El principio de funcionamiento básico 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 de precisión, los láseres generan haces con alta coherencia, monocromaticidad y brillo. Los láseres se utilizan ampliamente en la tecnología moderna, incluyendo campos como las comunicaciones, la medicina, la fabricación, la medición y la investigación científica. Su alta eficiencia y sus características de control preciso los convierten en el componente central de numerosas tecnologías. A continuación, se ofrece una explicación detallada de los principios de funcionamiento de los láseres y los mecanismos de los diferentes tipos de láseres.
1. Emisión estimulada
Emisión estimuladaEs el principio fundamental de la generación de láseres, 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 en estado excitado. 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 transitar a un nivel de energía superior, conocido como estado excitado. Sin embargo, los electrones en estado excitado son inestables y, tras un breve periodo, regresan a un nivel de energía inferior, conocido como estado fundamental. Durante este proceso, el electrón emite un fotón, lo que constituye una emisión espontánea. Estos fotones son aleatorios en cuanto a frecuencia, fase y dirección, y por lo tanto carecen de coherencia.
Emisión estimuladaLa clave de la emisión estimulada reside en que, cuando un electrón en estado excitado se encuentra con un fotón cuya energía coincide con la de su transición, el fotón puede inducir al electrón a regresar a su estado fundamental, emitiendo simultáneamente un nuevo fotón. Este nuevo fotón es idéntico al original en frecuencia, fase y dirección de propagación, lo que da lugar a 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 múltiples veces, y este efecto de retroalimentación positiva puede aumentar exponencialmente el número de fotones. Mediante una cavidad resonante, se mantiene la coherencia de los fotones y se incrementa continuamente la intensidad del haz de luz.
2. Ganancia media
Elganancia mediaEl material central del láser determina la amplificación de fotones y la potencia de salida. 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 influyen directamente en la aplicación y el rendimiento del láser.
Mecanismo de excitaciónLos electrones del medio activo necesitan ser excitados a un nivel de energía superior mediante una fuente de energía externa. Este proceso se suele lograr mediante sistemas de suministro de energía externos. Los mecanismos de excitación comunes incluyen:
Bombeo eléctricoExcitar los electrones en el medio de ganancia aplicando una corriente eléctrica.
Bombeo ópticoExcitar 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 se distribuyen típicamente en niveles de energía específicos. Los más comunes sonsistemas de dos nivelesysistemas de cuatro nivelesEn un sistema simple de dos niveles, los electrones transitan 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 suele resultar 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 gaseosos son conocidos por su salida estable y longitud de onda fija, y se utilizan ampliamente como fuentes de luz estándar en laboratorios.
Medio de ganancia líquidaPor 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 muy eficientes y potentes, y se utilizan ampliamente en el corte industrial, la soldadura y en aplicaciones médicas.
Medio de ganancia semiconductorPor ejemplo, los materiales de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan ampliamente en dispositivos de comunicación y optoelectrónicos, como los diodos láser.
3. Cavidad resonadora
Elcavidad resonadoraEs un componente estructural del láser utilizado para la retroalimentación y la 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 resonadorGeneralmente consta de dos espejos paralelos. Uno de ellos es un espejo totalmente reflectante, conocido como espejo de reflexión.espejo retrovisory el otro es un espejo parcialmente reflectante, conocido como elespejo de salidaLos fotones se reflejan de un lado a otro dentro de la cavidad y se amplifican mediante la interacción con el medio de ganancia.
Condición de resonanciaEl diseño de la cavidad resonadora debe cumplir ciertas condiciones, como garantizar que los fotones formen ondas estacionarias en su interior. Esto requiere que la longitud de la cavidad sea un múltiplo de la longitud de onda del láser. Solo las ondas de luz que cumplan estas condiciones pueden amplificarse eficazmente dentro de la cavidad.
Haz de salidaEl espejo parcialmente reflectante permite que una porción del haz de luz amplificado lo atraviese, formando así el haz de salida del láser. Este haz posee alta direccionalidad, coherencia y monocromaticidad..
Si desea obtener más información o está interesado en los láseres, no dude en ponerse en contacto con nosotros:
Punto luminoso
Dirección: Edificio 4, n.º 99, calle Furong 3.ª, distrito de Xishan, Wuxi, 214000, China
Tel: + 86-0510 87381808.
Móvil: +86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Sitio web: www.lumispot-tech.com
Fecha de publicación: 18 de septiembre de 2024