Láser de helio-neón

Un láser de helio-neón o láser He-Ne es un tipo de láser de gas cuyo medio de alta ganancia energética consiste en una mezcla de proporción (entre 5:1 y 20:1) de helio y neón a una presión total de aproximadamente 1 Torr (133 Pa ) dentro de una pequeña descarga eléctrica . El láser He-Ne más conocido y más utilizado opera a una longitud de onda central de 632,81646 nm (en aire), 632,99138 nm (vac) y una frecuencia de 473,6122 THz ^[1] ), en la parte roja del espectro visible. Debido a la estructura modal de la cavidad láser, la salida instantánea de un láser puede desplazarse hasta 500 MHz en cualquier dirección desde el centro.

Los primeros láseres He-Ne emitían infrarrojos a 1150  nm y fueron los primeros láseres de gas y los primeros láseres con salida de onda continua. Sin embargo, un láser que funcionara en longitudes de onda visibles era mucho más demandado. Se investigaron otras transiciones de neón para identificar aquellas en las que se pudiera lograr una inversión de población . Se descubrió que la línea de 633 nm tenía la mayor ganancia en el espectro visible, lo que la convierte en la longitud de onda elegida para la mayoría de los láseres He-Ne. Sin embargo, son posibles otras longitudes de onda de emisión estimulada visibles e infrarrojas, y al usar revestimientos de espejo con su reflectancia máxima en estas otras longitudes de onda, los láseres He-Ne podrían diseñarse para emplear esas transiciones, incluidos los láseres visibles que aparecen en rojo, naranja, amarillo y verde. ^[2] Se conocen emisiones estimuladas desde más de 100 μm en el infrarrojo lejano hasta 540 nm en el visible.

Debido a que las transiciones visibles tienen una ganancia algo menor, estos láseres generalmente tienen eficiencias de salida más bajas y son más costosos. La transición de 3,39 μm tiene una ganancia muy alta, pero no se puede usar en un láser He-Ne común (de una longitud de onda prevista diferente) porque la cavidad y los espejos tienen pérdidas en esa longitud de onda. Sin embargo, en láseres He-Ne de alta potencia que tienen una cavidad particularmente larga, la superluminiscencia a 3,39 μm puede volverse una molestia, robando potencia del medio de emisión estimulado, lo que a menudo requiere supresión adicional.

El láser He-Ne más conocido y más utilizado opera a una longitud de onda de 632,8 nm, en la parte roja del espectro visible . Fue desarrollado en los Laboratorios Bell Telephone en 1962, ^{[3] [4]} 18 meses después de la demostración pionera en el mismo laboratorio del primer láser de gas He-Ne infrarrojo continuo en diciembre de 1960. ^[5]

El medio de ganancia del láser, como sugiere su nombre, es una mezcla de gases de helio y neón , en una proporción de aproximadamente 10:1, contenida a baja presión en una envoltura de vidrio. La mezcla de gases es principalmente helio, de modo que los átomos de helio pueden excitarse. Los átomos de helio excitados chocan con los átomos de neón, excitando algunos de ellos al estado que irradia 632,8 nm. Sin helio, los átomos de neón se excitarían principalmente a estados excitados más bajos, responsables de las líneas no láser.

Se puede construir un láser de neón sin helio, pero es mucho más difícil sin este medio de acoplamiento de energía. Por lo tanto, un láser He-Ne que ha perdido suficiente helio (por ejemplo, debido a la difusión a través de los sellos o el vidrio) perderá su funcionalidad láser porque la eficiencia de bombeo será demasiado baja. ^[6] La fuente de energía o bombeo del láser es proporcionada por una descarga eléctrica de alto voltaje que pasa a través del gas entre los electrodos ( ánodo y cátodo ) dentro del tubo. Por lo general, se requiere una corriente continua de 3 a 20 mA para el funcionamiento en CW . La cavidad óptica del láser generalmente consta de dos espejos cóncavos o un espejo plano y uno cóncavo: uno que tiene una reflectancia muy alta (típicamente 99,9%) y el espejo acoplador de salida que permite aproximadamente un 1% de transmisión.

Los láseres He-Ne comerciales son dispositivos relativamente pequeños en comparación con otros láseres de gas, con longitudes de cavidad que generalmente varían de 15 a 50 cm (pero a veces hasta aproximadamente 1 metro para lograr las potencias más altas) y niveles de potencia de salida óptica que varían de 0,5 a 50 mW .

La longitud de onda precisa de los láseres rojos de He-Ne es de 632,991 nm en el vacío, que se refracta a unos 632,816 nm en el aire. Las longitudes de onda de los modos de emisión estimulados se encuentran aproximadamente 0,001 nm por encima o por debajo de este valor, y las longitudes de onda de esos modos cambian dentro de este rango debido a la expansión y contracción térmica de la cavidad. Las versiones estabilizadas en frecuencia permiten especificar la longitud de onda de un solo modo con una precisión de 1 parte en 10 ⁸ mediante la técnica de comparación de las potencias de dos modos longitudinales en polarizaciones opuestas. ^[7] Se puede obtener una estabilización absoluta de la frecuencia (o longitud de onda) del láser de hasta 2,5 partes en 10 ^{11 mediante el uso de una celda de absorción de yodo. [8]}

El mecanismo que produce la inversión de población y la amplificación de la luz en un plasma láser He-Ne ^[5] se origina con la colisión inelástica de electrones energéticos con átomos de helio en estado fundamental en la mezcla de gases. Como se muestra en el diagrama de niveles de energía adjunto, estas colisiones excitan los átomos de helio desde el estado fundamental a estados excitados de mayor energía, entre ellos los estados metaestables de larga duración 2 ³ S ₁ y 2 ¹ S ₀ ( LS, o acoplamiento Russell-Saunders , el número delantero 2 indica que un electrón excitado está en n  = 2). Debido a una coincidencia casi fortuita entre los niveles de energía de los dos estados metaestables de He y los niveles 5s ₂ y 4s ₂ ( notación de Paschen ^[9] ) del neón, las colisiones entre estos átomos metaestables de helio y los átomos de neón en estado fundamental dan como resultado una transferencia selectiva y eficiente de energía de excitación del helio al neón. Este proceso de transferencia de energía de excitación está dado por las ecuaciones de reacción

He*(2 ³ S ₁ ) + Ne ¹ S ₀ → He( ¹ S ₀ ) + Ne*4s ₂ + Δ E ,

He*(2 ¹ S) + Ne ¹ S ₀ + Δ E → He( ¹ S ₀ ) + Ne*5s ₂ ,

donde * representa un estado excitado, y Δ E es la pequeña diferencia de energía entre los estados de energía de los dos átomos, del orden de 0,05  eV , o 387 cm ⁻¹ , que es suministrada por energía cinética. La transferencia de energía de excitación aumenta la población de los niveles de neón 4s ₂ y 5s ₂ muchas veces. Cuando la población de estos dos niveles superiores excede la del nivel inferior correspondiente, 3p ₄ , al que están conectados ópticamente, está presente la inversión de población. El medio se vuelve capaz de amplificar la luz en una banda estrecha a 1,15 μm (correspondiente a la transición de 4s ₂ a 3p ₄ ) y en una banda estrecha a 632,8 nm (correspondiente a la transición de 5s ₂ a 3p _{4 ). El nivel 3p 4} se vacía eficientemente por desintegración radiativa rápida al estado 3s, alcanzando finalmente el estado fundamental.

El paso restante en la utilización de la amplificación óptica para crear un oscilador óptico es colocar espejos altamente reflectantes en cada extremo del medio amplificador de modo que una onda en un modo espacial particular se refleje sobre sí misma, ganando más potencia en cada paso de la que se pierde debido a la transmisión a través de los espejos y la difracción. Cuando se cumplen estas condiciones para uno o más modos longitudinales , la radiación en esos modos se acumulará rápidamente hasta que se produzca la saturación de ganancia , lo que dará como resultado una salida de haz láser continuo estable a través del espejo frontal (normalmente 99% reflectante).

El ancho de banda de ganancia del láser He-Ne está dominado por el ensanchamiento Doppler en lugar del ensanchamiento por presión debido a la baja presión del gas y, por lo tanto, es bastante estrecho: solo alrededor de 1,5 GHz de ancho completo para la transición de 633 nm. ^{[7] [10]} Con cavidades que tienen longitudes típicas de 15 a 50 cm, esto permite que entre 2 y 8  modos longitudinales oscilen simultáneamente (sin embargo, hay unidades de modo longitudinal único disponibles para aplicaciones especiales). La salida visible del láser He-Ne rojo, la gran longitud de coherencia y su excelente calidad espacial, hacen de este láser una fuente útil para la holografía y como referencia de longitud de onda para espectroscopia . Un láser He-Ne estabilizado también es uno de los sistemas de referencia para la definición del medidor. ^[8]

Antes de la invención de los láseres de diodo baratos y abundantes , los láseres rojos He-Ne se utilizaban ampliamente en los lectores de códigos de barras de las cajas de los supermercados. Los láseres He-Ne suelen estar presentes en los laboratorios ópticos educativos y de investigación. También son insuperables para su uso en nanoposicionamiento en aplicaciones como la fabricación de dispositivos semiconductores . Los giroscopios láser de alta precisión han empleado láseres He-Ne que funcionan a 633 nm en una configuración de láser de anillo .

Los láseres rojos He-Ne tienen una enorme cantidad de usos industriales y científicos. Se utilizan ampliamente en demostraciones de laboratorio en el campo de la óptica debido a su costo relativamente bajo y facilidad de operación en comparación con otros láseres visibles que producen haces de calidad similar en términos de coherencia espacial (un haz gaussiano monomodo ) y gran longitud de coherencia (sin embargo, desde aproximadamente 1990 los láseres semiconductores han ofrecido una alternativa de menor costo para muchas de estas aplicaciones).

A partir de 1978, los láseres de tubo HeNe (fabricados por Toshiba y NEC ) se utilizaron en los reproductores LaserDisc de Pioneer . Esto continuó hasta la línea de modelos de 1984, que contenía diodos láser infrarrojos en su lugar. Pioneer continuó utilizando diodos láser en todos los reproductores LaserDisc posteriormente hasta que LaserDisc se discontinuó en 2009.

• Lista de tipos de láser