ARTÍCULO ORIGINAL

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LÁSER SÓLIDO PULSADO DEL TIPO YAG: ND+++

Omar Alberto Ormachea Muñoz, Ph.D.

Universidad Privada Boliviana
Av. Capitán Victor Ustariz. km 6.5, Campus UPB
Cochabamba, Bolivia

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RESUMEN

Se diseñó y construyó un láser sólido pulsado del tipo YAG:Nd⁺⁺⁺ excitado ópti­camente por una lámpara flash (medio gaseoso = Xenón), con picos intensos de emisión en longitudes de onda cercanas a las bandas de absorción de los iones de Nd⁺⁺⁺. La longitud de onda de generación corresponde al infrarrojo A = 1,064pm, armónica prin­cipal, con la posibilidad de doblar la frecuencia de emisión con el uso de un cristal de LiNb0₃, A = 0,532pm, segunda armónica del láser correspondiente al diapasón visible.

Descriptores: Óptica, Láseres, Diseño de Instrumentos.

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1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, es prácticamente imposible imagi­nar el campo de investigación sin el uso de la óptica del láser (Light Amplific_ation by Stimulated Emission of Radiation, Amplificación de Luz por Emisión Estimula­da de Radiación), utilizado de manera abrumadora en el desarrollo tecnológico actual, acompañado de reper­cusiones económicas, sociales e incluso políticas.

En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los láseres y de sus predecesores los máseres, utilizando la ley de radiación de Max Planck, basándose en los conceptos de emisión espontánea e in­ducida de radiación [1] . El primer láser construido en el diapasón óptico fue diseñado por T. H. Maiman en el Hughes Research Laboratories en 1960 [2,3], los centros activos usados fueron los iones de Cr⁺⁺⁺ que se pre­sentan como impurezas en el cristal de Al₂0₃, "láser de rubí" . Después del descubrimiento del láser de rubí, So­rokin y Stevenson [4] y Kaiser y Garret [5], crearon el láser sólido de cuatro niveles energéticos, donde el me­dio activo usado fue el cristal CaF₂ activado por iones de elementos de tierras raras. El siguiente paso impor­tante en esta dirección fue dado por Snitser [6] quien en 1961 disparó el primer láser activado con iones de Nd⁺⁺⁺. La importancia del láser sólido pulsado del ti­po YAG está no sólo en su extensa aplicación científica, sino también en sus aplicaciones directas en medicina, cosmetología y otros campos.

2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL LÁSER

Existen cuatro procesos básicos en la generación de la emisión láser: el bombeo, la emisión espontánea de radiación, la emisión estimulada de radiación y la absor­ción:

Bombeo: Se realiza mediante una fuente de radiación (una lámpara). El paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que dan lugar a la transición energética de los electrones de los átomos o moléculas a un estado de excitación.

Emisión espontánea de radiación: Durante este pro­ceso, los electrones vuelven al estado fundamental emitiendo fotones. Es un proceso aleatorio y la ra­diación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distin­tas, generándose una radiación monocromática in­coherente.

Emisión estimulada de radiación: La emisión esti­mulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado exci­tado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado de menor energía. El estímulo en cuestión, proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos po­seen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma sino, también, "amplifica" la emisión de luz ya que, por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro fotón.

Absorción: Proceso mediante el cual un átomo o molécula absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado tnetaestable. Este fenómeno com­pite con la emisión estimulada de radiación

La estructura principal de un láser [7,9], consta del medio activo, los espejos que forman el resonador láser y

el sistema de bombeo. En la fig. 1 se muestra la cavidad amplificadora con un sistema de bombeo y un par de espejos planos (o ligeramente cóncavos) en sus extremos, la línea punteada indica el eje óptico del sistema.

El par de espejos paralelos recibe el nombre de re­sonador óptico. Uno de los espejos del resonador es casi 100% reflectante y el otro tiene una reflectancia típica de alrededor del 90 %.

Para comprender la función del resonador óptico, en la fig. 1 se muestra al oscilador óptico inmediatamen­te después de que el sistema de bombeo fue disparado. Cualquier fotón que sea emitido en una dirección diferen­te de la definida por el eje óptico del resonador óptico se perderá, mientras que cualquier fotón emitido a lo lar­go del eje óptico del oscilador será amplificado por el proceso de emisión estimulada e inmediatamente se ge­nerará un enorme flujo de fotones confinados por el re­sonador óptico que se propaga a lo largo del eje óptico. Si el resonador óptico no estuviera presente, después de disparar el sistema de bombeo, los átomos o moléculas que fueron excitados pasarían a su estado base debido al proceso de emisión espontánea, emitiendo fotones en todas direcciones y perdiendo la energía recibida por el sistema de bombeo

El resonador óptico permite extraer en forma eficien­te la energía que el sistema de bombeo deposita en los átomos o moléculas contenidos en la cavidad amplifica­dora. Debido a que uno de los espejos del resonador tie­ne una reflectancia del 90 %, el 10 % de los fotones que incidan en él son transmitidos fuera del resonador ópti­co, formando un haz de luz muy intenso, monocromático (formado por fotones de idéntica energía), coherente (to­dos sus fotones están en fase ya que fueron producidos por el proceso de emisión estimulada) y altamente di­reccional. Éstas son las propiedades fundamentales de la luz láser generada por todo oscilador óptico.

3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN YAG:ND⁺⁺⁺ LÁSER

Un láser sólido pulsado del tipo YAG:Nd⁺⁺⁺ consta esquemáticamente de tres partes: El sistema electrónico y de bombeo óptico, la parte opto-mecánica y el sistema de enfriamiento.

Figura 2. Espectros de absorción del cristal YAG:Nd⁺⁺⁺ (a) y emisión de lámparas flash de Xenón (b), Kriptón (c).

La eficiencia de conversión de energía eléctrica en energía óptica de bombeo del medio activo, que a su vez se transforma en energía de emisión láser, es muy baja (del orden del 3-7 %), gran parte de la energía eléctrica se convierte en calor y surge la necesidad de incorporar un sistema de enfriamiento del sistema de bombeo óptico y del medio activo.

El bombeo óptico del sistema está compuesto por una lámpara flash (medio gaseoso: Xenón). Podrían usarse lámparas flash con Kriptón, ya que el espectro de emi­sión de ambos gases tienen picos muy cercanos a los picos de absorción del cristal YAG:Nd⁺⁺⁺ , fig. 2.

La salida espectral de las lámparas flash está deter minada especialmente por la densidad de corriente i que fluye por unidad de área seccional de la lámpara [10],

donde d es el diámetro de la lámpara e I es la corrien­te que fluye a través de ella. La unidad de la densidad de corriente es Amperio sobre centímetros al cuadrado (A crnˉ²).

En una lámpara pulsada, la cantidad de flujo de corriente varía con el tiempo, incrementándose desde cero hasta un máximo y después decreciendo, la sali­da espectral también varía entonces con el tiempo. La representación gráfica de esta variación es usualmente un ploteo tiempo-integral de la salida de la lámpara. La variación temporal es llamada la relación "E₀ : T A" . Las unidades de medición de esta relación son Vatios so­bre centímetro al cuadrado (W/cm²) que es la medida de la densidad de potencia relacionada a la densidad de corriente. .E₀ es la energía del pulso en Joules (J), T es el ancho del pulso en segundos (s) y A se refiere a la superficie interna de la lámpara en la región de descar­ga (aproximadamente dL_A, donde LA es la longitud de arco de la lámpara).

Las líneas espectrales en el infrarrojo cercano son do­minantes en bajas densidades de potencia de alrededor de 2500 W/cm², figs. 2b y 2c. La comparación de la sali­da espectral de las lámparas de Xenón con las de Kriptón muestra, al analizar las dependencias, que las lámparas de Kriptón son generalmente escogidas para densidades de potencias bajas (magnitudes típicas alrededor de los 16000 W/crn²). A densidades de potencia mayores a los 16000 W/cm², las lámparas de Xenón resultan más efi­cientes como fuentes de bombeo óptico para los crista­les del tipo YAG:Nd⁺⁺⁺ , debido a que éstas tienen una mayor eficiencia de conversión a altas densidades de po­tencia en relación a las de Kriptón.

Respecto a la parte electrónica, en la fig. 3 se muestra el circuito básico electrónico [11] que se usa para disparar la lámpara flash. Está conformado por la fuente de alta tensión FAT, la fuente del trigger FT, el trigger, el ^.sis­tema de almacenaje de energía eléctrica compuesto por condensadores C y la lámpara flash.

La fuente de alta tensión fue diseñada para dar los siguientes parámetros: Potencia = 1 kW de potencia y 400 voltios en AC, que posteriormente se rectifica a una tensión de U = 560V en DC. La fuente del trigger a su vez proporciona una tensión de U = 300V, que a su vez se transforman por el secundario del trigger a U = 9kV de pico. Los condensadores fueron agrupados de tal manera que poseen una capacitancia total de 8400 u! y una tensión de U = 500V.

La energía almacenada en el sistema está dada por la siguiente relación [10]:

A partir de esta relación, se calcula directamente la energía empleada en el sistema y se tiene E = 1050 J.

Figura 3. Circuito electrónico básico.

Este valor sugiere que el sistema de bombeo óptico des­prende una gran cantidad de calor, de donde surge la necesidad de un sistema de enfriamiento forzado por cir­culación de un flujo continuo de agua destilada.

El proceso de funcionamiento es el siguiente: La FAT carga los condensadores hasta su máximo valor en capa­citancia y voltaje, esa tensión no .es suficiente para que se realice la descarga a través de la lámpara flash y es necesario conectar posteriormente el trigger, cuya tarea es la de abrir el canal de descarga en la lámpara flash introduciendo un voltaje de pico de alrededor de 9 kV , eso se logra con la fuente FT que introduce una tensión de alrededor de 300 V al primario y el secundario, que tiene calculado un factor de 30, proporciona la tensión necesaria., de esta manera se produce una descarga rápi­da acompañada de toda la corriente almacenada en los condensadores.

Este proceso requirió el diseño y experimentación de una decena de transformadores de la FAT y del trigger. Se resolvieron varios problemas relacionados con el arranque de la lámpara flash, se optimizaron los parámetros de tensión, de voltaje de la FAT y de voltaje (le pico del trigger. Uno de los parámetros más importan­tes del sistema trigger es su impedancia que debe ser me­nor o igual a la impedancia interna de la lámpara flash, eso se consiguió incrementando el diámetro del cable de cobre usado en el transformador de la FT, obteniendo un valor de R = 0,3 9. Este valor de la impedancia asegura que toda la corriente almacenada en los capacitores_.cir­cule con la menor resistencia posible a través del sistema trigger.

Los parámetros de potencia de la fuente de alta ten­sión no fueron optimizados, para cargar los condensado­res a su máxima expresión se necesitaban alrededor de tres minutos.

La parte opto-mecánica fue realizada según la des­cripción realizada en la parte 2 de este artículo. Para la construcción del resonador óptico se usaron dos es­pejos dieléctricos planos, de reflectancias R₁ = 99, 9 % y R2 = 20 % para la longitud de onda = 1,064 pm, correspondiente al infrarrojo. El resonador y los monta­dores ópticos fueron fabricados con material reciclado de aluminio, de mayor facilidad de manejo que metales más duros como el hierro o acero.

Una de las partes más complejas del sistema optomecánico fue la construcción del quantron, el elemento que envuelve la lámpara flash y el medio activo. En su interior se encuentra una pieza de vidrio sólido con una película reflectante metálica que permite usar al máximo y de manera más efectiva el bombeo óptico producido por la lámpara. Este elemento es hermético ya que en su interior circula el agua destilada que permite controlar la temperatura de los elementos ópticos.

El sistema de enfriamiento consta de una bomba de agua de mediana potencia, que sirve para hacer circular al agua destilada en el quantron y un sistema de sen­sores de temperatura que dispara automáticamente los ventiladores del sistema de disipación cuando el líquido excede la temperatura de T = 25°C.

Una vez reunidos todos los componentes esenciales y producida la generación láser, a una longitud de onda A = 1,064 pm, correspondiente al infrarrojo (denomina­da armónica principal), se introdujo un cristal a la salida del resonador óptico (LiNb0₃), el cual tiene la propie­dad de doblar la frecuencia de la luz láser emitida, ob­teniendo radiación en el diapasón visible A = 0,532 pm, (denominada segunda harmónica del láser).

4. CONCLUSIONES

En fecha 09.02.2007 fue arrancado por primera vez un prototipo funcional (láser sólido pulsado del tipo YAG:Nd⁺⁺⁺ ), diseñado y construido completamente en Bolivia, el cual puede trabajar en las longitudes de onda de A = 1,064pm, y A = 0,532m.

Todo el proceso de desarrollo y construcción del pro­totipo fueron realizados de forma prácticamente artesa­nal, con costos inferiores en un factor de por lo menos 2.5 respecto a los costos de construcción de equipos análogos europeos y americanos.

5. AGRADECIMIENTOS

Mi agradecimiento a mi señor padre, Ing. Carlos Or­machea Prieto, por su dedicación y ayuda en los prin­cipales esquemas electrónicos, el diseño y montaje de la parte mecánica. También quiero agradecer a Iván Rivero (estudiante de Ingeniería eléctrica de la UMSA) por su colaboración en la construcción de las fuentes de poder del láser y del trigger.

REFERENCIAS

1. Einstein A., Zs. Phys., 18, 21 (1917).        [ Links ]

2. Maiman T.H., Phys. Re^y. Letters, 4, 564 (1960).        [ Links ]

3. Maiman T.H., Phys. Re^y., 123, 1145 (1961).        [ Links ]

4. Sorokin P.P., Stevenson M.J., Phys. Re^y. Letters, 5, 557 (1960).        [ Links ]

5. Kaiser W., Garret C.G.B., Wood D.L., Phys. Re^y. Letters, 123, 766 (1961).        [ Links ]

6. Snitser E., Phys. Re^y. Letters, 7, 444 (1961).        [ Links ]

7. Zvelto, Principies of lasers, Springer, 1988.        [ Links ]

8. L.V. Tarasov, Fisica de los procesos en los generadores de emisión óptica coherente, MIR, 1981., en ruso.        [ Links ]

9. F. Kaczmarek, Introducción a la fisica de laseres, MIR, 1981., en ruso http://www.heraeus-noblelight.com/en/laser-lamps/. . .  (The lamp book - technical reference book for arc and flash lamp).        [ Links ]

10.  J.T. Verdeyen, Laser electronics, PH, 1995.        [ Links ]