El principio de funcionamiento básico de un láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) se basa en el fenómeno de la emisión estimulada de luz. A través de 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, incluso en campos como la comunicación, la medicina, la fabricación, la medición y la investigación científica. Su alta eficiencia y sus características de control precisas los convierten en el componente central de muchas tecnologías. A continuación se muestra 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 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 en estado excitado. Para comprender mejor la emisión estimulada, comencemos con la emisión espontánea:
Emisión espontánea: En átomos, moléculas u otras partículas microscópicas, los electrones pueden absorber energía externa (como energía eléctrica u óptica) y pasar a un nivel de energía superior, conocido como estado excitado. Sin embargo, los electrones en estado excitado son inestables y eventualmente regresarán a un nivel de energía más bajo, conocido como estado fundamental, después de un corto período. Durante este proceso, el electrón libera un fotón, que es una emisión espontánea. Estos fotones son aleatorios en términos de frecuencia, fase y dirección y, por tanto, carecen de coherencia.
Emisión estimulada: La clave de la emisión estimulada es que cuando un electrón en estado excitado encuentra un fotón con una energía que coincide con su energía de transición, el fotón puede hacer que el electrón 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 da como resultado una luz coherente. Este fenómeno amplifica significativamente la cantidad 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 estimulada se repite varias veces y este efecto de retroalimentación positiva puede aumentar exponencialmente la cantidad 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
Elganar medioes el material central del láser que determina la amplificación de los fotones y la salida del láser. Es la base física de la emisión estimulada y sus propiedades determinan la frecuencia, longitud de onda y 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 ser excitados a un nivel de energía más alto mediante una fuente de energía externa. Este proceso normalmente se logra mediante sistemas de suministro de energía externos. Los mecanismos de excitación comunes incluyen:
Bombeo eléctrico: Excitar los electrones en el medio de ganancia aplicando 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 energía: Los electrones en el medio de ganancia normalmente 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 mediante una 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 media: Por ejemplo, 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.
Medio de ganancia líquida: Por ejemplo, láseres de tinte. Las moléculas de tinte tienen buenas propiedades de excitación en diferentes longitudes de onda, lo que las hace ideales para láseres sintonizables.
Ganancia sólida media: Por ejemplo, láseres de Nd (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio). Estos láseres son muy eficientes y potentes, y se utilizan ampliamente en corte industrial, soldadura y aplicaciones médicas.
Ganancia de semiconductor media: Por ejemplo, los materiales de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan ampliamente en dispositivos optoelectrónicos y de comunicación 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 mejorar la cantidad 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: Suele estar formado por dos espejos paralelos. Uno es un espejo totalmente reflectante, conocido comoespejo retrovisor, y el otro es un espejo parcialmente reflectante, conocido comoespejo de salida. Los fotones se reflejan hacia adelante y hacia atrás dentro de la cavidad y se amplifican mediante 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. Sólo las ondas de luz que cumplan estas condiciones pueden amplificarse eficazmente dentro de la cavidad.
Haz de salida: El espejo parcialmente reflectante permite que pase una parte del haz de luz amplificado, formando el haz de salida del láser. Este haz tiene alta direccionalidad, coherencia y monocromaticidad..
Si desea obtener más información o está interesado en los láseres, no dude en contactarnos:
Lumispot
Dirección: Edificio 4 #, No.99 Furong 3rd Road, distrito de Xishan. Wuxi, 214000, China
Tel: +86-0510 87381808.
Móvil: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Sitio web: www.lumispot-tech.com
Hora de publicación: 18 de septiembre de 2024