El efecto optogalv
´
anico como detector de la
potencia irradiada por l
´
aseres de CO
2
de alta
potencia de flujo r
´
apido transversal
The optogalvanic effect as a power detector for high-power, fast-transverse-flow CO
2
lasers
G. D. Santiago
∗1
, V. D’Accurso
†
,
∗
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Grupo de L
´
aser,
´
Optica de Materiales y Aplicaciones Electromagn
´
eticas (GLOMAE)
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
†
Centro de Investigaciones en L
´
aseres y Aplicaciones, CITEDEF
Juan Bautista de la Salle 4397, B1603ALQ, Buenos Aires, Argentina
1
gsantia@fi.uba.ar
Abstract—In this work, a new method for measuring the
power of light beams generated by fast-tranverse-flow CO
2
lasers is presented. It consists in measuring the temperature
of the gas before and after the discharge zone under the
conditions when the output mirror of the optical cavity is
blocked or not. Then, using a simple thermodynamic model,
the emitted power is obtained. The method was tested in
a continuous CO
2
laser of the convective cooling type by
transverse flow that can deliver a power up to 2 kW. The
measured power agreed very well with that obtained with a
commercial detector based on an absorbing material.
Keywords: CO
2
laser; high power; fast transverse flow
Resumen— En este trabajo se presenta un nuevo m
´
etodo para
medir la potencia de haces de luz generada por l
´
aseres de
CO
2
de flujo r
´
apido transversal.
´
Este consiste en la medici
´
on
de la temperatura del gas antes y despu
´
es de la zona de
descarga en las condiciones cuando el espejo de salida de la
cavidad
´
optica se encuentra o no bloqueado. Luego, usando
un modelo termodin
´
amico sencillo, se obtiene la potencia
emitida. El m
´
etodo fue probado en un l
´
aser de CO
2
continuo
del tipo de enfriamiento convectivo por flujo transversal que
puede entregar hasta 2 kW. La potencia medida concord
´
o
muy bien con aquella obtenida con un detector comercial
basado en un material absorbente.
Palabras clave: L
´
aser CO
2
; alta potencia; flujo r
´
apido
transversal
I. INTRODUCCI
´
ON
El l
´
aser de CO
2
ha sido muy estudiado ya que presenta
un gran rendimiento y se pueden conseguir potencias muy
elevadas.
´
Este tipo de l
´
aser es utilizado en numerosas
aplicaciones, como por ejemplo en la manufactura industrial,
reacciones fotoqu
´
ımicas, soldado y cortado de diversos
materiales, entre otras. Esta gran variedad de aplicaciones
abri
´
o el camino al desarrollo de l
´
aseres de CO
2
operados
en forma continua, que trabajan con potencias del orden de
los kilowatts y los operados en forma pulsada que llegan a
alcanzar los terawatts.
Una gran ventaja de
´
este l
´
aser se encuentra en la mol
´
ecula
de CO
2
que lo caracteriza. Dada la simetr
´
ıa lineal de
la misma y encontr
´
andose en una mezcla CO
2
:N
2
:He,
los niveles vibro-rotacionales relevantes de la mol
´
ecula de
CO
2
virtualmente coinciden con los estados de energ
´
ıa
vibracional caracter
´
ısticos de del nitr
´
ogeno. Esta propiedad
permite que el N
2
transfiera al CO
2
energ
´
ıa vibracional por
colisiones, optimizando de esta forma el proceso de bombeo
de las mol
´
eculas al nivel l
´
aser superior. De esta forma el
l
´
aser de CO
2
puede alcanzar un rendimiento muy alto, del
orden de 20% de conversi
´
on de potencia el
´
ectrica a potencia
´
optica.
Existen diversos mecanismos para excitar estos l
´
aseres,
siendo los m
´
as utilizados las descargas de corriente continua
o pulsada.
A pesar del buen rendimiento de este l
´
aser, m
´
as del 80%
de la potencia de excitaci
´
on debe ser extra
´
ıda bajo a forma
de calor. Este punto se vuelve m
´
as dif
´
ıcil de resolver cuando
las potencias l
´
aser son del orden del kilowatt. En efecto,
la temperatura de la mezcla de CO
2
:N
2
:He conviene que
sea inferior a unos 450 K para evitar la degradaci
´
on de
la ganancia del l
´
aser. De hecho, el m
´
etodo para disponer
del calor caracteriza a los l
´
aseres de gran potencia, siendo
los dispositivos llamados de “enfriamiento convectivo” o
tambi
´
en de “flujo r
´
apido”, la soluci
´
on m
´
as empleada. La
idea b
´
asica es la de circular r
´
apidamente la mezcla de gases
a trav
´
es de la zona de descarga de forma tal que el calor
sea removido por enfriamiento convectivo.
Medir la potencia de un haz l
´
aser es dif
´
ıcil. Hay casi
tantos tipos diferentes de medidores como l
´
aseres, y ninguno
de ellos es barato. El m
´
etodo est
´
andar para medir la potencia
de un haz l
´
aser es calentando un detector. Luego, esa
potencia se compara con la cantidad equivalente de energ
´
ıa
el
´
ectrica que causar
´
ıa un cambio de temperatura equivalente.
El detector generalmente tiene un revestimiento especial
para absorber la energ
´
ıa del haz y suele tardar unos segundo
o incluso minutos en integrar la se
˜
nal.
Usualmente la potencia de un l
´
aser continuo es medido
con alg
´
un m
´
etodo t
´
ermico en el que la temperatura del
sensor aumenta por la absorci
´
on del haz l
´
aser y como conse-
cuencia alguna propiedad el
´
ectrica var
´
ıa (termoresistencias,
termocuplas) y a partir de
´
estas se computa la potencia
l
´
aser. Es complejo aplicar este m
´
etodo con potencias del
orden del kilowatt porque, a diferencia de lo que ocurre
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 12-15 (2018)
ISSN 2525-0159
12
Recibido: 23/05/18; Aceptado: 08/06/18
Fig. 1. Esquema de un l
´
aser de CO
2
de enfriamiento convectivo por flujo
r
´
apido transversal.
en radiofrecuencias, no es sencillo ni econ
´
omico tomar una
muestra calibrada del haz l
´
aser, por lo que un detector l
´
aser
de altas potencias debe ser capaz de absorber la totalidad de
la potencia incidente. Esto obliga a emplear refrigeraci
´
on por
agua o grandes disipadores.
En este trabajo presentamos un m
´
etodo para medir la
potencia de haces de luz generados por l
´
aseres de CO
2
de alta potencia de flujo r
´
apido transversal basado en el
efecto optogalv
´
anico y unas simples consideraciones ter-
modin
´
amicas. La t
´
ecnica fue probada experimentalmente y
contrastada con el valor obtenido con un detector comercial
basado en un absorbente calibrado.
II. M
´
ETODO Y MATERIALES
El m
´
etodo presentado en este trabajo se prob
´
o en un l
´
aser
de CO
2
continuo del tipo de enfriamiento convectivo por
flujo r
´
apido transversal que fue usado en varios trabajos
previos [1]–[3]. En la Fig. 1 se muestra el esquema del
l
´
aser en cuesti
´
on.
El sistema por el que circula la mezcla es una estructura
construida en acero y que semeja un t
´
unel aerodin
´
amico.
Los gases son recirculados por un par de sopladores axiales
contra-rotatorios movidos por dos motores trif
´
asicos de 3
kW cada uno. La mezcla es acelerada hasta una velocidad
de 50 m/s en una tobera para luego ingresar a la zona de
descarga de 1000 mm de ancho y 100 mm de altura, donde
es excitada por medio de una descarga de corriente continua
de alta potencia. Luego de salir de la zona de descarga los
gases reducen la velocidad en un difusor, cerrando as
´
ı el
circuito de circulaci
´
on. Una peque
˜
na parte de la potencia
disipada es
´
util para proveer ganancia y el resto (del orden
del 90% del total) es extra
´
ıdo en un par de intercambiadores
de calor gas-agua ubicados antes y despu
´
es de la zona
de descarga. Estos intercambiadores sirven tambi
´
en para
remover el calor disipado en los motores de circulaci
´
on
dado que los mismos carecen de un sistema de refrigeraci
´
on
independiente. La excitaci
´
on se consigue por medio de una
fuente trif
´
asica capaz de entregar de 2.5 a 3.3 kV y corrientes
de hasta 20 A. La tensi
´
on de salida se ajusta por medio de
un auto-transformador.
El sistema de excitaci
´
on posee el formato simple de la Fig.
2. El c
´
atodo es un ca
˜
no de cobre de 20 mm de di
´
ametro y
por su interior circula agua que ayuda a disipar el t
´
ermino
de potencia correspondiente a la ca
´
ıda cat
´
odica. Los
´
anodos
son barras semicil
´
ındricas de bronce de 13 mm de ancho,
Fig. 2. Configuraci
´
on de electrodos del esquema de excitaci
´
on.
80 mm de largo y suman un total de 60. Estos se encuentran
ubicados paralelamente entre ellos y al flujo del gas, con lo
que se consigue una zona excitada de 900 x 80 x 45 mm.
Cada
´
anodo se encuentra conectado a la fuente a trav
´
es de
una resistencia limitadora individual.
Para medir la potencia recurrimos al efecto optogalv
´
anico
[4]. Descripto sint
´
eticamente, este fen
´
omeno se caracteriza
por la variaci
´
on de la impedancia de una descarga gaseosa
cuando es iluminada con luz resonante con alguna de las
transiciones permitidas de las mol
´
eculas presentes. Desde
el punto de vista del circuito externo se observa una dis-
minuci
´
on de la ca
´
ıda de voltaje a trav
´
es de la descarga
cuando se mantiene constante la corriente. En nuestro caso
utilizamos la radiaci
´
on l
´
aser presente dentro de la zona
de descarga para obtener el efecto optogalv
´
anico. Si se
inhibe la oscilaci
´
on (tapando el espejo de salida), la ca
´
ıda
de voltaje es superior a la que se registra cuando hay
oscilaci
´
on (a corriente constante). Esto indica que se entrega
menos potencia a la descarga, lo que se traduce en un
Fig. 3. Modelo termodin
´
amico de la cavidad l
´
aser.
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 12-15 (2018)
ISSN 2525-0159
13
http://elektron.fi.uba.ar
menor aumento de temperatura de los gases que atraviesan
la zona de excitaci
´
on. El m
´
etodo para medir la potencia
l
´
aser irradiada consiste en la medici
´
on de la temperatura
del gas antes y despu
´
es de la regi
´
on donde se produce la
descarga gaseosa para los casos con y sin bloqueo del espejo
de salida. La medici
´
on de la temperatura se consigue con
un arreglo compuesto por varios termistores (135-104LAG-
J01) dispuestos en un plano transversal a la direcci
´
on del
flujo. Para obtener la potencia a partir de la medici
´
on de la
temperatura se sigue el modelo termodin
´
amico mostrado en
la Fig. 3. El primer principio aplicado a sistemas con flujo
entre el plano de entrada (e) y el de salida (s) puede ser
escrito como:
C
p
˙m(T
s
− T
e
) +
1
2
δ
s
Av
2
s
−
1
2
δ
e
Av
2
e
= P
elec
(1)
donde C
p
el calor espec
´
ıfico a presi
´
on constante por unidad
de masa, ˙m el caudal m
´
asico, δ la densidad del gas, v
la velocidad de flujo, T la temperatura absoluta del gas
y P
elec
la potencia el
´
ectrica entregada a la descarga. Los
sub
´
ındices e y s corresponden a los valores antes y despu
´
es
de la zona de descarga, respectivamente. En las condiciones
prevalecientes en nuestro caso los t
´
erminos asociados con la
energ
´
ıa cin
´
etica son despreciables, por lo que obtenemos:
P
elec
= C
p
˙m(T
s
− T
e
) (2)
Como la temperatura a la entrada de la descarga no
depende de si el espejo de salida se encuentra o no
bloqueado, la potencia l
´
aser se puede calcular como la
diferencia de las potencias el
´
ectricas depositadas sin y con
efecto optogalv
´
anico presente:
P
laser
= C
p
˙m(T
c
s
− T
s
s
) (3)
donde los supra
´
ındices c y s corresponden a con y sin
bloqueo de espejo de salida, respectivamente.
Es importante recalcar que T
c
s
> T
s
s
debido a la existencia
( o no) del efecto optogalv
´
anico cuando se bloquea o habilita
el espejo de salida, respectivamente.
III. RESULTADOS
La Fig. 4 presenta una vista de la descarga. A la izquierda
de la misma se observa el c
´
atodo tubular iluminado fuerte-
mente por la mancha cat
´
odica. En la parte superior se
encuentran los
´
anodos y pr
´
oxima a ellos se observa una
zona luminosa correspondiente a la columna positiva. El gas
fluye de izquierda a derecha y se puede apreciar el fuerte
desplazamiento de la descarga en tal direcci
´
on.
En la Fig. 5 se muestra el valor promedio de la temper-
atura del gas a la salida de la descarga con y sin bloqueo del
espejo de salida. La presencia de dos picos se corresponde
a siguiente secuencia de medici
´
on: 1) se enciende fuente; 2)
medici
´
on temperatura; 3) se apaga fuente de alimentaci
´
on
y se bloquea el espejo de salida; y 4) se mide temperatura.
Del primer pico de puede decir que suponiendo un bombeo
directo al nivel inferior despreciable, la poblaci
´
on de este
aumenta r
´
apidamente con el crecimiento de la temperatura
del gas dado que la energ
´
ıa del nivel 10
0
0 es tan s
´
olo 1388
Fig. 4. Fotograf
´
ıa de la descarga en la cavidad
´
optica sin espejos.
Fig. 5. Temperatura del gas a la salida de la zona de descarga.
cm
−1
, que comparada con un valor de 280 cm
−1
para kT a
T = 400 K indica que la poblaci
´
on del nivel inferior crece
dr
´
asticamente al elevarse al temperatura, con la siguiente
disminuci
´
on de la ganancia del medio. Resulta por lo tanto
importante mantener la temperatura del gas por debajo de
los 450 K. Es sabido que al aumentar la corriente se produce
un aumento de la temperatura, entonces observando la Fig. 5
se puede predecir si todav
´
ıa es posible aumentar la corriente.
Se observa que la temperatura de la descarga comienza
en 418 K y asciende a los 440 K, por lo tanto todav
´
ıa
se posee un resto de 10 K para aumentar la corriente sin
afectar notablemente la inversi
´
on de poblaci
´
on. A partir de
la medici
´
on de la temperatura a la entrada de la descarga,
se verific
´
o que la temperatura del gas a la entrada de la
descarga es independiente de si el espejo de salida de la
cavidad
´
optica est
´
a o no bloqueado.
La medici
´
on de temperatura se realiz
´
o con una mezcla
1:3:17 a una presi
´
on total de 37.5 torr y con lo que se obtiene
un valor para C
p
δ ≈ 44 J/(K m
3
). Considerando A= 31.5
10
−3
m
2
y v= 50 m/s se obtiene una potencia de 1386 W.
Con el detector calibrado se obtuvo un valor de 1400 W.
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 12-15 (2018)
ISSN 2525-0159
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IV. CONCLUSIONES
En este art
´
ıculo se present
´
o una nueva forma de medir
la potencia emitida por l
´
aseres continuos de CO
2
de alta
potencia de flujo r
´
apido transversal. La misma se basa en el
uso de dos arreglos de termistores para medir la temperatura
promedio de la mezcla gaseosa CO
2
:N
2
:He antes y despu
´
es
de la zona donde ocurre la descarga el
´
ectrica que genera la
inversi
´
on de poblaci
´
on. Esto se realiza para las condiciones
con y sin bloqueo del espejo de salida de la cavidad l
´
aser
y, usando un modelo termodin
´
amico sencillo, se obtiene la
potencia irradiada.
El m
´
etodo fue probado en un CO
2
continuo usado en
varios trabajos previos y que es capaz de entregar hasta
2 KW de potencia. Se midi
´
o una potencia de 1386 W,
que es un valor que concuerda muy bien con el obtenido
con un detector comercial calibrado basado en un material
absorbente.
REFERENCIAS
[1] M. G. Gonzalez, I. Rios, V. D’Accurso, G. D. Santiago, and C. Rosito,
“Homogeneizaci
´
on del bombeo en l
´
aseres de co2, de flujo r
´
apido
transversal,” Anales AFA, vol. 14, pp. 76–78, 2002.
[2] M. G. Gonzalez and G. D. Santiago, “Operational characteristics of
different electrode systems in fast- transverse-flow co2 lasers,” Proc.
SPIE, vol. 5622, pp. 261–266, 2004.
[3] M. G. Gonzalez, I. Rios, V. D’Accurso, G. D. Santiago, and C. Rosito,
“An analytical approach to the design of electrodes in high-power, fast-
transverse-flow co2 lasers,” Opt. Laser Technol., vol. 37, pp. 615–622,
2005.
[4] M. B. J. Pfaff and R. Saykally, “An investigation of the laser op-
togalvanic effect for atoms and molecules in recombination-limited
plasmas,” Mol. Phys, vol. 52, pp. 541–566, 1984.
Revista elektron, Vol. 2, No. 1, pp. 12-15 (2018)
ISSN 2525-0159
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