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En esencia, el bombeo láser es el proceso de energizar un medio para alcanzar un estado en el que pueda emitir luz láser. Esto normalmente se hace 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 llegada 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 de mecánica cuántica. Implica interacciones complejas entre 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 ganancia de un láser para elevar sus átomos o moléculas a estados de energía más altos. 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 la bomba (como diodos láser o lámparas de descarga), la geometría de la bomba (bombeo lateral o final) y la optimización de las características de la luz de la bomba (espectro, intensidad, calidad del haz, polarización) para cumplir con los requisitos específicos del ganar medio. El bombeo láser es fundamental en varios tipos de láser, incluidos los de estado sólido, semiconductores y de gas, y es esencial para el funcionamiento eficiente y eficaz del láser.
Variedades de láseres bombeados ópticamente
1. Láseres de estado sólido con aisladores dopados
· Descripción general:Estos láseres utilizan un medio huésped eléctricamente aislante y dependen del bombeo óptico para energizar los iones activos del láser. Un ejemplo común es el neodimio en los láseres YAG.
·Investigación reciente:Un estudio de A. Antipov et al. analiza un láser de estado sólido cercano al IR para bombeo óptico de intercambio de espín. Esta investigación destaca los avances en la tecnología láser de estado sólido, particularmente en el espectro del infrarrojo cercano, que es crucial para aplicaciones como imágenes médicas y telecomunicaciones.
Lectura adicional:Un láser de estado sólido cercano al infrarrojo para bombeo óptico de intercambio de espín
2. Láseres semiconductores
·Información general: Los láseres semiconductores, normalmente bombeados eléctricamente, también pueden beneficiarse del bombeo óptico, especialmente en aplicaciones que requieren un alto brillo, como los láseres emisores de superficie de cavidad externa vertical (VECSEL).
·Desarrollos recientes: El trabajo de U. Keller sobre peines de frecuencia óptica de láseres semiconductores y de estado sólido ultrarrápidos proporciona información sobre la generación de peines de frecuencia estable a partir de láseres semiconductores y de estado sólido bombeados por diodos. Este avance es significativo para aplicaciones en metrología de frecuencia óptica.
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 láseres de vapor alcalino, utilizan bombeo óptico. Estos láseres se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren fuentes de luz coherentes con propiedades específicas.
Fuentes de bombeo óptico
Lámparas de descarga: Comunes en los láseres bombeados por lámpara, las lámparas de descarga se utilizan por su alta potencia y amplio espectro. YA Mandryko et al. desarrolló un modelo de potencia para la generación de descarga de arco impulsivo 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 impulsos, cruciales para el funcionamiento eficiente del láser.
Diodos láser:Utilizados en láseres bombeados por diodos, los diodos láser ofrecen ventajas como alta eficiencia, tamaño compacto y la capacidad de ajustarse con precisión.
Lectura adicional:¿Qué es un diodo láser?
Lámparas de destello: Las lámparas de destello son fuentes de luz intensas y de amplio espectro que se usan 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 arco: Similares a las lámparas de destello, pero diseñadas para un funcionamiento continuo, las lámparas de arco ofrecen una fuente constante de luz intensa. Se utilizan en aplicaciones donde se requiere el funcionamiento del láser de onda continua (CW).
LED (diodos emisores de luz): Si bien no son tan comunes como los diodos láser, los LED se pueden usar para bombeo óptico en ciertas aplicaciones de baja potencia. Son ventajosos debido a su larga vida, bajo costo y disponibilidad en varias longitudes de onda.
Luz del sol: En algunas configuraciones experimentales, se ha utilizado luz solar concentrada como fuente de bombeo para láseres bombeados por energía solar. Este método aprovecha la energía solar, lo que la convierte en una fuente renovable y rentable, aunque es menos controlable y menos intensa en comparación con las fuentes de luz artificial.
Diodos láser acoplados a fibra: Estos son diodos láser acoplados a fibras ópticas, que entregan la luz de bombeo de manera más eficiente al medio láser. Este método es particularmente útil en láseres de fibra y en situaciones donde la entrega precisa de luz de bombeo es crucial.
Otros láseres: A veces, se utiliza un láser para bombear otro. Por ejemplo, se podría utilizar un láser Nd:YAG de frecuencia duplicada para bombear un láser de tinte. Este método se utiliza a menudo cuando se requieren longitudes de onda específicas para el proceso de bombeo que no se logra fácilmente con fuentes de luz convencionales.
Láser de estado sólido bombeado por diodos
Fuente de energía inicial: El proceso comienza con un láser de diodo, que sirve como fuente de bombeo. Los láseres de diodo se eligen por su eficiencia, tamaño compacto y capacidad de 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. La longitud de onda del láser de diodo se adapta para que coincida con 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 demográfica:La clave de la acción del láser es 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 población, la introducción de un fotón correspondiente a la diferencia de energía entre los estados excitado y fundamental puede estimular que los iones excitados regresen 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 parte de esta luz pase a través, formando el rayo láser que sale del láser DPSS.
Geometrías de bombeo: bombeo lateral versus bombeo final
| Método de bombeo | Descripción | Aplicaciones | Ventajas | Desafíos |
|---|---|---|---|---|
| Bombeo lateral | Luz de bombeo introducida perpendicularmente al medio láser. | Láseres de varilla o fibra | Distribución uniforme de la luz de la bomba, adecuada para aplicaciones de alta potencia. | Distribución de ganancia no uniforme, calidad del haz inferior |
| Finalizar el 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 luz de bomba eficaz
| Requisito | Importancia | Impacto/Equilibrio | Notas adicionales |
|---|---|---|---|
| Idoneidad del espectro | La longitud de onda debe coincidir con el espectro de absorción del medio láser. | Garantiza una absorción eficiente y una inversión efectiva de la población. | - |
| Intensidad | Debe ser lo suficientemente alto para el nivel de excitación deseado. | Intensidades demasiado altas pueden provocar daños térmicos; demasiado bajo no logrará 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 rayo láser emitido. | La calidad del haz alto es crucial para una superposición precisa del volumen de la luz de bombeo y 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 |
| Ruido de intensidad | Los bajos niveles de ruido son cruciales | Las fluctuaciones en la intensidad de la luz de la bomba 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