y*** **** ***.n-* y***148.206.53.84/tesiuami/uam7543.pdf · la mayorl/a de los átomos o ......
TRANSCRIPT
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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.
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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:
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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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POGE 42