Por qué y cómo usar los láseres HeNe para aplicaciones industriales y científicas

Los láseres son ahora una parte indispensable del conjunto de herramientas del diseñador de sistemas industriales, ya que permiten aplicaciones que van desde las mediciones y la detección a nivel micro hasta las funciones industriales a gran escala. Uno de los láseres más utilizados para aplicaciones industriales y científicas es el láser de gas helio-neón (HeNe), y por muchas buenas razones, entre ellas su alto rendimiento, pequeño tamaño, estabilidad y alta calidad de salida óptica. Sin embargo, los diseñadores deben hacer coincidir el tubo láser con una fuente de alimentación de alto voltaje adecuada para el arranque efectivo del láser, su funcionamiento continuo y su larga vida útil.

Este artículo trata sobre los láseres y las opciones de láser antes de examinar más de cerca el láser HeNe, y por qué se utiliza tan ampliamente. A continuación, examina los factores a considerar para una aplicación exitosa de esta clase de láser, por ejemplo, dispositivos de la familia REO de láseres HeNe y fuentes de alimentación adecuadas de Excelitas Technologies.

¿Qué son los láseres?

Láser es la abreviatura de "amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de radiación". Las propiedades únicas de la salida del rayo láser es que la energía electromagnética y las ondas de salida son monocromáticas, coherentes y alineadas entre sí en fase, tiempo y espacio. Esto es así tanto si la salida del láser está en la parte visible o invisible del espectro óptico. La mayoría de los láseres tienen una longitud de onda de salida fija (λ), pero algunos pueden ajustarse a uno de varios valores de longitud de onda discreta.

El primer láser fue demostrado por Theodore H. Maiman, un físico de los Laboratorios de Investigación Hughes en Malibu, CA, en mayo de 1960. Utilizó rubí (CrAlO3) y linternas fotográficas como fuente de "bombeo" del láser para producir un rayo de luz roja a una longitud de onda de 694 nanómetros (nm). La cuestión de quién debería obtener el crédito científico por la concepción del láser, así como los derechos de autor, fue objeto de una disputa sobre patentes de 30 años entre tres físicos.

Cómo funcionan los láseres

Los láseres tienen tres bloques de construcción básicos:

• El propio material láser, que puede ser un sólido, líquido, gas o semiconductor, y puede emitir luz en todas las direcciones.
• Una fuente de bombeo que añade energía al material láser, como una lámpara de flash, una corriente eléctrica para causar colisiones de electrones, o la radiación de otro láser.
• Una cavidad óptica compuesta por reflectores -uno totalmente reflectante y otro parcialmente reflectante- que proporcionan el mecanismo de retroalimentación positiva para la amplificación de la luz.

Para que se produzca la acción láser, es necesario excitar la mayoría de los electrones dentro de la cavidad a un nivel de energía más alto, lo que se conoce como inversión de la población. Esta es una condición inestable para los electrones, por lo que se mantienen en este estado por un corto tiempo y luego decaen a su estado de energía original de dos maneras:

• Primero, hay una decadencia espontánea, ya que los electrones simplemente caen a su estado de tierra mientras emiten fotones dirigidos aleatoriamente.
• En segundo lugar, hay una decadencia estimulada donde los fotones de los electrones en decadencia espontánea golpean a otros electrones excitados, lo que hace que caigan a su estado de tierra.

Esta transición estimulada liberará energía en forma de fotones, que viajan en fase y en la misma longitud de onda y en la misma dirección que el fotón incidente. Los fotones emitidos viajan de ida y vuelta en la cavidad óptica, a través del material de lastre entre el espejo totalmente reflectante y el espejo parcialmente reflectante. Esta energía lumínica se amplifica hasta que se acumula suficiente energía para que un estallido de luz láser se transmita a través del espejo parcialmente reflectante.

Los cuatro tipos principales de láseres

Mientras que el primer láser óptico se basó en un cristal de rubí, ahora hay cuatro tipos principales de láser y materiales en uso: diodo semiconductor, gas, líquido y sólido. En resumen, y con una considerable simplificación, funcionan de la siguiente manera:

1: El diodo láser: Es un diodo emisor de luz (LED) que utiliza una cavidad óptica en material de estado sólido para amplificar la luz emitida por el hueco de la banda de energía que existe en los semiconductores. El diodo láser puede sintonizarse con diferentes longitudes de onda variando la corriente aplicada, la temperatura o el campo magnético, y la salida puede ser una onda continua (CW) o pulsada.

2) Láseres de gas: Estos usan un tubo lleno de gas para la cavidad. Se aplica un voltaje (llamado fuente de bomba externa) al tubo para excitar los átomos del gas a la inversión de la población en la que los electrones pasan de un estado de energía a otro más alto y viceversa. Los fotones rebotan entre los extremos de la cavidad debido a los espejos, y su número se acumula en una acción oscilante. La luz emitida por este tipo de láser es normalmente CW.

3) Láseres líquidos o de colorante: Utilizan un material activo en una suspensión líquida en una célula de colorante como medio de láser. Estos láseres son populares porque pueden sintonizarse con una de varias longitudes de onda cambiando la composición química del colorante.

4) Láser de electrones libres sólidos: Este utiliza un rayo de electrones que viaja a lo largo de una cavidad óptica que está inmersa en un campo magnético externo serpenteante. El cambio de dirección de los electrones debido al campo magnético hace que emitan fotones. Este láser puede generar longitudes de onda desde el microondas hasta la región de los rayos X.

Por supuesto, los detalles de operación involucran física cuántica avanzada, ciencia de los materiales, principios de energía electromagnética, fuentes de energía y fuentes de bombeo. La longitud de onda específica emitida es una función del tipo de láser, de los materiales y de cómo se excita o bombea el láser (Tabla 1).

Tabla 1: Un resumen de los diversos tipos de láser muestra la longitud de onda específica de la luz producida por cada material láser. (Fuente de la tabla: Federación de Científicos Americanos)

Para los diseñadores de sistemas basados en láser, los principios subyacentes son de interés en la medida en que contribuyen a adquirir una comprensión de los parámetros relacionados, sus implicaciones y sus limitaciones.

Parámetros críticos del láser para los diseñadores

Como en todos los componentes, hay algunos parámetros de primer nivel que definen la selección básica y el rendimiento, junto con muchos parámetros de segundo y tercer nivel. En el caso de los láseres, los parámetros que se observan en primer lugar son la longitud de onda de salida, la potencia de salida, el diámetro del haz y la divergencia del haz (dispersión). También son importantes el tipo de salida (pulso o CW), la eficiencia, la forma de la sección transversal del haz de salida (perfil), la vida útil, la capacidad de control y la facilidad de uso.

Tenga en cuenta que la potencia de salida del láser puede variar de miliwatios (mW) a kilovatios (kW), dependiendo de la longitud de onda y el tipo de láser. Muchas aplicaciones del láser, como la instrumentación de prueba y medición a pequeña escala, sólo necesitan unos pocos milivatios, mientras que los láseres de kilovatios se utilizan para el corte de metales y las armas de energía dirigida.

Como ocurre con todas las mediciones de la potencia óptica, cuantificar la potencia de salida del láser y hacerlo con precisión es complicado, y los tecnólogos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han dedicado un esfuerzo considerable a este desafío. La medición se ve afectada por las características de la energía óptica: longitud de onda, nivel de potencia, CW o pulso, y qué parámetro se está midiendo, como la potencia media, la potencia de pico, el espectro y la dispersión) (Tabla 2).

Tabla 2: La medición de la potencia óptica del láser es un gran desafío, y se requieren diferentes sensores y técnicas dependiendo de la longitud de onda y el período de salida. (Fuente de la tabla: Coherent Inc.)

También hay que tener en cuenta que casi todo lo que tiene que ver con los láseres, la potencia de salida y la longitud de onda está sujeto a muchas restricciones de seguridad para evitar daños en los ojos, la piel y los materiales. Estas complicadas restricciones y las clases de láser asociadas son definidas por los organismos reguladores de diversos países y regiones del mundo. Esta es otra buena razón para usar la menor potencia de láser posible para el proyecto y por qué los vendedores ofrecen láseres con niveles de potencia de salida espaciados. Por ejemplo, la familia de reactores incluye láseres HeNe similares con una potencia de 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 y 25 mW, un rango de más de 25:1.

Aplicaciones, características y funcionamiento del láser HeNe

Como en todas las elecciones de componentes, no hay una única unidad de láser "mejor", ya que las aplicaciones necesitan diferentes longitudes de onda, niveles de potencia y otras especificaciones, generalmente definidas por la física de la situación. El láser HeNe suele ser adecuado para muchos proyectos industriales y de prueba, como la espectroscopia Raman, una técnica de inspección óptica no destructiva que no requiere un contacto físico directo con la muestra.

Esta espectroscopia se utiliza para el análisis químico rápido y preciso de sólidos, polvos, líquidos y gases en el análisis de materiales, microscopía, farmacia, medicina forense, identificación de fraudes alimentarios, supervisión de procesos químicos y diversas funciones de seguridad nacional. Entre los atributos atractivos del láser HeNe para estas aplicaciones están su estable longitud de onda de salida y su potencia, la salida roja extremadamente monocromática en λ = 632,8 nm (a menudo simplificada a 633 nm), el haz estrecho, la baja divergencia y la buena coherencia y estabilidad de la salida a lo largo de la distancia y el tiempo.

El láser HeNe está construido alrededor de un tubo de vidrio hueco con espejos que miran hacia adentro y lleno de 85-90% de gas helio y 10-15% de gas neón (el verdadero medio del láser) a una presión de alrededor de 1 Torr (0,02 libras por pulgada cuadrada (lb/in²)). El tubo también tiene dos espejos orientados hacia adentro. Uno es un espejo plano y altamente reflectante en un extremo, el otro es un espejo acoplador de salida cóncavo con aproximadamente un 1% de transmisión en el otro extremo (Figura 1).

Figura 1: El corazón del láser HeNe es un tubo de vidrio lleno principalmente de helio, con un pequeño porcentaje de neón; el tubo tiene un espejo interno totalmente reflectante en su extremo posterior y un espejo de transmisión del 1% para el acoplamiento de salida en el extremo de salida del rayo. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Durante el proceso de bombeo, se inicia una descarga eléctrica a través de la mezcla de gases mediante un pulso de alto voltaje (aproximadamente 1000 voltios a 1500 voltios CC, a 10 a 20 miliamperios (mA)). El lazo real proviene de la desexcitación de los portadores entre los niveles de energía orbital de los electrones (como 3s a 2p) de los átomos de Ne. Esta transición de 3s a 2p produce la salida primaria de 632.8 nm. También se producen otras transiciones en el nivel 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.

Los láseres HeNe ahora catalogan artículos.

En los primeros días de los láseres, las unidades se hacían a menudo a mano, al igual que la fuente de alimentación. Ahora, los láseres, especialmente los más utilizados, como los láseres de gas HeNe, están disponibles como componentes "listos para usar" con potencias que abarcan una amplia gama, como lo demuestran dos láseres de la familia REO de Excelitas Technologies.

El primer ejemplo, el Modelo 31007, se encuentra en el extremo inferior de la escala de potencia, capaz de entregar 0.8 mW (mínimo) con un diámetro de haz de 0.57 milímetros (mm) y una divergencia de haz de 1.41 milirradios (mrad) (Figura 2). Requiere 1500 voltios a 5.25 mA durante el funcionamiento para el tubo láser, que tiene unos 178 mm de longitud y 44.5 mm de diámetro; tiene una clasificación de seguridad del Centro de Dispositivos y Salud Radiológica (CDRH)/CE de IIIa/3R.

Figura 2: El láser HeNe de baja potencia modelo 31007 puede emitir al menos 0.8 mW con un diámetro de rayo de 0.57 mm y una divergencia de rayo de 1.41 mrad. (Fuente de la imagen: Excelitas Technologies)

En el extremo superior del rango de potencia del reactor es el 30995, un láser de 17 mW (típico), 25 mW (máximo) que requiere 3500 voltios a 7 mA. La longitud de su tubo es de unos 660 mm, el ancho del haz es de 0.92 mm, y la divergencia es de 0.82 mrad. Tiene una clasificación de seguridad más restrictiva IIIb/3B CDRH/CE.

Hay muchas razones para seleccionar el láser de menor potencia que pueda hacer el trabajo. Menos energía significa menos preocupaciones de seguridad y mandatos reguladores, junto con un tamaño de tubo más pequeño, menor costo y una fuente de energía más pequeña.

Suministro de energía: crítico para los láseres HeNe

La fuente de alimentación es crítica para el rendimiento de los componentes del láser. Para los láseres HeNe, el tubo necesita primero unos 10 kV CC (voltaje de ruptura) para iniciar el proceso de excitación. Además, requiere un voltaje de mantenimiento en estado estable en el rango de 1 a 3 kV de CC, junto con una corriente inferior a 10 mA. Aunque el nivel de potencia es modesto, solo 20 a 30 vatios, pocos ingenieros están equipados, capacitados o tienen tiempo para diseñar un suministro adecuado para este voltaje, especialmente dados los requisitos de seguridad y normativos y las certificaciones para factores como la fuga y el despeje, además del rendimiento eléctrico y electromagnético (EMI) básico.

¿Por qué la necesidad de un voltaje de iniciación más alto comparado con el voltaje de mantenimiento? El láser HeNe es un dispositivo de "resistencia negativa", por lo que el voltaje a través del tubo disminuye a medida que la corriente aumenta. Lo mismo ocurre con la simple bombilla de neón, como la legendaria, pero ahora en gran parte obsoleta, bombilla NE-2 "luz brillante". Su voltaje de ruptura o "golpe" es de alrededor de 90 voltios (CA o CC), después de lo cual el voltaje de funcionamiento cae a unos 60 voltios. Una forma en que los diseñadores proporcionaron el mayor voltaje de iniciación, seguido de un menor voltaje de funcionamiento, fue utilizar una resistencia de balasto en serie de unos 220 kilohmios (kΩ) (Figura 3).

Figura 3: Los dispositivos de resistencia negativa como los tubos láser HeNe y las lámparas de neón (como el NE-2 que se muestra aquí) necesitan una función de resistencia de balasto para acomodar su fase de iniciación de mayor voltaje/baja corriente, seguida de su fase de sostenimiento de menor voltaje/alta corriente. (Fuente de la imagen: Lewis Loflin/Bristol Watch)

Sin embargo, esta simple solución no es apropiada para un tubo láser HeNe en una aplicación comercial. Primero, están los mandatos de seguridad y regulación. En segundo lugar, el suministro debe estar correctamente ajustado al tubo para un rendimiento óptimo y el voltaje de iniciación debe mantenerse dentro de la tolerancia. Tercero, la estabilidad del voltaje de salida del suministro y la fuente de corriente es crítica para mantener la estabilidad del láser.

Por estas razones, Excelitas Technologies ofrece suministros de enchufes que cumplen con los requisitos técnicos y reglamentarios para los láseres HeNe de menor potencia. Por ejemplo, la fuente de alimentación 39783 funciona de 100 a 130 voltios CA y de 200 a 260 voltios CA (50 a 400 hertz (Hz)), y suministra de 1500 a 2400 voltios con un voltaje de arranque superior a 10 kV CC, y una corriente operativa de 5,25 mA (Figura 4). La regulación de la corriente es importante para el funcionamiento estable del tubo de HeNe, así que el 39783 lo mantiene a ±0,05 mA. La fuente de alimentación tiene una modesta huella de 241 x 133 mm y una altura de 54 mm. También viene con una cerradura física para seguridad y protección.

Figura 4: La fuente de alimentación 39783 para los láseres HeNe proporciona un voltaje y una corriente estables y controlados para las fases de iniciación y de funcionamiento sostenido del tubo HeNe, a la vez que cumple con los estrictos requisitos normativos para los suministros de clase kilovoltio. (Fuente de la imagen: Excelitas Technologies)

Para tubos de HeNe más grandes, Excelitas tiene el suministro 39786 en el mismo tamaño de paquete. Esta unidad tiene una salida mayor de 3200 a 3800 voltios, un voltaje de arranque superior a 12.5 kV, y suministra corriente continua hasta 7.0 mA.

Conclusión:

Los láseres vienen en muchas formas para muchas aplicaciones. Para los diseñadores de sistemas industriales que buscan una salida monocromática estable a niveles de potencia razonables, el láser de gas HeNe es una opción atractiva. Sin embargo, como se ha demostrado, los láseres deben combinarse con la fuente de alimentación adecuada para cumplir los requisitos de rendimiento, normativos y de seguridad.