El principio de trabajo básico de un láser (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación) se basa en el fenómeno de la emisión estimulada de la luz. A través de una serie de diseños y estructuras precisos, los láseres generan vigas con alta coherencia, monocromaticidad y brillo. Los láseres se usan ampliamente en tecnología moderna, incluso en campos como comunicación, medicina, fabricación, medición e investigación científica. Sus características de alta eficiencia y control precisos los convierten en el componente central de muchas tecnologías. A continuación se muestra una explicación detallada de los principios de trabajo de los láseres y los mecanismos de los diferentes tipos de láseres.
1. Emisión estimulada
Emisión estimuladaes el principio fundamental detrás de la generación de láser, propuesto por primera vez por Einstein en 1917. Este fenómeno describe cómo se producen fotones más coherentes a través de la interacción entre la luz y la materia de estado excitado. Para comprender mejor la emisión estimulada, comencemos con una emisión espontánea:
Emisión espontánea: En átomos, moléculas u otras partículas microscópicas, los electrones pueden absorber la energía externa (como la energía eléctrica u óptica) y la transición a un nivel de energía más alto, conocido como estado excitado. Sin embargo, los electrones en estado excitado son inestables y eventualmente volverán a un nivel de energía más bajo, conocido como estado fundamental, después de un período corto. Durante este proceso, el electrón libera un fotón, que es una emisión espontánea. Dichos fotones son aleatorios en términos de frecuencia, fase y dirección, y por lo tanto carecen de coherencia.
Emisión estimulada: La clave para la emisión estimulada es que cuando un electrón de estado excitado encuentra un fotón con una energía que coincide con su energía de transición, el fotón puede incitar al electrón que regrese al estado fundamental mientras libera un nuevo fotón. El nuevo fotón es idéntico al original en términos de frecuencia, fase y dirección de propagación, lo que resulta en una luz coherente. Este fenómeno amplifica significativamente el número y la energía de los fotones y es el mecanismo central de los láseres.
Efecto de retroalimentación positiva de la emisión estimulada: En el diseño de láseres, el proceso de emisión estimulado se repite varias veces, y este efecto de retroalimentación positiva puede aumentar exponencialmente el número de fotones. Con la ayuda de una cavidad resonante, se mantiene la coherencia de los fotones y la intensidad del haz de luz aumenta continuamente.
2. Gane medio
Elganar medioes el material central en el láser que determina la amplificación de los fotones y la salida del láser. Es la base física para la emisión estimulada, y sus propiedades determinan la frecuencia, la longitud de onda y la potencia de salida del láser. El tipo y las características del medio de ganancia afectan directamente la aplicación y el rendimiento del láser.
Mecanismo de excitación: Los electrones en el medio de ganancia deben excitarse a un nivel de energía más alto por una fuente de energía externa. Este proceso generalmente se logra por los sistemas externos de suministro de energía. Los mecanismos de excitación comunes incluyen:
Bombeo eléctrico: Emociación de los electrones en el medio de ganancia aplicando una corriente eléctrica.
Bombeo óptico: Emociación del medio con una fuente de luz (como una lámpara de flash u otro láser).
Sistema de niveles de energía: Los electrones en el medio de ganancia típicamente se distribuyen en niveles de energía específicos. Los más comunes sonsistemas de dos nivelesysistemas de cuatro niveles. En un sistema simple de dos niveles, los electrones pasan del estado fundamental al estado excitado y luego regresan al estado fundamental a través de la emisión estimulada. En un sistema de cuatro niveles, los electrones experimentan transiciones más complejas entre diferentes niveles de energía, lo que a menudo resulta en una mayor eficiencia.
Tipos de medios de ganancia:
Medio de ganancia de gas: Por ejemplo, láseres Helium-Neon (He-Ne). Los medios de ganancia de gas son conocidos por su producción estable y longitud de onda fija, y se utilizan ampliamente como fuentes de luz estándar en laboratorios.
Medio de ganancia líquida: Por ejemplo, láser de tinte. Las moléculas de tinte tienen buenas propiedades de excitación en diferentes longitudes de onda, lo que las hace ideales para láseres sintonizables.
Medio de ganancia sólida: Por ejemplo, láseres de aluminio Yttrium de aluminio dopado con neodimio). Estos láseres son altamente eficientes y potentes, y son ampliamente utilizados en aplicaciones de corte industrial, soldadura y médicos.
Medio de ganancia de semiconductores: Por ejemplo, los materiales de arsenuro de galio (GAA) se utilizan ampliamente en dispositivos de comunicación y optoelectrónicos, como diodos láser.
3. Cavidad del resonador
Elcavidad del resonadores un componente estructural en el láser utilizado para la retroalimentación y la amplificación. Su función central es mejorar el número de fotones producidos a través de la emisión estimulada reflejándolos y amplificándolos dentro de la cavidad, generando así una salida láser fuerte y enfocada.
Estructura de la cavidad del resonador: Por lo general, consta de dos espejos paralelos. Uno es un espejo completamente reflectante, conocido como elespejo trasero, y el otro es un espejo parcialmente reflectante, conocido como elespejo de salida. Los fotones se reflejan de ida y vuelta dentro de la cavidad y se amplifican a través de la interacción con el medio de ganancia.
Condición de resonancia: El diseño de la cavidad del resonador debe cumplir ciertas condiciones, como garantizar que los fotones formen ondas estacionarias dentro de la cavidad. Esto requiere que la longitud de la cavidad sea un múltiplo de la longitud de onda del láser. Solo las ondas de luz que cumplen con estas condiciones pueden amplificarse efectivamente dentro de la cavidad.
Haz de salida: El espejo parcialmente reflectante permite que pase una porción del haz de luz amplificado, formando el haz de salida del láser. Este haz tiene una alta direccionalidad, coherencia y monocromaticidad.
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Tiempo de publicación: sep-18-2024