LÁSERES QUÍMICOS
El láser de fluoruro de deuterio produce láseres de salida IR media
Roland Roux
Láseres de hidrógeno y haluro de deuterio (HCl, DF, HBr) basados en una reacción química exotérmica iniciada por descarga o por mezcla rápida de los gases reactivos emitidos en la región de longitud de onda de 3 a 5 µm. Varias longitudes de onda en este rango espectral son adecuadas para la propagación de haces de largo alcance a través de la atmósfera porque coinciden con ventanas atmosféricas.
Hace varios años CILAS (Marcoussis, Francia) desarrolló un láser HF-DF capaz de producir una potencia media de 600 W en longitudes de onda HF y de 250 W para DF.1 Sin embargo, el funcionamiento a largo plazo de un láser de este tipo requiere una regeneración continua de los gases que se mezclan. Un enfoque alternativo para experimentos que requieren solo una potencia media baja es el bombeo óptico de las moléculas de hidrógeno y haluro de deuterio. Los gases utilizados y la fuente pum¥seleccionada permiten cubrir varias regiones espectrales de entre 3 y 5 µm. Este enfoque evita las desventajas de la disociación y regeneración de gases.
Más recientemente, los investigadores de CILAS, apoyados por DRET (Direction des Recherches, Etudes, et Techniques, París, Francia), han experimentado con un novedoso láser de fluoruro de deuterio de potencia media baja.2,3 En este dispositivo, un pulso láser corto estimula moléculas de hidrógeno o haluro de deuterio contenidas en una celda de gas, creando una inversión de población en cascada. La principal dificultad es encontrar una fuente láser capaz de golpear las líneas discretas y estrechas de las diversas transiciones.
Láser de forsterita
En el rango de presión que se usa típicamente para hacer que las moléculas de haluro de deuterio o hidrógeno se liberen, las líneas de absorción son muy estrechas (menos de 1 GHz). Por lo tanto, una fuente pum¥eficiente debe tener propiedades espectrales estrechas similares y estar sintonizada con precisión a una línea de absorción. Un láser forsterite que utiliza una serie de prismas y dos dispositivos Fabry-Perot puede cumplir estos requisitos (ver figura en la p. 29).
El láser de forsterita dopado con cromo (Cr4+: Mg2SiO4) se basa en un cristal de 23 mm de largo con una sección transversal de 4 ¥ 6 mm2 y cortado en el ángulo de Brewster. Un láser Nd:YAG con conmutación Q bombea longitudinalmente el cristal de forsterita a 1,064 nm. El láser Nd:YAG entrega energías de pulso u¥a 130 mJ con una duración de pulso de 10 ns y una frecuencia de repetición de pulso de 10 Hz.
La longitud de onda de salida requerida se obtiene pasando el haz a través de tres prismas dispersivos y girando el espejo totalmente reflectante. Para reducir el ancho de banda espectral de la emisión láser, se colocan dos dispositivos Fabry-Perot en la cavidad. El láser forsterite se puede ajustar suavemente de 1,16 a 1,33 µm, y el pico de rango de sintonía se centra en 1,25 µm. Sin los dispositivos Fabry-Perot, el láser forsterite proporciona una energía máxima de 13 mJ por pulso a 1,25 µm con la energía pum¥de 130 mJ (véase el recuadro de la figura, p. 29); por lo tanto, la eficiencia de conversión óptica es del 10%. Con los dispositivos Fabry-Perot, a 1,268 µm (la línea HF), la energía de pulso es de 6 mJ, y a 1,193 µm (la línea DF), es de 3 mJ. La longitud de pulso está entre 50 y 70 ns (FWHM) con una anchura de línea de 0,06 Å.
La salida de línea estrecha del láser forsterite se introduce en la celda de gas a través de un espejo de cavidad dicroica curvada que es altamente transmisivo en la longitud de onda pum¥y altamente reflectante en las longitudes de onda de láser HF y DF. Se utilizan celdas de acero inoxidable equipadas con ventanas Brewster de fluoruro de calcio; la longitud de las celdas es de 15 cm para HF y de 50 cm para DF.
Con este set¥bombeando la célula de HF, los investigadores obtuvieron una energía de superfluorescencia de 250 µJ (medida sin espejos) en la transición de alrededor de 2,8 µm. La presión de la célula de HF fue de 30 Torr, y la energía del láser forsterite pum¥fue de 6 mJ a 1,268 µm con una longitud de pulso de 50 ns. Durante el bombeo de la célula DF, se observó una emisión láser en cascada y se emitieron líneas de láser de entre 3,64 y 3,85 µm simultáneamente con aproximadamente 10 µJ de energía. En este caso, la presión de la celda DF fue de 3 a 6 Torr; la energía láser pum¥fue de 3 mJ a 1,193 µm.