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Los láseres, una piedra angular de la tecnología moderna, son tan fascinantes como complejos. En su corazón se encuentra una sinfonía de componentes que trabajan al unísono para producir luz coherente y amplificada. Este blog profundiza en las complejidades de estos componentes, respaldados por principios y ecuaciones científicas, para proporcionar una comprensión más profunda de la tecnología láser.
Conocimientos avanzados sobre los componentes del sistema láser: una perspectiva técnica para los profesionales
| Componente | Función | Ejemplos |
| Ganar medio | El medio de ganancia es el material en un láser utilizado para amplificar la luz. Facilita la amplificación de la luz a través del proceso de inversión de la población y emisión estimulada. La elección del medio de ganancia determina las características de radiación del láser. | Láseres de estado sólido: EG, ND: YAG (granate de aluminio de itrio dopado con neodimio), utilizado en aplicaciones médicas e industriales.Láser de gas: por ejemplo, láseres de CO2, utilizados para cortar y soldar.Láseres de semiconductores:Por ejemplo, diodos láser, utilizados en comunicación de fibra óptica y punteros láser. |
| Fuente de bombeo | La fuente de bombeo proporciona energía al medio de ganancia para lograr la inversión de la población (la fuente de energía para la inversión de la población), lo que permite la operación láser. | Bombeo óptico: Uso de fuentes de luz intensas como lámparas de flash para bombear láseres de estado sólido.Bombeo eléctrico: Emociación del gas en láseres de gas a través de la corriente eléctrica.Bombeo de semiconductores: Uso de diodos láser para bombear el medio láser de estado sólido. |
| Cavidad óptica | La cavidad óptica, que consta de dos espejos, refleja la luz para aumentar la longitud del camino de la luz en el medio de ganancia, mejorando así la amplificación de la luz. Proporciona un mecanismo de retroalimentación para la amplificación del láser, seleccionando las características espectrales y espaciales de la luz. | Cavidad planar: Utilizado en investigación de laboratorio, estructura simple.Cavidad plana-confo: Común en láseres industriales, proporciona vigas de alta calidad. Cavidad de anillo: Utilizado en diseños específicos de láseres de anillo, como láseres de gas anillo. |
El medio de ganancia: un nexo de mecánica cuántica e ingeniería óptica
Dinámica cuántica en el medio de ganancia
El medio de ganancia es donde ocurre el proceso fundamental de amplificación de la luz, un fenómeno profundamente arraigado en la mecánica cuántica. La interacción entre los estados de energía y las partículas dentro del medio se rige por los principios de emisión estimulada y la inversión de la población. La relación crítica entre la intensidad de la luz (I), la intensidad inicial (I0), la sección transversal de transición (σ21) y los números de partículas en los dos niveles de energía (N2 y N1) se describen mediante la ecuación I = i0e^(σ21 (N2-N1) L). Lograr una inversión de población, donde N2> N1 es esencial para la amplificación y es una piedra angular de la física láser [1].
Sistemas de tres niveles versus cuatro niveles
En los diseños prácticos de láser, los sistemas de tres niveles y de cuatro niveles se emplean comúnmente. Los sistemas de tres niveles, aunque más simples, requieren más energía para lograr la inversión de la población, ya que el nivel de láser inferior es el estado fundamental. Los sistemas de cuatro niveles, por otro lado, ofrecen una ruta más eficiente a la inversión de la población debido a la rápida decadencia no radiativa desde el nivel de energía más alto, lo que las hace más frecuentes en las aplicaciones láser modernas [[2].
Is Vidrio dopado con erbio¿Un medio ganador?
Sí, el vidrio dopado con Erbium es de hecho un tipo de medio de ganancia utilizado en los sistemas láser. En este contexto, el "dopaje" se refiere al proceso de agregar una cierta cantidad de iones erbium (er³⁺) al vidrio. Erbium es un elemento de tierras raras que, cuando se incorpora a un huésped de vidrio, puede amplificar efectivamente la luz a través de la emisión estimulada, un proceso fundamental en la operación láser.
El vidrio dopado con Erbium es particularmente notable por su uso en láseres de fibra y amplificadores de fibra, especialmente en la industria de las telecomunicaciones. Es adecuado para estas aplicaciones porque amplifica de manera eficiente la luz a longitudes de onda de alrededor de 1550 nm, lo que es una longitud de onda clave para las comunicaciones de fibra óptica debido a su baja pérdida en las fibras de sílice estándar.
ElerbioLos iones absorben la luz de la bomba (a menudo de undiodo láser) y están entusiasmados con los estados de mayor energía. Cuando regresan a un estado de menor energía, emiten fotones en la longitud de onda de láser, contribuyendo al proceso láser. Esto hace que el vidrio dopado con erbio sea un medio de ganancia efectivo y ampliamente utilizado en varios diseños láser y amplificadores.
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Mecanismos de bombeo: la fuerza impulsora detrás de los láser
Diversos enfoques para lograr la inversión de la población
La elección del mecanismo de bombeo es fundamental en el diseño del láser, que influye en todo, desde la eficiencia hasta la longitud de onda de salida. El bombeo óptico, que usa fuentes de luz externas como faros de flash u otros láseres, es común en láseres de estado sólido y tinte. Los métodos de descarga eléctrica se emplean típicamente en láseres de gas, mientras que los láseres de semiconductores a menudo usan inyección de electrones. La eficiencia de estos mecanismos de bombeo, particularmente en los láseres de estado sólido con bombas de diodos, ha sido un foco significativo de investigaciones recientes, que ofrece una mayor eficiencia y compacidad [3].
Consideraciones técnicas en eficiencia de bombeo
La eficiencia del proceso de bombeo es un aspecto crítico del diseño del láser, que afecta el rendimiento general y la idoneidad de las aplicaciones. En los láseres de estado sólido, la elección entre farolas y diodos láser como fuente de bomba puede afectar significativamente la eficiencia del sistema, la carga térmica y la calidad del haz. El desarrollo de diodos láser de alta eficiencia y alta eficiencia ha revolucionado los sistemas láser DPSS, que permite diseños más compactos y eficientes [4].
La cavidad óptica: ingeniería del haz láser
Diseño de la cavidad: un acto de equilibrio de física e ingeniería
La cavidad óptica, o resonador, no es solo un componente pasivo sino un participante activo en la configuración del haz láser. El diseño de la cavidad, incluida la curvatura y la alineación de los espejos, juega un papel crucial en la determinación de la estabilidad, la estructura del modo y la salida del láser. La cavidad debe estar diseñada para mejorar la ganancia óptica mientras minimiza las pérdidas, un desafío que combina ingeniería óptica con óptica de olas5.
Condiciones de oscilación y selección de modo
Para que ocurra la oscilación del láser, la ganancia proporcionada por el medio debe exceder las pérdidas dentro de la cavidad. Esta condición, junto con el requisito de superposición de onda coherente, dicta que solo se admiten ciertos modos longitudinales. El espacio de modo y la estructura general del modo están influenciados por la longitud física de la cavidad y el índice de refracción del medio de ganancia [6].
Conclusión
El diseño y la operación de los sistemas láser abarcan un amplio espectro de principios de física e ingeniería. Desde la mecánica cuántica que rige el medio de ganancia hasta la intrincada ingeniería de la cavidad óptica, cada componente de un sistema láser juega un papel vital en su funcionalidad general. Este artículo ha proporcionado un vistazo al complejo mundo de la tecnología láser, que ofrece ideas que resuenan con la comprensión avanzada de los profesores e ingenieros ópticos en el campo.
Referencias
- 1. Siegman, Ae (1986). Láser. Libros de ciencias universitarios.
- 2. SVELTO, O. (2010). Principios de los láseres. Saltador.
- 3. Koechner, W. (2006). Ingeniería láser de estado sólido. Saltador.
- 4. Piper, JA y Mildren, RP (2014). Diodo bombeado láseres de estado sólido. En el Manual de Tecnología y Aplicaciones láser (Vol. III). CRC Press.
- 5. Milonni, PW, y Eberly, JH (2010). Física láser. Wiley.
- 6. Silfvast, WT (2004). Fundamentos láser. Cambridge University Press.
Tiempo de publicación: Nov-27-2023