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En esencia, el bombeo láser es el proceso de energizar un medio para que alcance un estado en el que pueda emitir luz láser. Esto se logra generalmente 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 de mecánica cuántica. Implica interacciones complejas entre los fotones y la estructura atómica o molecular del medio activo. 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 activo 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 interacciones cuánticas complejas, a menudo modeladas mediante ecuaciones de velocidad o marcos mecánico-cuánticos más avanzados. Los aspectos clave incluyen la elección de la fuente de bombeo (como diodos láser o lámparas de descarga), la geometría del bombeo (bombeo lateral o frontal) 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 activo. El bombeo láser es fundamental en diversos tipos de láseres, incluidos los de estado sólido, semiconductores y de gas, y es esencial para su funcionamiento eficiente y efectivo.
Variedades de láseres bombeados ópticamente
1. Láseres de estado sólido con aislantes 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 son los láseres de neodimio en 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, particularmente en el espectro del infrarrojo cercano, crucial para aplicaciones como la imagen médica y las telecomunicaciones.
Lecturas adicionales:Un láser de estado sólido en el infrarrojo cercano para bombeo óptico por intercambio de espín
2. Láseres semiconductores
·Información general: Los láseres semiconductores, que normalmente se bombean eléctricamente, también pueden beneficiarse del bombeo óptico, especialmente en aplicaciones que requieren un alto brillo, como los láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical (VECSEL).
·Desarrollos recientes: El trabajo de U. Keller sobre peines de frecuencia óptica generados con láseres de estado sólido y semiconductores ultrarrápidos aporta información valiosa para 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 de frecuencia óptica.
Lecturas adicionales:Peines de frecuencia óptica de láseres de estado sólido y semiconductores ultrarrápidos
3. Láseres de gas
·Bombeo óptico en láseres de gas: Algunos tipos de láseres de gas, como los láseres de vapor alcalino, utilizan bombeo óptico. Estos láseres se emplean frecuentemente en aplicaciones que requieren fuentes de luz coherente con propiedades específicas.
Fuentes para el bombeo óptico
Lámparas de descargaComunes en láseres bombeados 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 impulsos en lámparas de xenón de bombeo óptico de medios activos para láseres de estado sólido. Este modelo ayuda a optimizar el rendimiento de las lámparas de bombeo de impulsos, lo cual es 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 ser ajustados con precisión.
Lecturas adicionales:¿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 un pulso 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 funcionamiento láser de onda continua (CW).
LED (diodos emisores de luz)Aunque no son tan comunes como los diodos láser, los LED pueden utilizarse para el bombeo óptico en ciertas aplicaciones de baja potencia. Presentan ventajas debido a su larga vida útil, bajo coste y disponibilidad en diversas longitudes de onda.
Luz del solEn algunos montajes experimentales, se ha utilizado la luz solar concentrada como fuente de bombeo para láseres de bombeo solar. Este método aprovecha la energía solar, convirtiéndola 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 transmiten la luz de bombeo al medio láser con mayor eficiencia. Este método resulta especialmente útil en láseres de fibra y en situaciones donde la transmisión precisa de la luz de bombeo es crucial.
Otros láseresEn ocasiones, se utiliza un láser para excitar otro. Por ejemplo, un láser Nd:YAG con frecuencia duplicada podría utilizarse para excitar un láser de colorante. Este método se emplea a menudo cuando se requieren longitudes de onda específicas para el proceso de excitación que no se consiguen fácilmente con fuentes de luz convencionales.
Láser de estado sólido bombeado por diodo
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. La longitud de onda del láser de diodo se ajusta para que coincida con las características de absorción del medio de ganancia.
Estado sólidoGanancia media
Material:El medio de ganancia en los láseres DPSS es típicamente 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 activos del láser.
Absorción de energía y excitación:Cuando la luz de bombeo del láser de diodo entra en el 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 para el funcionamiento 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 alcanzada la inversión de 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, generalmente 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 repetidamente entre estos espejos, estimulando nuevas emisiones y amplificando la luz.
Emisión láser
Luz coherente: Los fotones que se emiten son coherentes, lo que significa que están en fase y tienen la misma longitud de onda.
Salida: El espejo parcialmente reflectante permite que parte de esta luz lo atraviese, formando el haz láser que sale del láser DPSS.
Geometrías de bombeo: Bombeo lateral vs. bombeo frontal
| 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 bombeo, 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 haz láser | Láseres de estado sólido como el Nd:YAG | Distribución uniforme de la 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 poblacional efectiva | - |
| Intensidad | Debe ser lo suficientemente alto para el nivel de excitación deseado. | Intensidades excesivamente altas pueden causar daños térmicos; demasiado bajas no lograrán la inversión demográfica. | - |
| Calidad del haz | Particularmente crítico en láseres bombeados por el extremo. | Garantiza un acoplamiento eficiente y contribuye a la calidad del haz láser emitido. | La alta calidad del haz 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 bombeo pueden afectar la calidad y la estabilidad de la salida del láser. | Importante para aplicaciones que requieren alta estabilidad y precisión. |
Fecha de publicación: 1 de diciembre de 2023