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15.6: El Láser de Helio-Neón

El láser He-Ne fue el primer láser de onda continua (cw) inventado. Unos meses después de que Maiman anunciara su invención del láser de rubí pulsado, Ali Javan y sus asociados W. R. Bennet y D. R. Herriott anunciaron su creación de un láser cw He-Ne. Este láser de gas es un láser de cuatro niveles que utiliza átomos de helio para excitar átomos de neón. Son las transiciones atómicas en el neón las que producen la luz láser. La transición de neón más utilizada en estos láseres produce luz roja a 632,8 nm. Pero estos láseres también pueden producir luz verde y amarilla en el visible, así como UV e IR (el primer He-Ne de Javan operado en el IR a 1152.3 nm). Mediante el uso de espejos altamente reflectantes diseñados para una de estas muchas transiciones de láser posibles, la salida de un He-Ne determinado se hace para funcionar a una sola longitud de onda.

Los láseres He-Ne suelen producir de unos pocos a decenas de mW (mili-Vatios, o \(10^{-3}\) W) de potencia. No son fuentes de luz láser de alta potencia. Probablemente una de las características más importantes de estos láseres es que son altamente estables, tanto en términos de longitud de onda (estabilidad de modo) como de intensidad de su luz de salida (bajo nivel de potencia de fluctuación). Por estas razones, los láseres He-Ne se utilizan a menudo para estabilizar otros láseres. También se utilizan en aplicaciones, como la holografía, donde la estabilidad del modo es importante. Hasta mediados de la década de 1990, los láseres He-Ne eran el tipo dominante de láseres producidos para aplicaciones de baja potencia, desde búsqueda de rango hasta escaneo, transmisión óptica, punteros láser, etc. Recientemente, sin embargo, otros tipos de láseres, en particular los láseres de semiconductores, parecen haber ganado la competencia debido a la reducción de costos.

El diagrama de nivel de energía anterior muestra los dos estados excitados del átomo de helio, los 2 3S y 2 1S, que se llenan como resultado del bombeo electromagnético en la descarga. Ambos de estos estados metaestables y no permiten de-excitaciones a través de transiciones radiativas. En cambio, los átomos de helio emiten su energía a los átomos de neón a través de la excitación colisional. De esta manera, los niveles 4s y 5s en neon se llenan. Estos son los dos niveles de láser superiores, cada uno para un conjunto separado de transiciones de láser. La descomposición radiativa de los niveles 5s a 4s está prohibida. Por lo tanto, los niveles 4p y 3p sirven como los niveles de láser más bajos y rápidamente decaen en el nivel metaestable 3s. De esta manera, la inversión de la población se logra fácilmente en el He-Ne. La transición láser de 632,8 nm, por ejemplo, involucra los niveles 5s y 3p, como se muestra arriba.

En la mayoría de los láseres He-Ne, el gas, una mezcla de 5 partes de helio a 1 parte de neón, está contenido en un tubo de vidrio sellado con un orificio estrecho (de 2 a 3 mm de diámetro) que está conectado a un tubo de mayor tamaño llamado balasto, como se muestra arriba. Por lo general, los espejos de cavidad óptica del láser, el reflector alto y el acoplador de salida, forman las dos tapas de sellado para el tubo de orificio estrecho. Los electrodos de alto voltaje crean una descarga eléctrica estrecha a lo largo de este tubo, que luego conduce al haz estrecho de luz láser. La función del lastre es mantener la mezcla de gases deseada. Dado que algunos de los átomos pueden quedar incrustados en el vidrio y/o los electrodos a medida que se aceleran dentro de la descarga, en ausencia de un lastre, el tubo no duraría mucho tiempo. Para prolongar aún más la vida útil del tubo, algunos de estos láseres también utilizan «captadores», a menudo metales como el titanio, que absorben las impurezas en el gas.

La fotografía de arriba muestra un tubo He-Ne comercial. El cilindro más grueso más cercano a la barra de medición (que se muestra para la escala) es el lastre. El tubo más delgado alberga la cavidad resonante donde se produce el láser. Observe los dos espejos que sellan los dos extremos del agujero. Por razones de estabilidad de modo, estos espejos son cóncavos; sirven como acoplador de salida y reflector alto.

Un He-Ne típico disponible comercialmente produce unos pocos mW de luz de 632,8 nm con un ancho de haz de unos pocos milímetros con una eficiencia general cercana al 0,1%. Esto significa que por cada 1 vatio de potencia de entrada de la fuente de alimentación, se produce 1 mW de luz láser. Aún así, debido a su larga vida útil de 20,000 horas o más y su costo de fabricación relativamente bajo, los láseres He-Ne se encuentran entre los láseres de gas más populares.