El principio básico de funcionamiento de un láser (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación) se basa en el fenómeno de la emisión estimulada de luz. Mediante una serie de diseños y estructuras precisos, los láseres generan haces con alta coherencia, monocromaticidad y brillo. Los láseres se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, incluyendo campos como la comunicación, la medicina, la fabricación, la medición y la investigación científica. Su alta eficiencia y su preciso control los convierten en el componente central de muchas tecnologías. A continuación, se detalla el principio de funcionamiento de los láseres y los mecanismos de sus diferentes tipos.
1. Emisión estimulada
Emisión estimuladaEs el principio fundamental de la generación láser, propuesto por primera vez por Einstein en 1917. Este fenómeno describe cómo se producen fotones más coherentes mediante la interacción entre la luz y la materia excitada. Para comprender mejor la emisión estimulada, comencemos con la emisión espontánea:
Emisión espontáneaEn átomos, moléculas u otras partículas microscópicas, los electrones pueden absorber energía externa (como energía eléctrica u óptica) y pasar a un nivel energético superior, conocido como estado excitado. Sin embargo, los electrones en estado excitado son inestables y, tras un breve período, regresan a un nivel energético inferior, conocido como estado fundamental. Durante este proceso, el electrón libera un fotón, que constituye una emisión espontánea. Estos fotones son aleatorios en cuanto a frecuencia, fase y dirección, por lo que carecen de coherencia.
Emisión estimuladaLa clave de la emisión estimulada reside en que, cuando un electrón en estado excitado encuentra un fotón con una energía equivalente a su energía de transición, este puede impulsar al electrón a regresar al estado fundamental, liberando al mismo tiempo un nuevo fotón. Este nuevo fotón es idéntico al original en frecuencia, fase y dirección de propagación, lo que produce luz coherente. Este fenómeno amplifica significativamente el número y la energía de los fotones y constituye el mecanismo fundamental de los láseres.
Efecto de retroalimentación positiva de la emisión estimuladaEn el diseño de láseres, el proceso de emisión estimulada 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. Ganancia media
Elganancia mediaEs el material principal del láser que determina la amplificación de los fotones y la salida del láser. Constituye la base física de 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 excitaciónLos electrones en el medio de ganancia necesitan ser excitados a un nivel de energía más alto mediante una fuente de energía externa. Este proceso suele lograrse mediante sistemas de suministro de energía externos. Los mecanismos de excitación comunes incluyen:
Bombeo eléctrico:Excitar los electrones en el medio de ganancia mediante la aplicación de una corriente eléctrica.
Bombeo óptico:Excitar el medio con una fuente de luz (como una lámpara de flash u otro láser).
Sistema de niveles de energíaLos electrones en el medio de ganancia suelen distribuirse en niveles de energía específicos. Los más comunes sonsistemas de dos nivelesysistemas de cuatro nivelesEn un sistema simple de dos niveles, los electrones pasan del estado fundamental al estado excitado y luego regresan al estado fundamental mediante 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:
Ganancia de gas mediaPor ejemplo, los láseres de helio-neón (He-Ne). Los medios de ganancia de gas son conocidos por su salida estable y longitud de onda fija, y se utilizan ampliamente como fuentes de luz estándar en laboratorios.
Ganancia líquida mediaPor ejemplo, los láseres de colorante. Las moléculas de colorante tienen buenas propiedades de excitación en diferentes longitudes de onda, lo que las hace ideales para láseres sintonizables.
Ganancia sólida mediaPor ejemplo, los láseres de Nd (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio). Estos láseres son altamente eficientes y potentes, y se utilizan ampliamente en corte industrial, soldadura y aplicaciones médicas.
Medio de ganancia de semiconductores:Por ejemplo, los materiales de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan ampliamente en dispositivos de comunicación y optoelectrónicos como los diodos láser.
3. Cavidad del resonador
Elcavidad del resonadorEs un componente estructural del láser que se utiliza para retroalimentación y amplificación. Su función principal es aumentar el número de fotones producidos mediante emisión estimulada reflejándolos y amplificándolos dentro de la cavidad, generando así una salida láser potente y enfocada.
Estructura de la cavidad del resonador: Generalmente consta de dos espejos paralelos. Uno es un espejo totalmente reflectante, conocido comoespejo retrovisor, y el otro es un espejo parcialmente reflectante, conocido comoespejo de salidaLos fotones se reflejan de un lado a otro dentro de la cavidad y se amplifican a través de la interacción con el medio de ganancia.
Condición de resonanciaEl 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 estas condiciones pueden amplificarse eficazmente dentro de la cavidad.
Haz de salidaEl espejo parcialmente reflectante permite el paso de una parte del haz de luz amplificado, formando el haz de salida del láser. Este haz presenta alta direccionalidad, coherencia y monocromaticidad..
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Hora de publicación: 18 de septiembre de 2024