Láseres de helio-neón para aplicaciones industriales y científicas
En mayo de 1960, el físico Theodore H. Maiman del Laboratorio de Investigación Hughes en Malibú, California, demostró el primer láser del mundo. Usó rubí (CrAlO3) y una lámpara de flash fotográfico como fuente de bombeo láser para producir un rayo rojo con una longitud de onda de 694 nanómetros. Tres físicos han iniciado una disputa de patentes de 30 años sobre quién debería disfrutar del descubrimiento científico y los derechos de patente del concepto láser.
El láser tiene tres componentes básicos:
La condición necesaria para la generación del láser es excitar la mayoría de los electrones en la cavidad resonante a un nivel de energía superior, que es la llamada partícula. inversión de números. Este es un estado inestable de los electrones. Entonces, después de una breve estadía en este estado, regresan a su estado de energía original de dos maneras:
Esta transición estimulada libera energía en forma de fotones, que tienen la misma energía que la fase de fotón incidente. , longitud de onda y dirección de propagación. Los fotones emitidos se propagan hacia adelante y hacia atrás en la cavidad resonante óptica y pasan a través del material láser entre el espejo de reflexión total y el espejo de reflexión parcial, lo que hace que la energía de la luz continúe aumentando hasta que se acumule suficiente energía, y se emitirá un rayo a través de el espejo de reflexión parcial.
Como todas las opciones de componentes, no existe un único láser "mejor" porque las diferentes aplicaciones requieren diferentes longitudes de onda, niveles de potencia y otras especificaciones, que a menudo dependen de los factores físicos de la situación específica. Los láseres He-Ne suelen ser adecuados para muchos proyectos industriales y de prueba, como la espectroscopia Raman, una técnica de inspección óptica no destructiva que no tiene contacto físico directo con la muestra.
Este análisis espectral permite un análisis rápido y preciso de sólidos, polvos, líquidos y gases y es adecuado para análisis de materiales, microscopía, productos farmacéuticos, identificación forense, identificación de fraude alimentario, monitoreo de procesos químicos y una variedad de aplicaciones de seguridad nacional. funciones. Para estas aplicaciones, los láseres de He-Ne tienen muchas propiedades atractivas: longitud de onda y potencia de salida estables, salida de rojo ultramonocromático a λ = 632,8 nm (a menudo simplificado a 633 nm), haz estrecho, baja divergencia y buena coherencia y estabilidad de salida que no cambia con la distancia y el tiempo.
El láser He-Ne consta de un tubo de vidrio hueco con un reflector interno. El tubo se llena con 85-90% de helio y 10-15% de neón (el medio láser real) a una presión de aproximadamente 1 Torr (0,02 psi). También hay dos reflectores internos en el tubo de vidrio, que se colocan en ambos extremos del tubo de descarga. Uno de ellos es un espejo plano de alta reflexión y el otro es un espejo de acoplamiento de salida cóncavo con una transmitancia de aproximadamente el 1% (Figura). 1).
Durante el proceso de bombeo, se aplica un pulso de alto voltaje (aproximadamente 1000 V a 1500 V CC, 10 a 20 mA) al gas mezclado para descargarlo. La luz láser real proviene de la desactivación del portador entre las capas de electrones de los átomos de Ne (como la transición de 3s a 2p). La transición de 3s a 2p producirá la salida principal a 632,8 nm. Además, se producen otras transiciones de niveles de energía, que producen salidas a 543 nm, 594 nm, 612 nm y 1523 nm, pero la salida de 632,8 nm es la más útil.
En los primeros días del desarrollo del láser, las unidades láser y las fuentes de alimentación solían estar hechas a mano. Hoy en día, los láseres son componentes fácilmente disponibles, especialmente los láseres de gas He-Ne y otros productos ampliamente utilizados. Además, estos dispositivos están disponibles en un rango de potencia muy amplio, como lo ejemplifican los dos láseres de la serie REO de Excelitas Technologies.
El primer ejemplo es el modelo 31007, que se encuentra en el extremo inferior del rango de potencia de esta serie y puede entregar 0,8 mW (mínimo) con un diámetro de haz de 0,57 mm y una divergencia del haz de 1,41 mrad ( Figura 2). El tubo láser necesita aplicar 1500 V/5,25 mA cuando funciona. La longitud es de aproximadamente 178 mm y el diámetro es de aproximadamente 44,5 mm. El nivel de seguridad de la CDRH de EE. UU./CE es IIIa/3R.
El modelo 30995 se encuentra en el extremo superior del rango de potencia de la serie REO. Es un láser de 17 mW (típico) y 25 mW (máx.) que requiere la aplicación de 3500 V/7 mA. La longitud del tubo láser es de aproximadamente 660 mm, el ancho del haz es de 0,92 mm y la divergencia es de 0,82 mrad. Este láser tiene un nivel de seguridad IIIb/3B CDRH/CE más estricto.
Hay muchas razones para elegir el láser de menor potencia que pueda hacer el trabajo. Cuanto menor sea la potencia, menor será el riesgo para la seguridad, menores serán los requisitos reglamentarios, menor será el tamaño del tubo láser, menor será el costo y menor será la fuente de alimentación.
La fuente de alimentación es fundamental para el rendimiento del láser. Para los láseres He-Ne, primero se debe aplicar al tubo láser unos 10 kV CC (voltaje de ruptura) para iniciar el proceso de excitación. Además, se requiere una tensión de mantenimiento en estado estable de 1 a 3 kV CC y una corriente inferior a 10 mA. Si bien los niveles de potencia son modestos (sólo 20 a 30 W), pocos ingenieros tienen las condiciones, la capacitación o el tiempo para diseñar una fuente de alimentación adecuada para este voltaje, especialmente considerando factores como los requisitos regulatorios y de seguridad, las distancias de fuga y los espacios libres. certificaciones y rendimiento eléctrico y electromagnético (EMI) básico.
¿Por qué el voltaje de arranque es mayor que el voltaje de mantenimiento? El láser de helio-neón es un elemento de "resistencia negativa". A medida que aumenta la corriente, el voltaje a través del tubo láser disminuye. El mismo problema puede ocurrir con simples bombillas de luz de neón, como la famosa pero ahora obsoleta bombilla NE-2 de "tubo nixie". Su voltaje de ruptura o "arco" es de aproximadamente 90 V (CA o CC) y luego su voltaje de operación cae a aproximadamente 60 V. En el pasado, para proporcionar un voltaje de arranque más alto y luego un voltaje de operación más bajo, los diseños usaban un método. por los investigadores es utilizar una resistencia de balastro en serie de aproximadamente 220 kΩ (Figura 3).
Sin embargo, esta sencilla solución no es adecuada para tubos láser He-Ne en aplicaciones comerciales. El primero son los requisitos reglamentarios y de seguridad. En segundo lugar, la fuente de alimentación debe coincidir adecuadamente con el tubo láser para un rendimiento óptimo y el voltaje de arranque debe permanecer dentro de las tolerancias. En tercer lugar, la estabilidad del voltaje y la corriente de salida de la fuente de alimentación es fundamental para mantener la estabilidad del láser.
Por estos motivos, Excelitas Technologies ofrece una fuente de alimentación plug-and-play que cumple con los requisitos técnicos y reglamentarios para láseres de helio-neón de baja potencia. Por ejemplo, la fuente de alimentación 39783 funciona de 100 a 130 V CA y de 200 a 260 V CA (50 a 400 Hz), proporciona 1500 a 2400 V, tiene un voltaje de arranque superior a 10 kV CC y opera a 5,25 mA (Figura 4). ). Una regulación estricta de la corriente es fundamental para el rendimiento estable de un tubo láser de helio-neón, por lo que el 39783 la mantiene en 0,05 mA. La base de esta fuente de alimentación es pequeña, de sólo 241 x 133 mm, con una altura de 54 mm. También viene con un bloqueo físico con llave para garantizar la seguridad.
Para tubos láser He-Ne de mayor tamaño, Excelitas ha lanzado la fuente de alimentación 39786 con el mismo tamaño de paquete. La fuente de alimentación proporciona una salida superior de 3200 a 3800 V, con un voltaje de arranque de más de 12,5 kV y una corriente CC de hasta 7,0 mA.