Un láser de nitrógeno es un láser de gas que opera en el rango ultravioleta [1] (normalmente 337,1 nm) utilizando nitrógeno molecular como medio de ganancia , bombeado por una descarga eléctrica.
La eficiencia de conexión a la red del láser de nitrógeno es baja, normalmente del 0,1 % o menos, aunque en la bibliografía se han descrito láseres de nitrógeno con una eficiencia de hasta el 3 %. La eficiencia de conexión a la red es el producto de las tres eficiencias siguientes:
El medio de ganancia son las 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 en el bombeo. El bombeo se proporciona normalmente mediante el impacto directo de electrones; los electrones deben tener suficiente energía, o no excitarán el nivel láser superior. Los valores óptimos informados normalmente están en el rango de 80 a 100 eV por Torr·cm de presión de gas nitrógeno.
Existe un límite superior de 40 ns para la vida útil del láser a bajas presiones y la vida útil se acorta a medida que aumenta la presión. La vida útil es de solo 1 a 2 ns a 1 atmósfera. En general
Las líneas más fuertes se encuentran en la longitud de onda de 337,1 nm en el ultravioleta . Se han descrito otras líneas en 357,6 nm, también ultravioleta. Esta información se refiere al segundo sistema positivo del nitrógeno molecular, que es, con diferencia, el más común. No interviene ninguna vibración de los dos átomos de nitrógeno, porque la distancia átomo-átomo no cambia con la transición electrónica. La rotación debe cambiar para proporcionar el momento angular del fotón; además, se pueblan múltiples estados rotacionales a temperatura ambiente. También hay líneas en el rojo lejano y el infrarrojo del primer sistema positivo, y una línea láser azul visible del ion positivo (1+) del nitrógeno molecular.
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 solo 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 varios colorantes orgánicos con vidas útiles de nivel superior de menos de 10 ns en modo continuo. 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 alcanzar unos pocos kHz, siempre que se proporcione un flujo de gas adecuado y se enfríe la estructura. El nitrógeno frío es un medio mejor 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. También existen, aparentemente, problemas relacionados con los iones que quedan en el canal láser.
Se puede utilizar aire , que es 78% nitrógeno, pero más del 0,5% de oxígeno envenena el láser.
Los láseres de nitrógeno pueden operar dentro de una cavidad resonante , pero debido a la ganancia típica de 2 cada 20 mm, con mayor frecuencia operan solo con superluminiscencia ; [ cita requerida ] aunque es común colocar un espejo en un extremo de modo que la salida se emita desde el extremo opuesto.
En el caso de un volumen de ganancia de 10 mm de ancho, la difracción entra en juego después de 30 m a lo largo del medio de ganancia, una longitud que no se conoce. Por lo tanto, este láser no necesita una lente cóncava o 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, por lo que se necesita una lente de reenfoque ya después de 0,3 m. Una solución sencilla es utilizar electrodos redondeados con un radio grande, de modo que se obtenga un perfil de bombeo cuadrático.
El medio de amplificación suele bombearse mediante una descarga eléctrica transversal . Cuando la presión es igual o superior a la atmosférica , la configuración se denomina láser TEA ( TEA es el acrónimo de descarga eléctrica transversal en gas a presión atmosférica ).
En un campo eléctrico externo intenso, este electrón crea una avalancha de electrones en la dirección de las líneas de campo eléctrico . La difusión de electrones y la dispersión elástica en una molécula de gas amortiguadora extienden la avalancha perpendicularmente al campo. La dispersión inelástica crea fotones , que crean nuevas avalanchas a centímetros de distancia. Después de algún tiempo, la carga eléctrica en la avalancha se vuelve tan grande que, siguiendo la ley de Coulomb, genera un campo eléctrico tan grande como el campo eléctrico externo. En las regiones de mayor intensidad de campo, el efecto de avalancha se intensifica. Esto conduce a descargas similares a arcos eléctricos llamados serpentinas . Una mezcla de un gas noble (hasta 0,9) y nitrógeno mejora la dispersión elástica de electrones durante la multiplicación de electrones y, por lo tanto, amplía las avalanchas y las serpentinas.
Los descargadores de chispas utilizan una alta densidad de moléculas de gas y una baja densidad de electrones iniciales para favorecer a los conductores. Los electrones se eliminan mediante un voltaje que aumenta lentamente. Un gas de alta densidad aumenta el campo de ruptura, por lo que se pueden utilizar arcos más cortos con menor inductancia y se aumenta la capacidad entre los electrodos. Un conductor ancho tiene una inductancia menor.
Los láseres de gas utilizan una baja densidad de moléculas de gas y una alta densidad de electrones iniciales para evitar la formación de corrientes. Los electrones se añaden mediante preionización, no se eliminan con oxígeno, ya que se utiliza nitrógeno de 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, el arco se produce después de la aplicación del láser en nitrógeno. La corriente en el espacio de chispa descarga los electrodos solo por medio de la carga de imagen , por lo que cuando la corriente toca ambos electrodos, la mayor parte de la carga aún está disponible para alimentar el arco; la carga adicional se almacena en las placas de distribución. Por lo tanto, el arco en el espacio de chispa comienza antes de la aplicación del láser.
Levatter y Lin describen las condiciones para las descargas de avalanchas pulsadas. [3]
La electrónica es un circuito compuesto por un descargador de chispas , un condensador y la descarga a través del nitrógeno. Primero se cargan el descargador de chispas y el condensador. Luego el descargador de chispas se descarga y se aplica voltaje al nitrógeno.
Una construcción alternativa utiliza dos condensadores conectados como un generador de Blumlein . [4] Dos condensadores están conectados de modo que una placa es una tierra común, las otras están conectadas cada una a los electrodos de chispa. Estos condensadores a menudo se construyen a partir de una sola capa de placa de circuito impreso, o una pila similar de lámina de cobre y dieléctrico fino. Los condensadores están conectados a través de un inductor, una bobina simple espaciada por aire. Un condensador también tiene un pequeño espacio de chispa a través de él. Cuando se aplica alta tensión, los dos condensadores se cargan lentamente, unidos de manera efectiva por el inductor. Cuando el espacio de chispa alcanza su voltaje de activación, se descarga y reduce rápidamente el voltaje de ese condensador 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 espacio de chispa transversal (entre los dos condensadores) aumenta rápidamente hasta que se descarga el espacio de chispa principal, disparando el láser. [4]
La velocidad de cada circuito se incrementa en dos pasos. Primero, se reduce la inductancia de todos los componentes acortando y ensanchando los conductores y comprimiendo el circuito hasta formar un rectángulo plano. La inductancia total es la suma de los componentes:
Se dice que la intensa descarga distorsiona los osciloscopios cercanos. Esto se puede reducir construyendo el láser simétricamente en un cilindro conectado a tierra con el espacio de chispa en la parte inferior, el láser en la parte superior, el condensador 1 a izquierda y derecha, y el condensador 2 a izquierda y derecha apilados sobre el condensador 1. Esto tiene la ventaja adicional de reducir la inductancia. Y tiene la desventaja de que ya no se puede inspeccionar el canal del láser para detectar chispas.
En segundo lugar, se aplica la teoría de líneas de transmisión y la teoría de guías de ondas para lograr una excitación de ondas viajeras. Los pulsos de láser de nitrógeno medidos son tan largos que el segundo paso no es importante. De este análisis se deduce que:
La ley de Paschen establece que la longitud del espacio entre chispas es inversamente proporcional a la presión. Para una relación fija entre la longitud y el diámetro de la chispa, la inductancia es proporcional a la longitud (fuente [1], comparar con: antena dipolo ). Por lo tanto, los electrodos del espacio entre chispas se pegan o se sueldan a un anillo espaciador dieléctrico. Para reducir el peligro debido a la presión, se minimiza el volumen. Para evitar que se produzcan chispas fuera del anillo espaciador en condiciones de baja presión, el espaciador suele engrosarse hacia afuera en forma de S.
Conexión entre el espacio de chispa y el canal láser basada en la teoría de ondas viajeras:
La tensión de ruptura es baja para el helio, media para el nitrógeno y alta para el SF6 , [ 5] aunque no se dice nada sobre las variaciones del espesor de la chispa.
Con un espacio entre chispas son posibles tiempos de subida de hasta 8×10 10 A/s. [6] Esto coincide muy bien con los tiempos de subida típicos de 1×10 −8 s y las corrientes típicas de 1×10 3 A que se dan en los láseres de nitrógeno.
Una cascada de chispas permite utilizar un pulso de activación débil para iniciar una corriente en la brecha más pequeña, esperar su transición a un arco y luego que este arco se extienda hacia la brecha más grande. [7] Aún así, la primera chispa en la cascada necesita un electrón libre para comenzar, por lo que la fluctuación es bastante alta.
Las avalanchas homogeneizan una descarga rápida, 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 de portadores de carga es baja y se inhibe la transición de avalancha a chispa impulsada por el electromagnetismo.
En otros casos, la radiación UV homogeneiza lentamente una descarga perpendicular a otra. Estas se equilibran colocando dos descargas lineales una al lado de la otra a 1 cm de distancia. La primera descarga se produce a través de un espacio más pequeño y comienza antes. Debido al bajo número de electrones iniciales, se ven corrientes de electrones que suelen estar separadas por 1 mm. Los electrodos de la primera descarga están cubiertos por un dieléctrico, lo que limita esta descarga. Por lo tanto, el voltaje puede aumentar aún más hasta que pueden comenzar avalanchas en el segundo espacio. Estas son tantas 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 a la duración del pulso del láser de nitrógeno y, por lo tanto, se debe aplicar una corriente eléctrica igualmente rápida.
El nivel superior del láser se excita de manera eficiente con electrones con más de 11 eV, la mejor energía es de 15 eV. La temperatura de los electrones en las serpentinas solo alcanza 0,7 eV. El helio, debido a su mayor energía de ionización y 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. [8]
La presión del gas en un láser de nitrógeno varía desde unos pocos mbar hasta varios bares. El aire proporciona una energía de salida significativamente menor que el nitrógeno puro o una mezcla de nitrógeno y helio . La energía del pulso varía desde 1 μJ hasta aproximadamente 1 mJ; se pueden lograr potencias pico entre 1 kW y 3 MW. Las duraciones de los pulsos varían desde unos pocos cientos de picosegundos (a una presión parcial de nitrógeno de 1 atmósfera) hasta unos 30 nanosegundos a presión reducida (normalmente algunas docenas de Torr), aunque los anchos de pulso FWHM de 6 a 8 ns son típicos.
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 sencilla y al manejo sencillo del gas. Fue descrito por Scientific American en 1974 como uno de los primeros artículos sobre construcción de viviendas con láser. [4] Como no hay una cavidad en su lugar para este láser de aire, el dispositivo no es estrictamente un láser, sino que utiliza emisión estimulada amplificada (ASE).
![{\displaystyle t[\mathrm {ns} ]={\cfrac {36}{1+12.8*p[\mathrm {bar} ]}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a227f77678db0b07db2f03ac83437bc5568038a)