y*** **** ***.n-* y***148.206.53.84/tesiuami/uam7543.pdf · la mayorl/a de los átomos o ......

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*.*** ******** **** * ***** ***** * * *.* *** **** **Y ***** * **** ***** **** * * * **** **** **** *** * * Y*** **** **** ***.N-* ** ***** Y*** **** **** * * **** **** *.*** **** ****+e*** **** **** UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IzmPALwA ///' ' THSEGO Y CDNSTRUCCION DE UN LASER DE BIOXIDO DE CARBONO" HECHO EN COLABOHACION CON PONCIANO RODRIGUEZ BAJO LA DZRECCICIN DEL DR.SALVADOH GODOY 9 DE AGOSTO DE 1985

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**** *** * * Y*** **** **** ***.N-* ** ***** Y***

**** **** * * **** **** *.*** **** ****+e*** **** ****

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA I z m P A L w A

///' ' THSEGO Y CDNSTRUCCION DE UN LASER DE BIOXIDO DE CARBONO"

HECHO EN COLABOHACION CON PONCIANO RODRIGUEZ

BAJO LA DZRECCICIN DEL DR.SALVADOH GODOY

9 DE AGOSTO DE 1985

INTKODUCCION

H i s t o r i a d e l d e c , a r r o l l o d e l l á s e r .

La propuesta de que l o s f o t o n e s de l u z , con energía de

una determinada f recuencia, podían est imular e lect rones

atómicos para. e m i t i r e n e r g í a r a d i a n t e como l u z de l a misma

f r -ecuencia, fue hecha por A lber t E inste in en 1917.Este

+en&teno es l a ba.se de l a ope rac ión de l l áse r . E l nombre

1;sr.r p rov iene de l a s p r i m e r a s l e t r a s de " l i g h t

a m p l i + i c a t i o n by s t i m u l a t e d e m i s s i o n o f r a d i a t i o n I ' o

" a m p l i f i c a c i ó n de l a 1.uz por emisión est imulada de

r a d i a c i 6 n " .

No fue has ta 1958 que H.C.Townes y 4.L.Shalow

p u b l i c a r o n l a p r o p u e s t a de que l o s p r i n c i p i o s empleados en

l a amplif ica.ciÓn de microondas por emisión estimulada, que

producen e l msser, podr ian ser extendidos a l a

amp l i f i cac ión de l a l u z . Unos años despues < 1960) , T.H.Maiman p r o d u j o e l p r i m e r l á s e r en operac ión . Este

c o n s i s t í a de una barra de rub í , con espe jos en su5 extremos

, que estaba rodeada por una lampara f lash he l ico ida l . Poco

tiempo después, un l á s e r gaseoso de helio-neÓn fue

desar ro l lado .Pron to , se encontraron muchos mis mater ia les

que podían f u.nci onar como medi os 1 ;..ser a c t i vos.

E l c r g d i t o p o r e l d e s a r r o l l o d e l p r i m e r l á s e r de

b i 6 x i d o de carbono pertenece a C.K.N.Pate1 (i965), quien

d e s a r r o l l d 5u t r a b a j o en los L a b o r a t o r i o s B e l l .

EI proceso lasgr.

E l t e r m i n o "lc3/ser" n o s i n d i c a q u e u n a d e s c r i p c i ó n

s i m p l i s t a d e l p r o c e s o l áser p o d r í a ser " o p u e s t a a l a

a b s o r c i 6 n " . E n el c o r a z d n d e l f e n d m e n o 16ser 5e e n c u e n t r a

l a h a b i 1 i d a d d e los f otcmes d e e s t i m u 1 a . r l a emi s i& d e

o t r o s f o t o n e s , cada. u n o t e n i e n d o la. misma l o n g i t c t d d e o n d a

y d i r e c c i 6 n d e d e s p l a z a m i e n t o d e l o r i g i n a l .

Acorde c o n l a t e o r í a c u a ' n t i c a , l o s 6tomos y m o l é c u l a 5

t i e n e n n i v e l e s d e E n e r g f a d i s c r e t o s , y p u e d e n c a m b i a r d e u n

n i v e l a otro e n 5 a . l . t u s d x s c o n t i n u n s . E l c a m b i o d e e n e r g í a

r e q u e l - i d o p a r a u n s a l t o , es p r o v e i d o p o r l a a b s o r c i o ' n o

e m i s i d n atómica d e u n f o t ó n cuya e n e r g í a c o i n c i d a c o n l a

t r a . n s i c i 6 n . Las f r e c u e n c i a s r a d i a d a s y el e s p a c i a m i e n t . 0

e n e r g e t i c 0 e n t r e n i v e l e s :;on ctna caracter ís t ica d e l átomo , y d i f i e r e n d e u n e l e m e n t o a otro .

B a j o c o n d i c i o n e s n o r m a l e s , l a mayorl/a d e l o s átomos o

moléculas se m a n t i e n e n e s t a b l e s e n sus n i v e l e s mis b a j o s d e . e n e r g í a , o E s t a d o b a s e . P e r o si estas p a r t í c u l a s s o n

e x c i t a d a s a n i v e l e 3 más a l t o s d e e n e r g í a - p o r u n d e s t e l l o

i n t e n s o d e l ~ t z , u n a d e s c a r g a ele%trica, o p o r o t ros

m e d i o s - e n t o n c e s , al r e g ! - e s a r a. su e s t a d o b a s e , e m i t i r á n l u z

i n c o h e r e n t e e n el p r o c r e s o . E n l a c a v i d a d l á s e r , estos

f o t o n e s e m i t i d o s s o n a t r a p a . d o s e n t r e d o s espe jos para le los

a l t a m e n t e p u l i d o s , f o r z á n d o l o s a v i a j a r a l o l a r g o d e l a

c a . v i d a d . C u a n d o u n f o t Ó n p a . s a cerca d e c t n a s e g u n d a

p a r t í c u l a e x c i t a d a c o n u n a e n e r g i d d e i g u a l l o n g i t u d d e

o n d a , es ta t a m b i é n s e r g e s t i m u l a d a a emitir un f o t ó n q u e es

i d 6 n t l c o e n l o n g i t u d de onda, +ase , )I c o h e r e n c i a espacial

qcre el p r i m e r o . Ambos f o t o n e s s o n c a . p a c e s a h o r a d e

e~,izI.mul ar l a e m i s i ó n d e mgE, f o t o n e s como est.os , y estos a

su v e z , t a m b i é n , se t b a c e n p a r t e d e l a o n d a c r e c i e n t e e n t r e

e s p e j o s ( f i g . 1).

FOTON ORIGINAL

FOTON

INCIDENTE PARTICULA EN ESTADO EXCITADO

FOTON ESTIMULADO PARTICULA EN ESTADO B A S E

EMISION ESTIMULADA

f i g u r a 1

La accio'n laiser se i n i c i a c u a n d o 5 u f i c i e n t e s f o t o n e s

e s t a n p r e s e n t e s ( h a y u n m í n i m o ) , y si u n o d e los e s p e j o s es

p a r c i a l m e n t e t r a n s p a r e n t e , un haz a l t a m e n t e d i s c i p l i n a d o ,

i n t e n s o y a h o r a c o h e r e n t e es e m i t i d o .

R e q u e r i m i e n t o s f u n d a m e n t a l e s p a r a l a a c c i ó n laser. #

TOdCi5 1 o s 1 a'sw-es i n c l u y e n t res e l e m e n t o s

f u n d a m e n t . a l e s : un m e d i n lgser , aquel q u e p r o v e e 2itomos , i o n e s o m o l & u l a s qcre p r o d u c e n l a amp1 i f icacich d e l a l u z ;

u n a f u e n t e d e e n e r g í a para e x c i t a r el medio ; y un

r e s o n a . d o r 6 p t i c o p a - a p r o v e e r r e t r o a l i m e n t a c i 6 n d e l a l u z

a m p l i f i c a d a . l a f i g u r a 2 i lustra e n forma e s q u e m á t i c a los

elementos b g s i c o s u t . i l i z a . d o s e n u n lsser d e b i ó x i d o d e

ca . r -bono ( C O Z ) .

TUBO DE DESCARGA

ESPEJO

( 100 '/o REFLECTOR )

ESPEJO

( 85 '/o REFLECTOR )

CONFIGURACION 8ASlCA

f 1. g u r a 2

No t o d a s l a s t r a n s i c i o n e s e n un material p u e d e n

c l a s i f i c a r como t r a . n s i c i c < n l áser , ya que una. t r a n s i c i G n

láser a p r o p i a . d a d e b e ser s u f i c i e n t e m e n t e e x c i t a b l e como

p a r a a l c a n z a r u n a c o n d i c r ó n c o n o c i d a como " i n v e r s i ó n d e

p o b l a c i ó n " . E s t a c o n d i c x ó n es e s c e n c i a l e n l a p r o d u c c i ó n d e

u n a g a n a n c i a n e t a E n l a l u z g e n e r a d a . E s t o e s , el m e d i o

d e b e g e n e r a r más f o t o n e s d e los que son a b s o r v i d o s .

La i n v e r s i ó n d r p o b l a c i ó n d e l COZ.

La m o l é c u l a d e CC)2 es 1 i n e a l y simétrica e n su

c o n f i g u r a . c i Ó n y t i e n e tres g r a d o s d e l i b e r t a d v i b r a c i o n a l

( + i p . Z a ) .

I t

MOLECULA DE C02 + i g u r a 3

En el modo d e e s t i r a m i e n t o simétrico ( f i g . Z b ) , l o s átomos

d e l a m o l é c u l a v i b r a n a 1.0 l a r g o d e l e j e i n t e r n u c l . e a r En

una forma simétrica. En el modo d e d o b l a m i e n t o ( f i g . Z c ) , l a

o s c i l a c i ó n d e l o s átomos es p e r p e n d i c u l a r al e j e

i n t e r n u c l e a r . E n el modo d e e s t i r a m i e n t o asimgtrico

( f i g . Z d ) , l o s átomos v i b r a n a l o l a r g o d e l e j e i n t e r n u c l e a r

e n u n modo asimétrico. E:l e s t a d o v i b r a c i o n a l d e l a m o l é c u l a

es d e s c r i t o a c o r d e a t res n u m e r o 5 c u ~ h t i c o s , v l , v 2 y v 3

u s u a l m e n t e e scr i tos en la forma ( v l , v 2 , v r 3 ) , d o n d e v l

d e s c r i b e el n i t m e r o d e c u a n t o s v i b r a c i o n a l e s en el modo de

e s t i r a m i e n t o simétrico, v 2 el n & m e r o d e c u a n t o s

vi b r a c i o n a l e s e n el modo d e d o b l a m i e n t o y v 3 el n & m e r o de

c u a n t o s v i b r a c i o n a l e s e n el modo d e e s t i r a m i e n t o

as1 métr i CIO.

L a o s c i l a c i ó n láser, en l a molgccrla d e COZ, t i e n e u n a

f r e c u e n c i a d e 1C). bum, y se d a c u a n d o 1 a m o l é c u l a decae d e l

n i v e l iOO1) a.1 n i v e l ( 1 0 0 ) ( f i g . 4 ) .

c .3-

5' P . 2 5 -

E .2

z O - W u -t w .15- u

a - .I c3 a w z .os- W

-

" TRANSFERENCIA IE ENERGIA VIBRACIONAL

COZ ESTADO MSE ( O 0 0 1 N, ESTADO BASE (V.O)

NIVELES DE ENERGIA DEL SISTEMA COZ

f i q u r a 4

S i una moldcula de C O 2 es exc i tada a n i v e l e s (OOv3), con

v3 mayor que 1 , e s t a p o d r á e x c i t a r a o t r a s mo1écula.s en e l

estado base ( 0 0 0 ) por medio de una col isión, también

resonante, que r e s u l t a ert u n a t r a n s f e r e n c i a e f i c i e n t e de

energía, ya que es ta t rans ferenc ia es resonante . La.

molécula de C O Z , e x c i t a d a i n i c i a l m e n t e , p i e r d e un cuanto de

energ l 'a v ibrac ional y 5e c o n v i e r t e en u.na molécula de COZ

(C)Ov3-1) , mient ras que l a mol&ula de CO2 ( O O C ) ) se

c o n v i e r t e en una molécrula de C 0 2 ( 0 0 1 ) ( f iq .E i ) , es d e c i r ,

e n una molGccrla. en e l n i ve l l 5 . se r c .upe r io r .

MECANISMO DE EXCITACION f i g u r a 5

PAGE 6

E l n i v e l l á s e r i n f e r i o r ( 1 0 0 ) t i e n e c a s i el d o b l e d e la

e n e r g í a n e c e s a r i a p a r a e x c i t a r a l a mólécula d e b i d x i d o d e

dos m o l & u l a s , a l f i n a l i z a r a m b a s e n el e s t a d o d p l a

m o l e c u l a cle C O Z ! ( O l O ) ( f i c l . 6 ) . ,

MECANISMO DE EXCITACION f i g u r a 6

E l p r o c e s o d e d e s e x c i t a c i ó n a.&n n o h a s i d o f i n a l i z a d o .

base, a n t e s de que puedan tomar p a r t e e n el p r o c e s o d e l a

emi si &n 1 áser. La dcsE?::ci tac i Ón d e l C 0 2 ((310) t a m b i 6 n e5

g o v e r n a d a por c o l i s i o n e s , pero en este caso las co l i s i o n e s

n o s a n r e s o n a n t e s , e n l a s q u e , l a e n e r g í a v i b r a c i o n a l d e l

C O 2 t 5 1 C ) ) t i e n e q u e ser c o n v e r t i d a e n e n e r g í a c i n é t i c a .

E s t a s col i s i o n e s p u e d e n ser col i s i o n e s c o n l a s p a r e d e s d e l

t u b o l g s e r o c o l i s i o n e s c o n p a r t l ' c u l a s d e ga5 e x t r a . ñ a s

( f i g . 7 ) .

PARTICULA DE GAS PARTICULA DE GAS EXTRA E X T R A ~ A

MECANISMO DE EXCITACION f igctra 7

PAGE 7

S i e n el t u b o lsser se i n t r o d u J e r a s o l a m e n t e b i ó x i d o d e

c a r b o n o p u r o , l a e f i c i e n c i a d e l sistema se v e r í a

d i s m i n u i d a . L a razcSn de es to es q u e , l o s e l e c t r o n e s p u e d e n

e x c i t a r a. las m o l g c u l a s d e b i ó x i d o d e c a r b o n o a o t r o s

n i v e l e s q u e el ( 0 0 ~ 3 ) , c a u s g n d o s e u n a d i s m i n u c i ó n e n l a

p o t e n c i a d e s a l i d a . P a r a o b t e n e r u n a a l t a e f i c i e n c i a , es

n e c e s a r i a u n a e x c i t a c i 6 n s e l e c t i v a , d e l a s m o l é k u l a s d e

b i d x i d o d e c a r b o n o al n i v e l 1 ;ser s u p e r i o r . E s t a e z : c i t . a c i . Ón

s e l e c t i v a se l o g r a c u ; ! n d o se a g r e g a n i t r ó g e n o gaseoso al

l á s e r d e b i & i d o d e c a r b o n o . La u t i l i d a d d e l n i t r ó g e n o se

o b s e r v a 5i se e x a m i n a l a f i g . 4 , d o n d e a p e r e c e n los n i v e l e s

e l e c t r ó n i c o s d e l a m o l é c u l a d e n i t r ó g e n o . D e b i d o a q u e l a

m o l é c u l a d e n i t r ó g e n o es diatómica, t i e n e s o l a m e n t e un

g r a d o d e l i b e r t a d v i b r a c i o n a l ; sus n i v e l e s e n e r g s t i c o s

v i b r a c i o n a l e s se d e s c r i b e n p o r c u a . n t 0 5 d e e n e r g í a que se

o r i g i n a n d e v i b r a c i o n e s a l o l a r g o d e l e j e i n t e r n u c l e a r .

La m o l & u l a d e n i t r ó g e n o p u e d e ser e x c i t a d a e f i c i e n t e m e n t e

d e l n i v e l v 4 s. n i v e l e s s u p e r i o r e s , p o r m e d i o d e d e s c a r g a s

electrohicas. E n n i t r ó g e n o a b a j a p r e s i ó n , e5 p o s i b l e

e x c i t a r apro: . : ima.damente un 30% d e l a s moléculas d e

n i t r g g e n o a l n i v e l v=P. D a d o q u e l a e n e r g í a d e e x c i t a c i ó n

d e l a molécula N 2 ( v = l ) casi c o i n c i d e c o n l a e n e r g i d d e

e x c i t a c i ó n d e l a m o l é c u l a C 0 2 ( ( 5 0 1 ) , se p u e d e e s p e r a r u n a

t r a n s f e r e n c i a e f i c i e n t e d e l a e n e r g í a v i b r a c i o n a l d e l a

m o l é c u l a d e n i t r ó g e n o a l a m o l & u l a d e COZ(000). En esta

c o l i s i ó n l a molécula d e n i t r ó g e n o r e g r e s a d e l n i v e l v = l a

su e s t a d o b a s e , p e r d i e n d o u n c u a n t o d e e n e r g i d v i b r a c i o n a l

y la m o l & u . l a d e b i ó x i d o d e c a r b o n o es e x c i t a d a d e su

PAGE 8

estado ba.se a l n i v e l (001) ( f i g . 8 ) .

MECANISMO DE EXCITACION

f i g u r a 8

Debido a l a na tu ra leza resonamte de l a c o l i s i ó n , l a

e x c i t a c i ó n s e l e c t i v a d e l b i ó x i d o de c a r b o n o a l n i v e l l á s e r

super io r es muy e f i c i e n t e . Es más, l o s n i v e l e s s u p e r i o r e s

de e n e r g í a v i b r a c i o n a l de l a molécula de n i t rógeno están

igualmente espaciados, como l o e s t á n l o s n i v e l e s de

CO2 ( 0 0 ~ 3 ) . &si pues, 1 as c o l i s i o n e s que i nvo luc ran a

mol &u1 as N2 (v) con moléculas C02(0(:)(3) , da. l uga r a

t r a n s f e r e n c i a de e n e r g í a e f i c i e n t e en l a que l a molécula

e x c i t a d a N 3 ( v ) p i e r d e v ' c u & t t o s de energ ía v ib rac iona l y

e s d e s e x c i t a d a a l n i v e l N 2 ( v - v ' 1 , mient ras que la m6lecula

Coz((:)O(:)) gana v 'cuántos de energ ía v ib rac iona l y es

s e l e c t i v a m e n t e e x c i t a d a a l n i v e l C02(OC)v3=v'). Dado que l o s

espaciamientos de l o s n i v e l e s de energía de l a e5Calera

N2(v) y l a esca le ra C(32(O(:)v3) son cas i i gua les , es tas

c o l i s i o n e s i n v o l u c r a n t r a n s f e r e n c i a s de energ ía v ib rac iona l

resonantes y e l p roceso es muy e f i c i e n t e ( f i g . 9 ) .

MECANISMO DE EXCITACION f i g u r a 9

PAGE 9

Las mol &u1 3,s de CO2 (OC)v3=v ' ) son poster i ormente

convert idas a moléculas C02(001) (esto es , moléculas del

n i ve l s upe r i o r ) , a t r a v i s de co l i s iones resonantes ya

descritas anteriormente.

Para e l iminar e l "cuel lo de bo te l l a " que 5e forma en e l

n i ve l ( 6 1 0 ) de l a molécula de b ióx ido de carbono, se

introduce he1 io, ya que por medio de co l i s i ones de l

C O Z ( 0 1 0 ) con este gas, s e l o g ra que las mol6culas de

b igx ido de carbono vuelvan rápidamente a su estado base.

Una ver que l a i n v e r s i ó n de población sa ha alcanzado,

e l sumc1,nistro de fotones continúa hasta que se alcanza un

estado d e equ i l i b r i o . El equ i l i b r i o o cu r re cuando e l nGmero

de mol Gculas en e l n ive l láser super ior excede a l n6mero en

e l n i ve l i n fe r io r , por una cantidad tal que compense l a s

pérdidas de energía. La pgrdida más importante e5 el haz

lgser emit ido, y también se manifiestan como pe/rdidas

imperfecciones en l o s espejos, errores en el gngulo de

brewster, si el láser cuenta con polar izadores, etc.

La secuencia 1 áser.

El resonador (fig.2) determina todas 1 a s

ca rac te r í s t i ca s dpticas del láser excepto l a l o n g i t u d de

onda. En 1 os 125eres de b idx ido de carbono el resonador

cons i s te de un tubo de v i d r i o o cerámica res istente a l

ca lo r , con espejos precisamente alineados en l o s extremos.

Uno d e estos espejos ES 100% re f lector a l a frecuencia de

1 0 . bum, mientras que e l o t ro r e f l e j a s o l o un porcentaje de

PAGE 1 0

l a l u z . La onda de l u z se acumula en el resonador, hasta

que hace va r ios c ien tos de v ia jes redondos en t re l os

espe jos ( t odo es to en pocos microsegundos). En cada v i a j e

redondo, una f racc ign de l a l u z es t r a n s m i t i d a p o r e l

espejo semitransparente, l lamada también acoplador,

formando e l haz láser sa. l ier t te . S i e l l áse r se ope ra en l a

modal idad pu lsada, l a emi s i Ó n sera’ pulsada; s i se opera en

l a modal idad cont inua (CW), l a l u z sera cont inua.

L a f i g u r a 1 0 nos muestra una v ista conceptual del

proceso l g s e r , desde e l i n i c i o h a s t a l a s a l i d a de un haz

esta.ble. En ( a ) , l a s m o l g c u l a s d e l gas se encuentran en e l

estado base debido a que no esta p resente l a energía de

exc i tac ión . Cuando e l v o l t a j e de exc i tac ión es a p l i c a d o a l

medio, muchas moléculae, son excitadas a n i v e l e s de Pnerg<a

super io r y se emi ten fo tanes en forma espontanea (b,c). Si

un fotón choca con una molécula exci tada (d) , l a

a m p l i f i c a c i ó n o c u r r e , da.do que l a molgcula sera‘ est imulada

p a r a p r o d u c i r un f o t ó n i d é n t i c o a l p r i m e r o v i a j a n d o en l a

misma d i recc ión . La emis ión es t imu lada cont inúa, dado que

cada fo tón es capaz cle cau.sar l a producc ión de o t ros. E l

movimiento de un f o t ó n puede ser en cual qu ier d i recc i Ón,

p e r o e l que p o r c a s u a l i d a d v i a j e e n l a d i r e c c i 6 n d e l e j e

l o n g i t u d i n a l d e l t u b o , i n c i d i r ; en un espejo y sera’

r e f l e j a d o a l o l a r g o d e l mismo e j e ( e ) . E s t o s son l o s

fo tones que conforman l a onda d e l u z coherente, de una sola

f recuencia, rebotando de un extremo a o t r o d e l t u b o ,

est imulando l a emisign de? más y más f o t o n e s i d é n t i c o s en

una reacc ión en ca.dena., Glgunos de es tos fo tones ( f ) pasan

PFIGE 1 1

a. tt-av&s del espejo acoplador y emergen como un ha z de

rayos para le los , mientras que otros continúan osci lando en

el resonador, generando más fotones. Este f eno'meno

continuar:, siempre y cuando la i n ve r s i gn de población se

mantenga en e l medio l á se r .

ESPEJO ESPEJO , PARCIAL

EVENTOS EN EL RESONADOR LASER

f i gura 1 0

P A G E 12

Luz incoherente vs. l u z coherente.

Las propiedades de la l u z p roduc idas por los láseres

pueden ser más fác i lmente en tend idas s i p resentamos un

incandescente, conlo l a de un foco cam&. Como se muestra en

la f i g u r a 11, una fuente incandescente emi te f otones en e l

t iempo y en e l e s p a c i o en fo rma a lea to r ia .

LENTE CONVERGENTE FOCO (NO COLIMADO)

HAZ CWIMADO

PLANO FOCAL

LUZ ESPACIALMENTE ALEATORIA vs. LUZ COLIMADA

f i g u r a i i

Esto es, 5u e n e r g í a r a d i a n t e e s i n d i s c i p l i n a d a y se d i c e

que es incoherente. También es conocida como " l u z blanca"

( con ten iendo todos l os co lo res de l espec t ro v i s ib le ) . S i l a

densidad de po tenc ia de un bu lbo de 1C)O w a t t s es medida a

una dista.ncia de 1 metro, se detectarán solamente 0.8 watts

por centímetro cuadrada. Es i m p o s i b l e e n f o c a r t o d a l a

e n e r g í a r s d i a n t e de es ta f uen te en un haz espacialmente

coherente, y colimado.

PCSGE 1 3

Pero nótece que a la derecha de l a f i g u r a 11 se muestra

como un l gse r em i te l u z en un rayo espacialmente coherente.

Es te rayo es ta cas i per fec tamente co l imado ( t iene rayos

p a r a l e l o s ) , c o n un g n g u l o t í p i c o de d i v e r g e n c i a a x i a l de 1

o 2 m i l i r a d i a n e s . Un r a y o con e s t a d i v e r g e n c i a t a n b a j a

t i e n e una intensidad ( tarnbign conocida como densidad de

po tenc ia ) de c ien tos de watts por cent imetro cuadrado, a un

metro de l a f u e n t e l á s e r . TambiGn es monocrom;(tico, ya que

ocupa una banda muy es t recha de l espec t ro .

Un haz l á s e r puede ser enfocado por una lente

obteniendose un punto muy pequeño, cuyo tamaño e s t a

l i m i t a d o t e ó r i c a m e n t e 5010 por l a d i v e r g e n c i a d e l h a z , 5u

d iámet ro , l ong i tud de onda , y d i s t a n c i a f o c a l de l a

l e n t e .

Como ya se mencionó, una fuente incandescente i r radia

fo tones en d i recc iones espacia lmente incoherentes. También

i r r a d i a f o t o n e s en d i f e r e n t e s l o n g i t u d e s de onda, e s t o es,

fo tones incoherentes en e1 tiempo. Esto se i l u s t r a en l a

f i g u r a 12a.

' I

LUZ INCOHERENTE(a)vs. LUZ COHERENTE ( e )

f i g u r a 12

En ( b ) , u n o r i f i c i o 5e s i t 6 a e n l a t rayectoria d e l a l u z

p a r a s e l e c c i o n a r q o t o n e s t e m p o r a l m e n t e c o h e r e n t e s , p e r o c o n

u n g r a n s a c r i f i c i o d e l a i n t e n s i d a d . E n ( c ) , u n f i l t r o

Ó p t i c o se coloca e n l a trayectoria d e l a l u z , s e l e c c i o n a n d o

f o t o n e s t e m p o r a l m e n t e c o h e r e n t e s , p e r o c o n un gran

F A G E 15

s a c r i f i c i o d e l a i n t e n s i d a d . Si ambos ( f i l t r o y o r i f i c i o )

s o n c o l o c a d o s e n el c a m i n o d e l a l u z ( d ) , f o t o n e s

e s p a c i a l m e n t e y t e m p o r a l m e n t e c o h e r e n t e s p u e d e n ser

s e l e c c i o n a d o s pero c o n u n a p 4 r d i d a e n o r m e d e i n t e n s i d a d .

La l u z d e un láser , s i n e m b a r g o , es ya e s p a c i a l m e n t e y

t e m p o r a l m e n t e c o h e r e n t e , s i n p é r d i d a , c u a n d o se emite d e l a

f u e n t e ( e ) .

PAGE 16

CONSTRUCCION DEL LASER

E s t r u c t u r a mecahica.

E l c r i t e r i o q u e d i c t o ' el d i s e ñ o d e l a e s t r u c t u r a

m e c a n i c a d e es te laser , se b a s a en l a s e x p e r i e n c i a s

o b t e n i d a s d e l a q u e llamamos " p r i m e r a g e n e r a c i 6 n " .

/ /

Los e s p e j o s d e un la'ser SE e n c u e n t r a n s u j e t o s a l a

e s t r u c t u r a m e c a n i c a . E n c o n t r a m o s e n e l laser d e l a p r i m e r a

q e n e r a c i o n u n a g r a n i n c s t a . b i l i d a d e n l a p o t e n c i a , d e b i d o a

q u e l o s espejos n o se e n c o n t r a b a n r c g i d a m e n b t e s u j e t o s .

/ y .

/

C u a l q u i e r v i b r a c i ó n m e c a n i c a en l a mesa d o n d e se e n c o n t a r b a

a p o y a d o el lgser se t r a d u c í a e n o s c i l a c i o n e s d e p o t e n c i a y

d e s a l i n e a c i o n d e f i n i t i v a . L a f i g u r a 13 m u e s t r a l a m a n e r a en

la. q u e se e n c o n t r a b a s u j e t a l a m o n t u r a o p t i c a d e l laser y

l a forma e n l a q u e esta osc i laba .

/

, /

OSCILACION DE LA MONTURA OPTICA

c--"-- f i g u r a 13

E l d i s e ñ o actual b a s a su e s t a b i l i d a d e n tres b a r r a s d e

acero i n o x i d á b l e c o l o c a d a s e n forma d e "L". L a s barras 5e

e s c o g i e r o n d e acero ino:.: i d d b l e p o r s u al t o m o d u l o d e

e l a . s t i c i d a d y r e s i s t e n c i a a l a c o r r o s i ó n . N o r m a l m e n t e se

u t i l i z a n b a r r a s d e I n v a r , aleacio'n d e n í q u e l y h i e r r o c o n

PAGE 17

c o e f i c i e n t e d e d i l a t a c i g n e x t r e m a d a m e n t e b a j o ( e l m e t r o

p a t r d n es de Invar ) , pero no se dispone de éste en Mexico

además de ser muy costoso. Esperamos que l a d i l a t a c i ó n

t é r m i c a d e l a s b a r r a s sea i d g n t i c a (pedimos que se co r ta ran

todas de l a misma ba r ra ) pa ra que l a s v a r i a c i o n e s t 6 r m i c a s

a f e c t e n l a p o t e n c i a l o menos pos ib le . E s d e c i r , si l a s t r e s

b a r r a s s e d i l a t a n i g u a l n o 5e p e r d e r á l a a l i n e a c i d n

p a r a l e l a de l o s e s p e j o s s i n o que s o l a m e n t e v a r i a r a l a

l o n g i t u d d e l a c a v i d a d . E s t a s ba.rrac, son de una pulgada de

d iámetro y 1.7m de long i tud . Es tas bar ras se su je tan a

/

"L ' S " de h i e r r o como se nuest ra en l a f i g u r a 14, y l a forma

de l a "L" se muestra en €1 p l ano1 .

ESTRUCTURA MECANICA

La es t ruc tu ra cuen ta con se i s "L" de h i e r r o , t o d a s

idént icas r romadas y rect . i f icadas. Cuatro de estas "L" de

h i e r r o a l o j a n a los sopor tes de l tubo. Consideramos que a

pesar de que f l e x i o n e s en e l tubo a l t e r a n su potenc ia,

debido a que s e p i e r d e e l e j e Ó p t i c o d e l 1 áser, cuatro "L"

1

PAGE 18

son s u f i c i e n t e s como sopor tes debido que e l tubo cuenta

con una camisa de agua que l e da r i g i d e z e s t r u c t u r a l . E s t a s

IIL" t ienen bar renos de una pulgada como se observa en e l

p l a n o . L a f i n a l i d a d de es tos bar renos es a lo ja r a las

b a r r a s de acero inoxidable. La I'L" t i e n e una rebanada

r a d i á l e l b a r r e n o que pe rm i te que e l d iámet ro de l ba r reno

sea v a r i b l e p a r a p e r m i t i r que l a b a r r a e n t r e j u s t a , y

despues, por medio de un t o r n i l l o , se disminuya l a

c i rcun fer -enc ia y se a j u s t e l a b a r r a con f irmeza. Vale l a

pena mencionar que las bar - ras de acero se t u v i e r o n que

enderezar y depués r e c t i f i c g r y a que e l f a b r i c a n t e l a s

entrega curvas.

,

-

Las c u a t r o 'IL" de h i e r r o que a l o j a n a l o s s o p o r t e s d e l

tubo estan acopladas a una p l a c a de h i e r r o de media pulgada

de espesor. Consideramos que l a p l a c a d e b i a s e r pesada y

gruesa con l a f i n a l i d a d de e v i t a r v i b r a c i o n e s y a l o j a r l a

cabeza de l o s t o r n i l l o s que s u j e t a n a l a s "L" . Es ta p laca

de h i e r r o e s t a d e b i d a m e n t e r e c t i f i c a d a p a r a e v i t a r que l a s

"L" no a.pienten bien y queden a d i f e r e n t e a l t u r a . En l a

p a r t e d o r s d l de l a p l a c a se cor to ' un canal rectangular

( s igu iendo e l con to rno de l a p l a c a ) que a l o j a una l i g a de

o ' r i n g de 11'4 de pulgada. Esta l i g a de o ' r i ng se adh ie re2 a

l a mesa y hace que l a e s t r u c t u r a n o p a t i n e .

P a r a l o g r a r p r e c i s i b n en e l maquinado de l a s 'IL" es tas

se cor ta ron j u n t a s , a l i g u a l que los ba r renos de una

pulgada que se barrenaron juntos.

Las dos escuadras restantes a lo jan a las monturas

dpticas . Estas ' IL" son f l o t a n t e s y se desplazan a l o l a r g o

FAGE 19

de 1a.s barra.s , s iendo pos ib le adaptar tubos de 1 m has ta

1.7 m de l a r g o ( 1 i m i t . a d o p o r e l l a r g o de l a b a r r a y su

d i a k e t r o ) .

Los sopor tes de l tubo se presentan en e l p l a n o 2. Es tos

estan hechos de nylami d y su f uncion es l a de s o p o r t a r a l

tubG, su je tando lo de su c:amisa de en f r iamiento . Se escogio'

e l nyla.mid debido a que t i e n e buenas propiedades mecahicas

y es re la t i vamnete fa .c i 1 de rnaquin&. A l igua.1 que con 1 as

"L" de h i e r r o , l o s s o p o r t e s d e l t u b o se c o r t a r o n y

b a r r e n a r o n a l mismo t iempo para lograr que estos fuesen

iden t i cos . Es tos sopor tes se a jus tan a l marco i n t e r i o r de

l a s "L" de h i e r r o que a su vez esta'n sujetas a l a p l a c a .

,

T O ~ O S 10s requis i tos expuestos en cuanto a l a p r e c i s i &

mecanica, son debidos a que se desea que e l e j e ,

1ong i tud in i . l de l t ubo co inc ida con e l cen t ro de los

espejos, ya que l a ma/:;ima i n t e n s i d a d de l a exci tacio 'n

e l k c t r i c a ( y p o r t a n t o l a mdxima amp l i f i cac idn ) se

encuentra sobre este e je . Es d e c i r , l a c o r r i e n t e e l e ' k t r i c a

se concentra con m;(:.:ima in tens idad en e l c e n t r o d e l t u b o d e

plasma y en ese punto esta e l haz con mayor in tens idad.

f

Monturas opt icas.

Las monturas ópt icas se s u j e t a n en 1a.s "L" de l o s

extremos y a q u i se s u j e t a a los espejos. Estas monturas son

de extrema importancia para e l Ópt imo funcionamiento del

12ser ya que de estos depende el para le l i smo de l o s

espejos.

Estas monturas constan de dos placas , una hecha de

alumino y o t r a hecha de nylamid, mostradas en e l p l a n o 3.

La p laca de a lum in io es ta co r tada con fo rme a l marco i n t e r n o

de l a "L" f l o t a n t e , m i e n t r a s que l a de nylamid se mantiene

f irmemente a.poyada a l a d e a.luminio en t r e s p u n t o s por

medio de r e s o r t e s que l a s a p r i s i o n a n . Uno de l o s p u n t o s de

apoyo es un b a l i n de 1/2 de pulgada f i j o en el vé r t . i ce de

l a s p l a c a s . Los o t ros dos puntos de apoyo son t o r n i l l o s

micrométr icos cuya punta esta redondeada para impedir que

desgasten l a p l a c a de ny lamid .) La camisa roscada de l o s

t o r n i l l o s m i c r o m é t r i c o s e s t a pegeda a l o s barrenos, como

s e i n d i c a en e l p l a n o d e l a p l a c a d e alumin io. Uno de l o s

t o r n i l l o s i m p i d e que l a p l a c a se desplace del punto de

apoyo ya q u e e l t o r n i l l o a s i e n t a en un pozo semiesférico

hecho en l a p l a c a d e n y l a m i d . E l o t r o t o r n i l l o a s i e n t a en

un canal maquinado también en l a p i e z a de nylamid, l o c u a l

permi te que l a placa. se desplace a l o l a r g o d e l eje d e l

canal. Un bosquejo de l a montura se muestra en la f i g u r a

15.

-PLACA DE ALUMINIO

MONTURA OPTICA

Este diseño impide que se pierdan los centros de l o s

espejos con respecto al eje longitudinal del tubo, y

permite rotacidn del espejo alrededor de los ejes

horizontal y vertical como 5e muestra en la figura 16. Y Y

ESPEJO ESPEJO figura 16

MOVIMIENTO DE LOS ESPEJOS

Los tornillos micrométricos tienen un paso d e 1/50 de

pulgada. Requerimos este paso fino debido a que el margen

de alineación es del orden de décimas de milímetro. Si el

láser opera a 5 x 1 máxima potencia,al mover el tornillo una

vue1 ta i 1/2 milímetro) , la potencia 5e reduce en casi su

totalidad. Esto da una idea d e los; requisitos de

estabilidad y precisión mecánica . El espejo esta alojado en una pieza metálica mostrada

en el plano 4. Como se observa, la cavidad 5e forma por

medio de los espejos que encierran al medio láser (en este

caso la mezcla gaseosa). Fara ello, los espejos sellan

oprimiendo un o'ring q u e evita fugas de gas por los

contornos d e éstos.

El alojamiento del espejo se atornilla en la placa de

nylamid d e la montura Óptica (por lo que se deSpla.ia con la

PhGE 22

p laca ) , y se une por su extremo más delgado con una pieza

metálica por medio de una manguera de látex con alma de

re so r te ( f i gu ra 17).

" "- ~ ~

AGUA I

AGUA

4

I 'I

FUENTE DE PODER

GAS GAS

UNION DE TUBO CON ESPEJOS f i g u r a 17

El alma de re so r te t i ene como + i n e v i t a r que l a

manguera se colapse, debido a que l a p r e s i ó n i n t e r i o r en e l

tubo es de 3OmmHg. Como se ve en l a f i g u r a 17, e l o t ro

extremo d e l a manguera s e une con una pieza metálica que

funciona como s e l l o metal v i d r i o . El s e l l o metal v i d r i o se

logra expandiendo un o 'r ing (al comprimirlo por sus caras)

entre dos piezas roscadas. Esta p ieza 5e muestra en e l

plano 5.

Ahora que s e tiene una idea de l a d i s p o s i c i ó n d e l a s

parte5 del láser, se puede entender que l a p l a c a en l a que

5e monta el espejo debe ser d e un material aislante. En

PAGE 2.3

este caso se usa nylamid, ya que, debido a que l a cavidad

es se1 lada po r los espejos, éstos están a a l t o v o l t a j e ( h a y

gas ion izado en t o d a l a c a v i d a d ) , y s i no es ta r ían a i s lados

s e h a r í a un c o r t o c i r c u i t o h a c i a l a e s t r u c t u r a que e s t a

a te r r i zada .

, Optics empleada.

E l l áse r cons ta de l os espe jos s igu ien tes :

a)Ee,pejo plano de cobre , con recubr imien to para ev i ta r

oxidación, de una pulgada de digmetro. E l p u l i d o de l a

s u p e r f i c i e r e f l e c t o r a e s d e larnbda/lC), aproximadamente. Se

escogió un espejo de este elemento debido a su a l t a

r e f l e c t i v i d a d , a e s t a l o n g i t u d d e onda. (10.6um).

b)Espejo cóncavo de selenuro de z inc, 10m. de r a d i o de

curva tura , 85% r e f l e c t o r y una pulgada de diámetro. Se

u t i l i z a s e l e n u r o de z inc debido a que e s t e compuesto

p resen ta t ransmi tanc ia a esta f recuencia, y se escogio 85%

de r e f l e c t i v i d a d , v a l o r s t a n d a r d p a r a l i i s e r e s de po tenc ia

media (2(:)-2C)(:)W), pues b r i nda l a m ix ima po tenc ia de s a l i d a .

r,

PCIGE ' 24

Tubo de plasma.

Consta de dos tubos de pyrex concentricos; el tubo de

plasma (donde se hace l a exc i t ac i& ) , i n te rno , y l a camisa

de refr igeracidn, externa, unidos por uno de sus extremos,

como se muestra en el plano 6. I

La inovación con respecto a l a primera generacion es

que en el primero l a descarga se l levaba a cabo entre dos

el.ectrodos que estaban fuera del eje y en su5 extremos;

mientras que en l a segunda generación se introducen dos

electrodos de citodo hueco, que son ax ia les a l tubo de

plasma en l o s extremos de este; y un tercer electrodo comh

en el centro del tubo. Por tanto, se puede decir que se

tienen dos; l á se re s en tandem.

/ La f inalidad del catodo hueco e s obtener una

excitación dentro de l a cavidad, evitando perdidas debidas

a excitaciones externas al eje de l a cavidad (en l a primera

generación l o s electrones chocaban con el tubo antes de

l l ega r a l a r e g i ó n de amp l i f i cac i ón , l o que se traduce en

un gran calentamiento del tubo ,y por lo tanto, disminuci4n

de l a po tenc i a ) .

El tener dos la/seres en tandem, nos deí una zona de

ampl i f icac ikn más grande ( l a ampl i f i cac ión so lo s e da/ en l a

zona de descarga axiál al tubo) s i n tener que apl icar una

d i ferenc ia de potencial mayor a l a que nos o f recen l o s

transformadores d e alta tens ión comerc ia les (15 K V rrns.).

El re f r i ge ran te u t i l i z ado e5 agua , s i n nece s i t a r se

grandes gastos. Una toma convencional es ma5 que

su f i c iente , e i n c l u s i v e es pos ib le operar var ias horas e l

,

PAGE 25

lgser si se r e c i r c u l a e l a g u a c o n u n a b o m b a d e 112 c a b a l l o

e n un t a n q u e d e 50 l i t ros . D e b i d o a q u e l o s e l e c t r o d o s de

l o s e x t r e m o s s o n d e m a y o r tamaño, se d e b e n c o n e c t a r a

t i e r r a , m i e n t r a s que el e l e c t r o d o c e n t r a . l , d e m e n o r tamaño,

SE! c o n e c t a a p o s i t i v o . E s t o se d e b e a q u e c u a n d o el g a s se

i o n i z a l o s i o n e s p o s i t i v o s ( p e s a d o s ) t i e n d e n a g o l p e a r , y

p o r tanto, a d e s g a . s t a r a l c á t o d o (e l á n o d o 95 b o m b a r d e a d o

p o r e l e c t r o n e s q u e s o n 1 i g e r o s ) .

L a m e z c l a g a s e o s a , que e n e& Cas0 es d e 1 3 % COZ, 65%

He, y 23% NZ, se i n y e c t a p o r l o s e x t r e m o s d e l t u b o y se

s u c c i o n a p o r l a p a r t e media d e l t u b o .

E l f l u j o d e l g a 5 se o b t i e n e p o r medio de u n a b o m b a

m e c d n i c a . d e vacío. E l f l u j o d e b e r e g u l a r s e h a s t a o b t e n e r

u n a p r e s i ó n d e 30 mmHg, q u e se m i d e c o n u n m a n o m e t r o d e

p r e s i d n a b s o l u t a .

E x c i t a c i ó n e lgc t r i ca .

Como se m e n c i o n a e n l a d e s c r i p c i ó n d e l t u b o d e p l a s m a ,

el láser c u e n t a c o n tres e l e c t r o d o s c o n e c t a d o s como se

m u e s t r a e n l a f i g u r a 1 8 .

EXClTAClON ELECTRICA f i g u r a 18

PAGE 26

Por degrac ia, hasta la fecha en l a que s e e s c r i b i d e l

reporte, no ha s ido posible operarlo en esta manera. Esto

s e debe a que apareció una fuga eléctrica entre el tubo de

plasma y l a camisa de enfriamiento, a unos 1 0 cm del

electrodo central (posit ivo). O sea que e x i s t i d un o r i f i c i o

muy pequeno por donde no podia fluir el agua del tubo de

enfriamiento, pero si pod ía l a co r r i en te e l ec t r i r a en

sentido inverso, y debido a que el agua es t i e r r a l a

corr iente cerraba c i rcu i to en l a fuga en vez de cerrar en

el otro electrodo. Por suerte,la fuga 5e encontraba cerca

del e lectrodo centra l , por lo que fue' pos ib le reparar la

rompiendo el tubo a l a mitad y se l landola (mucho mas rápido

que ha.cer un tubo nuevo a esta a ltura del proyecto). La

consecuencia de la reparac ion fue que e l laser perd ió 1 0 cm

en una de 5us secciones, por l o que ex i s te un desbal anceo

&

/

/

/ /

de impedancia entre mitades. Este desbalanceo hace que una

mitad del tubo 5e ionice (la más corta) y l a o t r a n o , y

debido que a l i on i za r , l a impedmcia del tubo baja

muchl/simo ( i nc l u s i ve pa.sa a ser negativa como se expl icar;

m 2 5 ade lante ) , l a co r r iente e lgc t r i ca toma e l camino de

menor impedancia, por l o que l a ot ra mitad nunca arranca.

Aun no hemos logrado que ambas mitades ionicen al mismo

tiempo, pero cuando l o logremos,esperamos un aumento en l a

potencia , debido a que se podra/ apl icar una diferencia de

potencial mayor a cada mitad . Actualmente e l l á ser se

opera con lo s e lect rodos de l o s extremos; esto impl ica que

se debe ionizar una columna de 90 cm de longitud. Para

ion i zar e s ta columna, que tiene una presión de 30 mmHg ( l a

PAGE 27

impedancia aumenta con l a p r e s i ó n ) , se deben apl icar 25 O00

V. E s t a e s l a máxima capacidad de l a fuente de voltaje con

l a que contamos, s i n que s e ponga en pe l i g ro su ais lamiento

(puede dar m g s v o l t a je ) . Se ha notado que si se ap l i ca

mayor vo l taje, forzando la fuente, y mayor pres ión

(po s i b i l i dad que nos br inda e l ap l icar mayor v o l t a j e ) , l a

potencia s igue una tendencia al aumento, pur lo que 5e

con+ia que cuando logremos ionizar la5 mitades al mismo

tiempo l a p o t enc i a s e r á mayor.

El punto de actual de operación es de 24 500 V a 22 m A ,

l o que r e s u l t a en un consumo de 539 W.

Un detalle importante en l o s t ubo s de descarga es que

presentan una impedanc:ia negativa al estar ionizados.

Debido a esto, debemos proteger l a fuente con una

r e s i s t enc i a de ba l a s t r a , que se conecta en s e r i e a l tubo.

La r e s i s tenc i a de ba l a s t r a debe ser siempre mayor que l a

impedancia negativa del tubo, para que e l resu l tado de l a

suma de es tas sea pos i t i vo . Hemos encontrado que, una

r e s i s t enc i a de 400 Kohms opera satisfactoriamente y nos

brinda un amplio margen de protección, ya que el tubo

presenta una impedancia de -120 Kohms a 30 mmHg.

PAGE 28

Haces G a u s s i a n o s .

Como se h a v i s t o , u n a c a v i d a d c u e n t a d e u n m e d i o a c t i v o

(o “ m e d i o l á s e r ” ) s e l l a d o e n s u s e x t r e m o s p o r un p a r de

e s p e j o s , l o que c o n s t i t u y e u n r e s o n a d o r Ó p t i c o ( f i g u r a 1 9 ) . X +

d l T 1

f i g u r a 19

RESONADOR OPTIC0 d o n d e

d = d i s t a n c i a e n t r e espejos

H l = e s p e j o p a r c i a l m e n t e ref lector d e r a d i o

d e c u r v a t u r a Fil.

H 2 = e s p e j o p a r c i a l m e n t e ref lector d e r a d i o

d e c u r v a t u r a H2.

D e f i n i e n d o e l factor q i ( i = 1 , 2 p a r a c a d a e s p e j o ) como

l a c a v i d a d ser$ = \ t a b l e , es to es , u n h a z l u m i n o s o n o

e s c a p a r á d e l a c a v i d a d a l h a c e r r e f l e x i o n e s m < t l t i p l e s , si se

satis-face:

PAGE 29

e l c r i t e r i o de es tab i l idad queda:

Pa ra ha l l a r e l t i po de onda que existe dentro de l a

cavidad, se resolvera ' la ecuación de onda tratando como

condición a l a f r o n t e r a que l a f a s e se "pegue" a l a

super f i c ie de los espejos.

Cssi que, por construcción de l a cavidad, l a s o l u c i ó n es

sime t r i ca ante ro tac iones en e l eje z,

s e propone

donde ( r , z ) es una función que va r í a lentamente con z ,

esto es:

por tanto

representa una ecuación de onda plana con l igeras

desviaciones.

donde:

Notamos que l a amp1 i tud e s ta dada por:

r2

que representa una distr ibución gauss iana. Es dec i r , la

amplitud del campo e léc t r i co en la super f i c ie de l f rente de

onda (puntos con l a m i s m a fase que conforman este plano)

var ia segdn una distr ibución gauss iana, donde w ( z ) s e l e

conoce como el ancho de l a mancha. Como se observa en (9) , y 5e representa en la f i g u r a 2 0 , podemos ver que:

i) w ( z ) crece c0nfor-E z aumenta y por tanto el haz se

va ensanchando.

PAGE 31

"c intura" del 1 áser.

4

E Z

HAZ GAUSSIAN0 f i g u r a 20

4 continuación se hará una descripción de l a v a r i a c i ón

del tamaño de l a mancha comf orme nos movemos en z .

Def i n i endo a.

- x WrJ 2

zo = 4

conociéndose a 2 2 0 como l a d i s t a n c i a de Rale igh, que e5 l a

d i s t anc i a en l a que el diamétro del tamaño de l a mancha

crece al doble del diámetro de w 0 , y considerando los

l ím i t e s de (9) :

p o r tanto una gráf ica del tamaño de l a mancha, como 5e ve

en l a f i g u r a 21:

I

f i g u r a 21

DIVERGENCIA DEL HAZ

PAGE 32

e5 el Sngulo de divergencia.

De 14 se t iene que

a Tan 8 =

B W o 2

o bién

e = a ll- w o 2

La anchura en e l or igen (w0) 5e obtiene al a justar la

fa se con el rad io de los espejos. Si uno de e l l o s e s p l ano

s e obt i ene

\ I R t wo = 2 d A lr V d

I - 4

Comparando con (3) se ve que esta

acuerdo con el criterio de es tab i l idad :

y w0 esta sobre

El tamaFo R

ecuación esta' de

H 1 :>d

el espejo plano.

( z ) que aparece en l a f a s e de (8

Z, Z

2

R ( z ) = Z t --

) ,

(18)

nos representa el r ad i o de curvatura de frentes de onda

PAGE 33

I

e5 f e r i cas ce rca d e l e j e E.

Por tan to , ce rca d e l o r i g e n (==O)

H ( z ) = > 00 (son ondas planas)

y para z ? > . l

R ( z ) = z y muy l e j o s e s nuevamente onda plana.

A s i que d e n t r o de l a d i s t a n c i a de Rale igh podemos

cons iderar que tenemos ondas planas.

Los para/metros del la/ser diseñado son:

d=1.5 m

Rl= lO m

R2=

y se obt ienen para estos para/metros 105 s igu ien tes va lo res :

wC)=3.47 m m en e l espejo p lano

w (z=1.5 m)=rS.76 mm en el espejo concavo

(acoplador)

z0=3.57 m d i s t a n c i a de Ra le igh

6 =0.28 rad=16 . O

PAGE 34

A continuación se calcular^ l a densidad de potencia

capaz de producir e l láser. Las pruebas real izadas en

te j i do v i vo se hicieron con un sistema Óptico que r e f l e j a

e l haz en un a/ngulo de 9 0 ° y posteriormente l o concentra con

una lente cóncava. El sistema se encuentra a 4.5 m del

l a s e r , lo que hace que e l rad io de l a mancha sea de 5 . 5 8 m m ,

y se l e concentra con una lente de una d i s tanc ia foca l d e

6.35 cm (f i gu ra 21).

,

CONCENTRACION DE LA ENERGIA f i gu ra 21

el esta d i s tanc ia de la l ente ( foco) se forma un tamaño de

1 a. mancha ( w 0 ' ) dado por:

1 1 f we = - " wc x

que da como resultado:

w0=3.84x i O m -5

wl=5.58 mm

Considerando una potencia de 25 W se t iene una densidad

de energid de:

5 . 4 ~ l d W/m?=S. 4x id W/mm'

que es una cantidad enorme de energid, imposible de

igualar por otras fuentes d e l u z .

P4GE 35

A P L I C f i C I O N E S DEL LASER CONSTRUIDO

E l rango de ap l icac iones de los lgseres en general es

enorme. Es ta her ramienta , re la t i vamente nueva, ha dado

so luc iones f asc inan tes a problemas experimentales que

antaño aparentaban ser insolubles.

E l l s s e r de b idx ido de carbono es par t icu larmente

/

impor tan te en l a s a p l i c a c i o n e s i n d u s t r i a l e s y biomedicas,

debido a l as g randes po tenc ias que puede d e s a r r o l l a r ( e l

espectro va desde algunos watts hasta más de 1 0 kW) y a su

capacidad de vapor izar mater ia les.

Con respec to a l a s a p l i c a c i o n e s i n d u s t r i a l e s , e s muy

i m p o r t a n t e e s c o g e r e l l á s e r c o r r e c t o p a r a e l t r a b a j o a

r e a l i z a r . E l l d s e r d e s a r r o l l a d o en l a u n i v e r s i d a d s e a j u s t a

a l a s a p l i c a c i o n e s de ba ja po tenc ia . Una de l a s

a p l i c a c i o n e s f u e r t e s d e l la’ser, a e s t a p o t e n c i a , e s l a

microsoldadura. Las venta jas con respecto a l a s t e c n i c a s

convencionales de soldado son:

1. Calentamiento loca l i zada de las par tes a s o l d a r s i n

poner en p e l i g r o e l componente e l e c t r ó n i c o .

2. Reducción del espaciamiento entre componentes.

3. Soldado muy un i fo rme s in d i scon t inu idades .

Por med io de l láser - es pos ib le a jus ta r res is tenc ias en

m i c r o c i r c u i t o s a e l v a l o r deseado. Tambien es p o s i b l e

gra.var v i d r i o y cerámicas . Ademac, se c o r t a y p e r f o r a

p l á s t i c o , madera, c a r t & , t e l a y o t r o s m a t e r i a l e s no

mat21 icos .

d i

PAGE 36

Las aplicaciones biomgdicas del láser son muy

prometedoras debido a l a s ca rac te r i s t i ca s de l t e j i do

animal. Como sabemos, e l t e j i do humano es en un gran

porcentaje agua. La radiacihn emitida por el lgser de

b ióx ido de carbono interactua con el agua en forma

violenta., poniendo a v ib rar a las molgculas de agua, hasta

log ra r vapor i za r la . Podemos entonces infer ir que, si

aplicamos la rad iac ión emi t ida por e s te l i se r a l te j ido

animal, este se evaporara. La zona circundante a l a

evaporación queda rodeada por una capa delgada de te j i do

coagulado por calor, en 1 a que l o s vasos sanguineos

pequefios quedan cauterizados, resultando una incision casi

s i n hemorragia.

/

Las ventajas bás icas que presenta este instrumento son

1 a s si qui entes:

i .C i rug ía s in contacto.

2.Cirugia cas i s in hemorragia.

3.C i rug ia a l tamente ester i l ya que no hay contacto

f í s i c o con el paciente.

4.Auscencia de interferencia electromagnética con el

equipo de monitoreo.

5.Microcirugia a ltamente local izada y prec i sa.

b.C icatr izac i& rap ida y minima.

Se han reportado procedimientos quirurgicos, por medio

del laser de b idx ido de carbono, en zonas altamente

vascularizadas con resultados impresionantes, al igual que

PCIGE 37

l a e x t i r p a c i ó n de tumores altamente va5cularirados, con 105

mismos resu l tados . Tambien 5e r e p o r t a l a e x t i r p a c i o n de /

tumores malignos s in manipulacidn de vasos sanguineos y

1inSat icos. Las zonas a l tamente in fecc iosas son

p a r t i c u l a r m e n t e a t r a c t i v a s a l l g s e r de b i& : ido de carbono.

Ademas, es p o s i b l e r e a l i z a r o p e r a c i o n e s en organos que

requ ie ren moni t o r e o s i mu1 taneo.

/

RESULTADOS

En e l l a b o r a t o r i o hemos i r r a d i a d o c o n e l l á s e r c a s i

c u a l q u i e r m a t e r i a l que e s t e a nuest ro a lcance. Comprobamos

que es p o s i b l e p e r f o r a r a E r i l i c o , c o n v e l o c i d a d e s de 1

pulgada por cada dos segundos, aproximadamente. Tambien

gravarnos v i d r i o y f u n d i m o s l a d r i l l o s r e f r a c t a r i o s , a t a l

grado que e s t e se vapor iza v io lentamente. Otras pruebas

hechas son e l c o r t e de t e l a y mylar, obteniendose cortes

extremadamente l i m p i o s y f i n o s . Hemos i r rad iado so ldadura , l a c u a l se f u n d e a l i n s t a n t e y hemos c o r t a d o c l i p s a l a

mi tad, lo que nos i n d i c a que existen determinados metales

que n o r e f l e j a n l a r a d i a c i 6 n .

Los resu l tados b iom4d icos 5017, a l i g u a l que l o s

i n d u s t r i a l e s , a l e n t a d o r e s . H a s t a l a f e c h a , n o se han

repor tado p roced imien tos qu i ru rg icos rea l i zados en México

por medio de e s t e l d s e r y creemos que somos l a crnica

i n s t i t u c i ó n en e l p a i s que cuenta con este inst rumento.

Se encontró una carenc ia en l a l i t e r a t u r a rnebica en

cuanto a l a i n t e r a c c i o n , d e t a l l a d a , d e l t e j i d o v i v o con la I

, , I

r a d i a c i o n d e l l a s e r de bioxido de carbono. Tambien se

encontro que no se ha l legado a un concenso en cuanto a l a s

po tenc ias aprop iadas para los d i fe ren tes p roced imien tos

qu i ru rg i cos . De.bido a estas carencias, se decidid, apoyados

en l os aspec tos f i s i o l o g i c o s p o r e l D r . Jesus Machado Salas

de ENEP I z t a c a l a , i n i c i a r i n v e s t i g a c i o n e s en l a i n t e r a c c i d n

de l a r a d i a c i d n e m i t i d a p o r e l 125~1- de b i d x i d o de carbono

con e l t e j i d o v i v o .

/

Los e x p e r i m e n t o 5 i n i c i a l e s c o n s i s t i e r o n en l a

e:.:posici& de t e j i d o c e r e b r a l de r a t a a l a r a d i a c i ó n

enf oca.da d e l la!ser, t raba jando a d i fe ren tes po tenc ias . Los

r e s u l t a d o s i n i c i a l e s c o n f i r m a n l a v a p o r i z a c i o n d e l t e j i d o

expuesto, con zonas muy delgadas que presentan coagulac ion

y edema , p e r i f e r i c a s a l a p e r f o r a c i d n en l a cor teza. A u n

no se han establec ido los par2 imetros de potenc ia y t iempo

de exposic ion, pero parece que p a r a d i s m i n u i r l a l e s i o n a l

t e j i d o p e r i f e r i c o , s e o p t a p o r e x p o s i c i o n e s b r e v e s (menores

a l segundo) y de potencias mayores a l o s v e i n t e w a t t s .

/

/

I I

COI\JCLUC I ON

Los resu l tados ob ten idos en l a f a s e i n i c i a l de

operac ion de l láser son alentadores. La estructura mec2nica

func iona como es debido, ya que e l l a s e r p r e s e n t a

e s t a b i l i d a d en potenc ia (var iac iones de medio wat t en una

ho ra ) , ademas de soportar golpes 5uaves s in que l a p o t e n c i a

disminuya, y en caso de haber osci lación en l a p o t e n c i a

debida a l g o l p e , e s t a r e g r e s a a su v a l o r a n t e r i o r a l g o l p e .

/

FAGE 39

Creemos que debemos en focar nues t ro t raba jo para adaptar

tubos mas po ten tes a e s t a e s t r u c t u r a .

O t r a e s p e c t a t i v a muy impor tante, es e l avance en e l

d e s a r r o l l o d e f i b r a s o p t i c a s p a r a e s t a f r e c u e n c i a . La

manipulation del haz hasta l a fecha , cons i s t i a en una q u i a

de onda hecha a base de espejos, que r e s u l t a a p a r a t o s a y

t o r p e a manipular. Las consecuencia.5 en l a a p l i c a c i o n

b i o m e d i r a d e l l a s e r que acar- rear ia el conectar una f i b r a

o b t i c a f l e x i b l e y f a c i l de operar, l a c u a l e s t a a punto d e

s a l i r a l mercado, a nues t ro láser son obvia.^, a l g rado de

poder lograr un p ro to t i po de f ab r i cac ión nac iona l

d i s p o n i b l e a l o s c e n t r o s de sa lud me:< i canos.

/

/

/

/

F A G E 40

AGRADECIMIENTOS

Pr i meramente qui si era agradecer al Dr. Salvador Godoy 1 a

oportunidad de se r su colaborador. Creo que fui muy

afortunado. en trabajar para una persona que desea con tanto

fervor cooperar en e l desarro l lo tecnológ ico de l pa i s .

A F‘onciano Rodriguez l e b r i ndo t odo m i agradecimiento,

por cooperar con empeho e imaginacirh inagotables, en l a

fabr icación del láser. Creo que formamos un buen equipo.

Deseo agradecer al Dr.Francisco Guzmán sus sugerencias,

siempre elegantes, en l a s o l u c i ó n de problemas asociados al

s istema de gases. A l personal de l ta l ler de soplado de

v i d r i o , que reparó el tubo con asombrosa) habilidad. Tambien

queremos agradecer a.1 personal de l ta l ler meca/nico por su

colaboracion en e l a juste de las p iezas meca’nicas y el

doblador de k m z . A Bernardo Gonzales, que es un mago para

consegui r los mater ia les necesar ios , en e l momento

indicado. Fldemas, queremos agradecer al personal del area

de vacío cr iog&ico, por mantener nuestras bombas de vac io

como nuevas. Y por ult imo a Jorge Guerrero por su in teres

brindado y entusiasmo en l a f a b r i c a c i g n de la estructura

mecánica y a toda persona que mostro interes por m i trabajo.

!

PAGE 4i

BIBLIOGRAFIA

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