Láser He-Ne

Un láser de helio-neón (He-Ne) es un tipo de láser de gas cuyo medio de ganancia consiste en una mezcla de gases de helio y neón dentro de un pequeño tubo de descarga eléctrica. Conocidos por su alta calidad de haz y su gran longitud de coherencia, los láseres He-Ne son habituales tanto en laboratorios educativos como en metrología industrial de precisión.

Principios de funcionamiento

El funcionamiento de un láser He-Ne se basa en una descarga eléctrica que crea una inversión de población en la mezcla de gases.

1. Excitación eléctrica: Se hace pasar una descarga eléctrica de alto voltaje a través de la mezcla de gases. Los átomos de helio, más ligeros y abundantes, se excitan a estados metaestables de alta energía.
2. Transferencia de energía resonante: Los átomos de helio excitados colisionan con los átomos de neón no excitados. Debido a que determinados niveles de energía del helio coinciden estrechamente con los niveles de excitación del neón, los átomos de helio transfieren su energía a los átomos de neón, lo que provoca una inversión de población en el gas de neón.
3. Emisión estimulada: Cuando los electrones excitados de los átomos de neón descienden a niveles de energía inferiores, emiten fotones. Estos fotones inducen la emisión estimulada de más fotones, lo que crea una cascada coherente de luz.

Construcción física

La construcción física de un láser He-Ne estándar es relativamente sencilla, pero exige una gran precisión.

• Tubo del medio de ganancia: Un tubo sellado de vidrio o cuarzo que contiene una mezcla de helio y neón, normalmente en una proporción de 10:1 o 5:1, a baja presión (alrededor de 1 Torr).
• Electrodos: Un ánodo y un cátodo se encuentran dentro del tubo para producir la descarga eléctrica necesaria para la excitación.
• Resonador óptico: Se colocan dos espejos en los extremos opuestos del tubo para formar la cavidad óptica.
  • Reflector de alta reflectividad: Uno de los espejos tiene un recubrimiento que proporciona una reflectividad cercana a 100%.
  • Acoplador de salida: El otro espejo es parcialmente transmisivo (normalmente reflectante en un 99%), lo que permite que una pequeña fracción de la luz salga como haz láser utilizable.
• Ventanas de Brewster (opcionales): En algunos diseños, los extremos del tubo de gas están sellados con ventanas inclinadas según el ángulo de Brewster. Esto elimina las pérdidas por reflexión para un estado de polarización, lo que produce un haz de salida polarizado linealmente.

Parámetros ópticos clave

• Longitud de onda: La línea de emisión más común y conocida es roja y se encuentra en 632.8 nm. Sin embargo, los láseres He-Ne también pueden diseñarse para emitir en 543.5 nm (verde), 594 nm (amarillo), 612 nm (naranja), 1152 nm (infrarrojo) y 3391 nm (infrarrojo).
• Potencia de salida: Generalmente baja, con un intervalo típico de 0.5 mW a 50 mW.
• Perfil del haz: Normalmente producen un modo electromagnético transversal excelente y muy simétrico, concretamente el perfil de haz TEM₀₀ (gaussiano).
• Longitud de coherencia: Excepcionalmente larga (a menudo entre 20 cm y varios metros), por lo que resultan ideales para interferometría.

Clasificaciones y tipos

Los láseres He-Ne se clasifican generalmente según dos características principales:

• Por longitud de onda: He-Ne rojo (estándar), He-Ne verde, He-Ne amarillo y He-Ne infrarrojo. Los filtros ópticos de paso de banda estrecha (por ejemplo, centrados con precisión en 632.8 nm) suelen combinarse con estos láseres para eliminar la luz ambiental en aplicaciones de sensores.
• Por polarización: * Polarización aleatoria: El estado de polarización fluctúa con el tiempo.
  • Polarización lineal: Utiliza ventanas de Brewster internas para forzar el haz a adoptar un único estado de polarización estable.

Aplicaciones

Debido a su excelente calidad de haz y longitud de onda estable, los láseres He-Ne se utilizan en aplicaciones que requieren alta precisión en lugar de alta potencia:

• Interferometría y metrología: para la medición precisa de superficies y la calibración.
• Alineación óptica: Se utiliza como referencia de línea recta para alinear sistemas ópticos complejos o maquinaria industrial.
• Holografía: La gran longitud de coherencia es fundamental para registrar hologramas de alta calidad.
• Citometría de flujo: Se utiliza en la investigación biomédica para contar y analizar células.

Ejemplo práctico: el interferómetro de Michelson

Contexto: Un laboratorio de física necesita medir la longitud de onda exacta de una fuente de luz o detectar cambios microscópicos de distancia.

Integración de componentes: Se dirige un láser He-Ne de 632.8 nm hacia un interferómetro de Michelson. El haz incide en un divisor de haz y se divide en dos trayectorias ópticas independientes. Una trayectoria conduce a un espejo fijo y la otra a un espejo móvil. Los haces se reflejan, regresan y se recombinan en el divisor de haz, proyectando un patrón de interferencia sobre una pantalla.

Función: Debido a la longitud de coherencia excepcionalmente larga y a la gran estabilidad de la longitud de onda del láser He-Ne, los haces recombinados mantienen perfectamente su relación de fase.

Resultado: El sistema produce franjas de interferencia concéntricas, nítidas y claramente visibles. Al contar el número de franjas que se desplazan al ajustar el espejo móvil, el usuario puede medir variaciones de distancia de hasta una fracción de la longitud de onda de 632.8 nm (precisión nanométrica).