodo. Dado que la descarga principal posterior comenzó desde el cátodo, se sugirió que la fotoemisión fue el mecanismo iniciador. Posteriormente, otros trabajadores demostraron métodos alternativos para lograr la preionización. Estos incluían cables y electrodos aislados dieléctricamente, conjuntos de chispas deslizantes, haces de electrones y clavijas cargadas por impedancia con condensadores.
El láser TEA original de Pearson-Lamberton podía funcionar a aproximadamente un pulso por segundo cuando se conmutaba con una vía de chispas que descargaba un condensador cargado resistivamente desde una fuente de alimentación de CC. Al hacer circular el gas entre los electrodos, utilizando una carga de condensador sin pérdidas y reemplazando el explosor con un tiratrón, posteriormente se lograron velocidades de repetición superiores a mil pulsos por segundo con varios diseños de láser TEA.
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 funcionan en el ultravioleta utilizan un régimen de doble descarga muy similar al láser CO 2 TEA. Utilizando criptón , argón o cloruro de xenón o gas fluoruro amortiguado con helio a 2 o 3 atmósferas de presión, los láseres excimer pueden producir pulsos de megavatios de luz láser ultravioleta.
En la mayoría de los explosores 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 fuerte campo acelera la avalancha. Un lento aumento del voltaje permite que los electrones se desvíen 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 homogéneo y la difusión de iones lo estabiliza.
Los láseres TEA CO 2 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 pasando la luz láser a través de una máscara que contiene la información y enfocándola a una intensidad que elimina el material que se va a marcar. Además, los láseres TEA CO 2 se utilizan para la preparación de superficies en entornos industriales desde mediados de los años 1990. 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 reproducción 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 al laboratorio en persona para aprender las habilidades necesarias para construir un láser TEA que funcionara. Sin embargo, al compartir conocimientos entre ellos, los científicos también retuvieron 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 sociología e historia de la ciencia.