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En esencia, el bombeo láser consiste en energizar un medio para que pueda emitir luz láser. Esto se realiza típicamente inyectando luz o corriente eléctrica en el medio, excitando sus átomos y provocando la emisión de luz coherente. Este proceso fundamental ha evolucionado significativamente desde la aparición de los primeros láseres a mediados del siglo XX.
Aunque a menudo se modela mediante ecuaciones de velocidad, el bombeo láser es fundamentalmente un proceso mecánico cuántico. Implica interacciones complejas entre los fotones y la estructura atómica o molecular del medio de ganancia. Los modelos avanzados consideran fenómenos como las oscilaciones de Rabi, que proporcionan una comprensión más matizada de estas interacciones.
El bombeo láser es un proceso en el que se suministra energía, generalmente en forma de luz o corriente eléctrica, al medio de amplificación de un láser para elevar sus átomos o moléculas a estados de mayor energía. Esta transferencia de energía es crucial para lograr la inversión de población, un estado en el que se excitan más partículas que en un estado de menor energía, lo que permite que el medio amplifique la luz mediante emisión estimulada. El proceso implica complejas interacciones cuánticas, a menudo modeladas mediante ecuaciones de velocidad o marcos de mecánica cuántica más avanzados. Los aspectos clave incluyen la elección de la fuente de bombeo (como diodos láser o lámparas de descarga), la geometría de bombeo (bombeo lateral o final) y la optimización de las características de la luz de bombeo (espectro, intensidad, calidad del haz, polarización) para que se ajusten a los requisitos específicos del medio de amplificación. El bombeo láser es fundamental en diversos tipos de láser, incluidos los de estado sólido, semiconductores y de gas, y es esencial para su funcionamiento eficiente y eficaz.
Variedades de láseres bombeados ópticamente
1. Láseres de estado sólido con aislantes dopados
· Descripción general:Estos láseres utilizan un medio huésped eléctricamente aislante y se basan en el bombeo óptico para energizar los iones activos del láser. Un ejemplo común es el neodimio en los láseres YAG.
·Investigaciones recientes:Un estudio de A. Antipov et al. analiza un láser de estado sólido en el infrarrojo cercano para el bombeo óptico por intercambio de espín. Esta investigación destaca los avances en la tecnología de láseres de estado sólido, en particular en el espectro del infrarrojo cercano, crucial para aplicaciones como la imagenología médica y las telecomunicaciones.
Lectura adicional:Un láser de estado sólido de infrarrojo cercano para bombeo óptico por intercambio de espín
2. Láseres semiconductores
·Información general: Los láseres semiconductores, generalmente bombeados eléctricamente, también pueden beneficiarse del bombeo óptico, especialmente en aplicaciones que requieren alto brillo, como los láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical (VECSEL).
·Desarrollos recientes: El trabajo de U. Keller sobre peines ópticos de frecuencia a partir de láseres ultrarrápidos de estado sólido y semiconductores proporciona información sobre la generación de peines de frecuencia estables a partir de láseres de estado sólido y semiconductores bombeados por diodos. Este avance es significativo para aplicaciones en metrología óptica de frecuencia.
Lectura adicional:Peines de frecuencia óptica de láseres semiconductores y de estado sólido ultrarrápidos
3. Láseres de gas
·Bombeo óptico en láseres de gas: Ciertos tipos de láseres de gas, como los de vapor alcalino, utilizan bombeo óptico. Estos láseres se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren fuentes de luz coherentes con propiedades específicas.
Fuentes para bombeo óptico
Lámparas de descargaComunes en los láseres de bombeo por lámpara, las lámparas de descarga se utilizan por su alta potencia y amplio espectro. YA Mandryko et al. desarrollaron un modelo de potencia para la generación de descargas de arco de impulso en lámparas de xenón de bombeo óptico de medios activos de láseres de estado sólido. Este modelo ayuda a optimizar el rendimiento de las lámparas de bombeo de impulso, crucial para el funcionamiento eficiente del láser.
Diodos láser:Los diodos láser, utilizados en láseres bombeados por diodos, ofrecen ventajas como alta eficiencia, tamaño compacto y la capacidad de ajustarse con precisión.
Lectura adicional:¿Qué es un diodo láser?
Lámparas de destelloLas lámparas de destello son fuentes de luz intensas de amplio espectro que se utilizan comúnmente para bombear láseres de estado sólido, como los láseres de rubí o Nd:YAG. Proporcionan una ráfaga de luz de alta intensidad que excita el medio láser.
Lámparas de arcoSimilares a las lámparas de destello, pero diseñadas para funcionamiento continuo, las lámparas de arco ofrecen una fuente constante de luz intensa. Se utilizan en aplicaciones que requieren el funcionamiento de láseres de onda continua (OC).
LED (diodos emisores de luz)Aunque no son tan comunes como los diodos láser, los LED pueden utilizarse para bombeo óptico en ciertas aplicaciones de baja potencia. Presentan ventajas gracias a su larga vida útil, bajo coste y disponibilidad en diversas longitudes de onda.
Luz del solEn algunas configuraciones experimentales, se ha utilizado luz solar concentrada como fuente de bombeo para láseres solares. Este método aprovecha la energía solar, lo que la convierte en una fuente renovable y rentable, aunque es menos controlable y menos intensa que las fuentes de luz artificial.
Diodos láser acoplados a fibraSe trata de diodos láser acoplados a fibras ópticas que entregan la luz de bombeo con mayor eficiencia al medio láser. Este método es especialmente útil en láseres de fibra y en situaciones donde la entrega precisa de la luz de bombeo es crucial.
Otros láseresEn ocasiones, se utiliza un láser para bombear otro. Por ejemplo, se podría usar un láser Nd:YAG de doble frecuencia para bombear un láser colorante. Este método se suele emplear cuando se requieren longitudes de onda específicas para el proceso de bombeo, que no se consiguen fácilmente con fuentes de luz convencionales.
Láser de estado sólido bombeado por diodos
Fuente de energía inicialEl proceso comienza con un láser de diodo, que actúa como fuente de bombeo. Los láseres de diodo se eligen por su eficiencia, tamaño compacto y capacidad para emitir luz en longitudes de onda específicas.
Luz de la bomba:El láser de diodo emite luz que es absorbida por el medio de ganancia de estado sólido. Su longitud de onda se adapta a las características de absorción del medio de ganancia.
Estado sólidoGanancia media
Material:El medio de ganancia en los láseres DPSS suele ser un material de estado sólido como Nd:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio), Nd:YVO4 (ortovanadato de itrio dopado con neodimio) o Yb:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con iterbio).
Dopaje:Estos materiales están dopados con iones de tierras raras (como Nd o Yb), que son los iones láser activos.
Absorción de energía y excitación:Cuando la luz de bombeo del láser de diodo ingresa al medio de ganancia, los iones de tierras raras absorben esta energía y se excitan a estados de energía más altos.
Inversión de población
Lograr la inversión poblacional:La clave de la acción del láser reside en lograr una inversión de población en el medio de ganancia. Esto significa que hay más iones en estado excitado que en estado fundamental.
Emisión estimulada:Una vez que se logra la inversión de la población, la introducción de un fotón correspondiente a la diferencia de energía entre los estados excitado y fundamental puede estimular a los iones excitados a regresar al estado fundamental, emitiendo un fotón en el proceso.
Resonador óptico
Espejos: El medio de ganancia se coloca dentro de un resonador óptico, normalmente formado por dos espejos en cada extremo del medio.
Retroalimentación y amplificación: Uno de los espejos es altamente reflectante y el otro es parcialmente reflectante. Los fotones rebotan entre estos espejos, estimulando más emisiones y amplificando la luz.
Emisión láser
Luz coherente: Los fotones que se emiten son coherentes, es decir, están en fase y tienen la misma longitud de onda.
Salida: El espejo parcialmente reflectante permite que pase parte de esta luz, formando el rayo láser que sale del láser DPSS.
Geometrías de bombeo: Bombeo lateral vs. bombeo final
| Método de bombeo | Descripción | Aplicaciones | Ventajas | Desafíos |
|---|---|---|---|---|
| Bombeo lateral | Luz de bombeo introducida perpendicularmente al medio láser | Láseres de varilla o de fibra | Distribución uniforme de la luz de la bomba, adecuada para aplicaciones de alta potencia. | Distribución de ganancia no uniforme, menor calidad del haz |
| Fin del bombeo | Luz de bombeo dirigida a lo largo del mismo eje que el rayo láser | Láseres de estado sólido como Nd:YAG | Distribución uniforme de ganancia, mayor calidad del haz | Alineación compleja, disipación de calor menos eficiente en láseres de alta potencia |
Requisitos para una iluminación de bomba eficaz
| Requisito | Importancia | Impacto/Equilibrio | Notas adicionales |
|---|---|---|---|
| Adecuación del espectro | La longitud de onda debe coincidir con el espectro de absorción del medio láser. | Garantiza una absorción eficiente y una inversión poblacional efectiva. | - |
| Intensidad | Debe ser lo suficientemente alto para el nivel de excitación deseado | Intensidades demasiado altas pueden causar daños térmicos; intensidades demasiado bajas no lograrán la inversión de la población. | - |
| Calidad del haz | Particularmente crítico en láseres de bombeo final | Garantiza un acoplamiento eficiente y contribuye a la calidad del haz láser emitido. | La alta calidad del haz es crucial para una superposición precisa de la luz de bombeo y el volumen del modo láser |
| Polarización | Requerido para medios con propiedades anisotrópicas | Mejora la eficiencia de absorción y puede afectar la polarización de la luz láser emitida. | Puede ser necesario un estado de polarización específico |
| Intensidad del ruido | Los niveles bajos de ruido son cruciales | Las fluctuaciones en la intensidad de la luz de bombeo pueden afectar la calidad y la estabilidad de la salida del láser. | Importante para aplicaciones que requieren alta estabilidad y precisión. |
Hora de publicación: 01-dic-2023