15.6: El láser de helio-neón

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El láser He-Ne fue el primer láser de onda continua (cw) inventado. Pocos meses después de que Maiman anunciara su invención del láser rubí pulsado, Ali Javan y sus asociados W. R. Bennet y D. R. Herriott anunciaron su creación de un láser cw He-Ne. Este láser de gas es un láser de cuatro niveles que utiliza átomos de helio para excitar los átomos de neón. Las transiciones atómicas en el neón producen la luz láser. La transición de neón más utilizada en estos láseres produce luz roja a 632.8 nm. Estos láseres también pueden producir luz verde y amarilla en la región visible, así como varias longitudes de onda UV e IR (el primer He-Ne de Javan operó en el IR a 1152.3 nm). Mediante el uso de espejos altamente reflectantes diseñados para una de estas muchas transiciones láser posibles, una salida de He-Ne dada se hace funcionar a una sola longitud de onda.

Los láseres He-Ne no son fuentes de luz láser de alta potencia, por lo general producen de unos pocos a decenas de mW (milivatios o\(10^{-3}\) W) de potencia. Probablemente una de las características más importantes de estos láseres es que son altamente estables, tanto en términos de su longitud de onda (estabilidad de modo) como de la intensidad de su luz de salida (baja fluctuación en el nivel de potencia). Por estas razones, a menudo se utilizan láseres He-Ne para estabilizar otros láseres. También se utilizan en aplicaciones, como la holografía, donde la estabilidad de modo es importante. Hasta mediados de la década de 1990, los láseres He-Ne eran el tipo dominante de láseres producidos para aplicaciones de baja potencia, desde el hallazgo de rango hasta el escaneo, la transmisión óptica, los punteros láser, etc. Recientemente, sin embargo, otros tipos de láseres, sobre todo los láseres semiconductores, parecen haber ganado la competencia debido a costos reducidos.

diagrama de energía para He-Ne laser.svg — Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama de nivel de energía para He y Ne en un láser He-Ne. El bombeo crea átomos de helio en dos estados excitados. Estos estados excitados tienen energías similares a dos conjuntos de cuatro estados excitados en los átomos de Ne. Así, las colisiones entre los átomos de He excitados y los átomos de Ne pueden conducir a una transferencia de energía no radiativa. El estado excitado Los átomos de Ne tienen tiempos de vida que permiten una inversión poblacional y el láser. (CC BY-NC; Ümit Kaya vía LibreTexts)

El diagrama de nivel de energía en la figura\(\PageIndex{1}\) muestra los dos estados excitados de un átomo de helio, el 2 ³ S y el 2 ¹ S, que se pueblan como resultado del bombeo electromagnético. Ambos estados son metaestables y no permiten desexcitaciones a través de transiciones radiativas. En cambio, los átomos de helio emiten su energía a los átomos de neón a través de la excitación colisional. De esta manera, los niveles 4s y 5s en neón se poblan.

\[He^* (2s^3 \, S_1) + Ne(g) \rightarrow He(g) + Ne^*(2p^54s) \nonumber \]

\[He^* (2s^1 \, S_0) + Ne(g) \rightarrow He(g) + Ne^*(2p^55s) \nonumber \]

Estos son los dos niveles superiores de láser, cada uno para un conjunto separado de transiciones láser. Cada uno de estos niveles superiores de láser contiene 4 estados (³ P ₂, ³ P ₁, ³ P ₀, ¹ P ₁). Está prohibido el decaimiento radiativo de los niveles 5 a 4. Entonces, diez estados asociados con los niveles de 4p y 3p sirven como los niveles de láser más bajos y se desintegran rápidamente en el nivel de 3s metaestables. De esta manera, la inversión poblacional se logra fácilmente en la mezcla He-Ne. La transición láser de 632.8 nm, por ejemplo, involucra los niveles 5s y 3p, como se muestra arriba. La tabla\(\PageIndex{1}\) enumera los parámetros de varias de las transiciones de Ne.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Varias transiciones láser para un átomo de Ne de estado excitado
Transición	\(\lambda\)(nm)	Coeficiente de Einstein A (s ^-1)	Intensidad relativa
5s ¹ P ₁ → 3p ³ P ₁	\ (\ lambda\) (nm) ">640.1	0.60 x 10 ⁶	100
5s ¹ P ₁ → 3p ³ P0	\ (\ lambda\) (nm) ">635.2	0.70 x 10 ⁶	100
5s ¹ P ₁ → 3p ³ P2	\ (\ lambda\) (nm) ">632.8	6.56 x 10 ⁶	300
5s ¹ P ₁ → 3p ¹ P ₁	\ (\ lambda\) (nm) ">629.4	1.35 x 10 ⁶	100
5s ¹ P ₁ → 3p ¹ D ₂	\ (\ lambda\) (nm) ">611.8	1.28 x 10 ⁶	100

En la mayoría de los láseres He-Ne el gas, una mezcla de 5 partes de helio a 1 parte de neón, está contenido en un tubo de vidrio sellado con un orificio estrecho (de 2 a 3 mm de diámetro) como se muestra arriba en la figura\(\PageIndex{2}\). Por lo general, los espejos de cavidad óptica del láser, el reflector alto y el acoplador de salida forman las dos tapas de sellado para el tubo de orificio estrecho. Los electrodos de alto voltaje crean una descarga eléctrica estrecha a lo largo de este tubo, que luego conduce al haz estrecho de luz láser.

Láser HeNe cavity.svg — Figura\(\PageIndex{2}\): Una cavidad láser He-Ne. (CC BY-NC; Ümit Kaya vía LibreTexts)

Muchos láseres He-Ne también contienen un lastre que sirve para mantener la mezcla de gases deseada. Dado que algunos de los átomos pueden quedar incrustados en el vidrio y/o los electrodos a medida que aceleran dentro de la descarga, en ausencia de un lastre la mezcla de láser no duraría mucho tiempo. Para prolongar aún más la vida útil del láser, algunos de estos láseres también utilizan “getters”, a menudo metales como el titanio, que absorben impurezas en el gas. La\(\PageIndex{3}\) siguiente figura muestra un láser He-Ne con un balasto.

Figura\(\PageIndex{3}\): Un tubo comercial de He-Ne. El cilindro más grueso más cercano a la varilla de medición (se muestra para la escala) es el balasto. El tubo más delgado aloja la cavidad resonante donde ocurre el láser. Observe los dos espejos que sellan los dos extremos del orificio. Por razones de estabilidad de modo, estos espejos son cóncavos; sirven como acoplador de salida y reflector alto. (Copyright; autor vía fuente)

Un He-Ne típico disponible comercialmente produce alrededor de unos pocos mW de 632.8 nm de luz con un ancho de haz de unos pocos milímetros a una eficiencia general de cerca de 0.1%. Esto significa que por cada 1 Watt de potencia de entrada de la fuente de alimentación, se produce 1 mW de luz láser. Aún así, debido a su larga vida útil de 20,000 horas o más y su costo de fabricación relativamente bajo, los láseres He-Ne se encuentran entre los láseres de gas más populares.

Colaboradores

Jay Newman and Seyffie Maleki (Union College)

Tom Neils (Colegio Comunitario de Grand Rapids)