LÁSER DE DIÓXIDO DE CARBONO

El láser de dióxido de carbono (láser de CO2) es uno de los más antiguos láseres de gas desarrollado por Kumar Patel en los Laboratorios Bell en 1964 y tiene hoy en día un gran número de aplicaciones. Los láseres de dióxido de carbono en modo continuo tienen un gran poder y son fácilmente accesibles. También son muy eficaces; la ratio potencia de bombeo (el poder de excitación) contra la potencia de salida alcanza el 20%. Los láseres de CO2 emiten en IR (radiación infrarroja), su banda de longitud de onda principal está comprendida entre 9,4 y 10,6 μm (micras).

Amplificación

El medio amplificador es un gas -refrigerado por un circuito de agua en el caso de grandes potencias- en el que se produce una descarga eléctrica. El gas usado en el tubo de descarga está formado por:

• Dióxido de carbono CO2, de 10 a 20%;
• Nitrógeno N2, de 10 a 20%
• Hidrógeno H2 y / o Xenón (Xe), un pequeño porcentaje, por lo general en un tubo cerrado;
• Helio (He) en cantidad suficiente para completar.
• Las proporciones varían en función del tipo o tipos de láseres que se requieren.
• La inversión de población en el láser se realiza según la siguiente secuencia:

La colisión con un electrón induce un estado excitado vibratorio en el nitrógeno. Como el nitrógeno es una molécula homonuclear no pierde su energía por la emisión de un fotón y por lo tanto sus niveles de excitación vibratoria son meta estables y tienen un gran periodo de vida; la transferencia de la energía de colisión entre el nitrógeno y el dióxido de carbono induce una excitación vibratoria del dióxido de carbono con la suficiente energía para impulsar la inversión de población deseada para el funcionamiento del láser; las moléculas permanecen en un estado excitado inferior. El retorno a su estado fundamental se hace mediante las colisiones con los átomos de helio frío. Los átomos de helio excitado por el choque deben ser enfriado para mantener su capacidad de producir una inversión de población de las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres de ampolla sellada, la refrigeración se realiza por intercambio de calor cuando los átomos de helio rebotan en la pared fría de la ampolla. En el caso de láser de flujo, un flujo continuo de CO2 y N 2 es excitada por la descarga y la mezcla de gas caliente es evacuada a continuación por una bomba.

Tecnología

Dado que los láseres de CO2 emiten en el infrarrojo, su fabricación requiere materiales específicos. Tradicionalmente, los espejos son de tipo multicapa fabricados en silicio, en Mo o en oro. Las ventanas y las lentes son de germanio o seleniuro de zinc. Para potencias superiores se prefieren espejos de oro y las ventanas de seleniuro de zinc. Se pueden incluso encontrar ventanas y espejos de diamante. Las ventanas de diamante son muy caras, pero su buena conductividad térmica asociada a su dureza los hace muy valiosos cuando se necesita alta potencia o en ambientes muy sucios. Los elementos ópticos de diamante incluso pueden ser lijados, sin alterar sus propiedades ópticas. En su origen las ventanas y los espejos se fabricaban de sal, cloruro de sodio (NaCl) o cloruro de potasio (KCl). Aunque estos materiales son muy baratos, se abandonó su empleo debido a su alta sensibilidad a la humedad.

El tipo más simple de láser de CO2 es un tubo de descarga cerrada, con una mezcla de gases como se describió anteriormente, con un espejo al 100% en un lado y un semi-espejo transparente recubierto de seleniuro de zinc en la salida lateral. La reflectividad del espejo de salida es de 5 a 15%.

Los láseres de CO2 suministran potencias que van desde varios milivatios (mW) a varios cientos de kilovatios (kW). El láser de CO2 puede ser fácilmente conmutado (Q-switching),* utilizando un espejo giratorio o con un conmutador opto-electrónico dando lugar a una potencia máxima de hasta GW.

Las transiciones se hacen en realidad en las bandas de vibración y rotación molecular de una molécula lineal triatómica, se puede seleccionar la estructura de rotación de las bandas Ku y R con la ayuda de un sistema de afinación en la cavidad óptica. Ya que los materiales transparentes en el infrarrojo causa importantes pérdidas, se utilizan casi siempre como un sistema de afino de la frecuencia de red de difracción. Al girar la red se puede aislar una línea espectral rotativa particular de las transiciones electrónicas. También se puede usar un interferómetro Fabry-Pérot y así obtener una línea muy fina. En la práctica esto significa que un continuo de líneas espectroscópicas separadas por alrededor de 1 cm-1 (30 GHz), junto con la sustitución isotópica, puede ser utilizado en una superficie de entre 880 a 1090 cm-1. Esta capacidad de los láseres de CO2 de poder alinearse se utiliza principalmente en la investigación.

Aplicaciones

Un objetivo experimental es vaporizado y luego quemado por un láser de dióxido de carbono de una potencia de unas pocas decenas de kilovatios.

Dado la alta potencia combinada con un coste razonable, los láseres de CO2 se utilizan comúnmente en la industria para el corte y la soldadura, y, con menos potencia, para el grabado. También se utilizan en cirugía porque trabajan en una longitud de onda muy bien absorbida por el agua, y por lo tanto por los tejidos vivos (cirugía láser, alisando la piel, ritidectomía – que es esencialmente quemaren la piel para estimular la formación de colágeno – y en la dermoabrasión).

* El Q-switching es una técnica mediante la cual un láser puede producir un haz de impulsos. Con esta técnica hemos conseguido unas potencias de pico muy altas en el orden de gigavatios, es decir, mucho más que si el mismo láser funcionase en onda continua.