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¿Qué es un medio de ganancia láser?
Un medio de ganancia láser es un material que amplifica la luz mediante emisión estimulada. Cuando los átomos o moléculas del medio se excitan a niveles de energía más altos, pueden emitir fotones de una longitud de onda específica al regresar a un estado de energía más bajo. Este proceso amplifica la luz que pasa a través del medio, lo cual es fundamental para el funcionamiento del láser.
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¿Cuál es el medio de ganancia habitual?
El medio de ganancia se puede variar, incluyendogases, líquidos (colorantes), sólidos(cristales o vidrios dopados con iones de tierras raras o de metales de transición) y semiconductores.Láseres de estado sólidoPor ejemplo, suelen utilizar cristales como el Nd:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio) o vidrios dopados con tierras raras. Los láseres de colorante utilizan colorantes orgánicos disueltos en disolventes, y los láseres de gas utilizan gases o mezclas de gases.
Varillas láser (de izquierda a derecha): Rubí, Alejandrita, Er:YAG, Nd:YAG
Las diferencias entre Nd (neodimio), Er (erbio) e Yb (iterbio) como medios de ganancia
Se relacionan principalmente con sus longitudes de onda de emisión, mecanismos de transferencia de energía y aplicaciones, especialmente en el contexto de materiales láser dopados.
Longitudes de onda de emisión:
- Er: El erbio generalmente emite a 1,55 µm, que se encuentra en la región segura para los ojos y es muy útil para aplicaciones de telecomunicaciones debido a su baja pérdida en fibras ópticas (Gong et al., 2016).
- Yb: El iterbio suele emitir entre 1,0 y 1,1 µm, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo láseres y amplificadores de alta potencia. El Yb se utiliza a menudo como sensibilizador del Er para mejorar la eficiencia de los dispositivos dopados con Er mediante la transferencia de energía del Yb al Er.
- Nd: Los materiales dopados con neodimio suelen emitir alrededor de 1,06 µm. El Nd:YAG, por ejemplo, es reconocido por su eficiencia y se utiliza ampliamente en láseres industriales y médicos (Y. Chang et al., 2009).
Mecanismos de transferencia de energía:
Codopaje de Er e Yb: El codopaje de Er e Yb en un medio huésped favorece la mejora de la emisión en el rango de 1,5 a 1,6 µm. El Yb actúa como un sensibilizador eficaz para Er al absorber la luz de bombeo y transferir energía a los iones de Er, lo que produce una emisión amplificada en la banda de telecomunicaciones. Esta transferencia de energía es crucial para el funcionamiento de los amplificadores de fibra dopados con Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).
- Nd: El Nd no suele requerir un sensibilizador como el Yb en sistemas dopados con Er. Su eficiencia se deriva de la absorción directa de la luz de bombeo y su posterior emisión, lo que lo convierte en un medio de ganancia láser sencillo y eficiente.
Aplicaciones:
-Eh:Se utiliza principalmente en telecomunicaciones debido a su emisión a 1,55 µm, que coincide con la ventana de mínima pérdida de las fibras ópticas de sílice. Los medios de ganancia dopados con Er son fundamentales para amplificadores ópticos y láseres en sistemas de comunicación de fibra óptica de larga distancia.
- Yb:Se utilizan frecuentemente en aplicaciones de alta potencia debido a su estructura electrónica relativamente simple, que permite un bombeo eficiente de diodos y una alta potencia de salida. Los materiales dopados con Yb también se emplean para mejorar el rendimiento de los sistemas dopados con Er.
- NdIdeales para una amplia gama de aplicaciones, desde corte y soldadura industriales hasta láseres médicos. Los láseres Nd:YAG son especialmente valorados por su eficiencia, potencia y versatilidad.
¿Por qué elegimos Nd:YAG como medio de ganancia en el láser DPSS?
Un láser DPSS es un tipo de láser que utiliza un medio de ganancia de estado sólido (como Nd:YAG) bombeado por un diodo láser semiconductor. Esta tecnología permite láseres compactos y eficientes capaces de producir haces de alta calidad en el espectro visible-infrarrojo. Para obtener un artículo detallado, puede consultar bases de datos científicas o editoriales de prestigio para obtener reseñas completas sobre la tecnología láser DPSS.
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El Nd:YAG se utiliza a menudo como medio de ganancia en módulos láser bombeados por semiconductores por varias razones, como lo destacan varios estudios:
1. Alta eficiencia y potencia de salidaEl diseño y las simulaciones de un módulo láser Nd:YAG de bombeo lateral por diodo demostraron una eficiencia significativa. Este láser proporciona una potencia media máxima de 220 W, manteniendo una energía constante por pulso en un amplio rango de frecuencias. Esto indica la alta eficiencia y el potencial de alta potencia de los láseres Nd:YAG bombeados por diodos (Lera et al., 2016).
2. Flexibilidad y confiabilidad operativaSe ha demostrado que la cerámica Nd:YAG funciona eficientemente en diversas longitudes de onda, incluidas las seguras para la vista, con una alta eficiencia óptica-óptica. Esto demuestra la versatilidad y fiabilidad del Nd:YAG como medio de ganancia en diversas aplicaciones láser (Zhang et al., 2013).
3.Longevidad y calidad de la vigaLa investigación sobre un láser Nd:YAG de alta eficiencia, bombeado por diodos, destacó su longevidad y rendimiento constante, lo que indica su idoneidad para aplicaciones que requieren fuentes láser duraderas y fiables. El estudio reportó un funcionamiento prolongado con más de 4,8 x 10^9 disparos sin daño óptico, manteniendo una excelente calidad del haz (Coyle et al., 2004).
4. Operación de onda continua de alta eficiencia:Diversos estudios han demostrado la alta eficiencia del funcionamiento de onda continua (OC) de los láseres Nd:YAG, destacando su eficacia como medio de ganancia en sistemas láser bombeados por diodos. Esto incluye la consecución de altas eficiencias de conversión óptica y de pendiente, lo que confirma aún más la idoneidad del Nd:YAG para aplicaciones láser de alta eficiencia (Zhu et al., 2013).
La combinación de alta eficiencia, potencia de salida, flexibilidad operativa, confiabilidad, longevidad y excelente calidad del haz hacen de Nd:YAG un medio de ganancia preferido en módulos láser bombeados por semiconductores para una amplia gama de aplicaciones.
Referencia
Chang, Y., Su, K., Chang, H. y Chen, Y. (2009). Láser compacto, eficiente y seguro para la vista con conmutación Q a 1525 nm, con un cristal de Nd:YVO₄ con doble enlace por difusión como medio auto-Raman. Optics Express, 17(6), 4330-4335.
Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z. y Huang, Y. (2016). Crecimiento y propiedades espectroscópicas del cristal Er:Yb:KGd(PO₃)₄ como un prometedor medio para la ganancia láser de 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.
Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV y Butov, O. (2023). Modelo experimental de medio de ganancia de Er/Yb para amplificadores de fibra y láseres. Revista de la Sociedad Óptica de América B.
Lera, R., Valle-Brozas, F., Torres-Peiró, S., Ruiz-de-la-Cruz, A., Galán, M., Bellido, P., Seimetz, M., Benlloch, J., & Roso, L. (2016). Simulaciones del perfil de ganancia y rendimiento de un láser QCW Nd:YAG de bombeo lateral por diodo. Óptica Aplicada, 55(33), 9573-9576.
Zhang, H., Chen, X., Wang, Q., Zhang, X., Chang, J., Gao, L., Shen, H., Cong, Z., Liu, Z., Tao, X. y Li, P. (2013). Láser cerámico Nd:YAG de alta eficiencia, seguro para la vista, que opera a 1442,8 nm. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.
Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P. y Poulios, D. (2004). Láser de Nd:YAG bombeado por diodo, eficiente, fiable y de larga duración, para altimetría topográfica de vegetación espacial. Applied Optics, 43(27), 5236-5242.
Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D. y Duan, Y. (2013). Láseres cerámicos de Nd:YAG de onda continua de alta eficiencia a 946 nm. Laser Physics Letters, 10.
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Tabla de contenido:
- 1. ¿Qué es un medio de ganancia láser?
- 2.¿Cuál es el medio de ganancia habitual?
- 3.Diferencia entre nd, er e yb
- 4.¿Por qué elegimos Nd:Yag como medio de ganancia?
- 5.Lista de referencias (lecturas adicionales)
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Hora de publicación: 13 de marzo de 2024