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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 superiores, pueden emitir fotones de una longitud de onda específica al regresar a un estado de energía inferior. Este proceso amplifica la luz que atraviesa el medio, lo cual es fundamental para el funcionamiento del láser.
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¿Cuál es el nivel de ganancia habitual?
El medio de ganancia puede variarse, incluyendogases, líquidos (tintes), sólidos(cristales o vidrios dopados con iones de tierras raras o 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 elementos de 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 emite típicamente 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 radiación en torno a 1,0 a 1,1 µm, lo que lo hace idóneo para una amplia gama de aplicaciones, incluidos láseres y amplificadores de alta potencia. El Yb se utiliza frecuentemente 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 conocido por su eficiencia y se utiliza ampliamente tanto en láseres industriales como médicos (Y. Chang et al., 2009).
Mecanismos de transferencia de energía:
Codopaje con Er e Yb: El codopaje de Er e Yb en un medio huésped resulta beneficioso para potenciar la emisión en el rango de 1,5 a 1,6 µm. El Yb actúa como un sensibilizador eficiente para el Er, absorbiendo la luz de bombeo y transfiriendo 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 dopada con Er (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).
- Nd: El Nd no suele requerir un sensibilizador como el Yb en los 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:
- Er: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 erbio son fundamentales para los amplificadores ópticos y los láseres en sistemas de comunicación de fibra óptica de larga distancia.
- Yb:Se utiliza frecuentemente en aplicaciones de alta potencia debido a su estructura electrónica relativamente simple, que permite un bombeo eficiente mediante diodos y una alta potencia de salida. Los materiales dopados con Yb también se utilizan para mejorar el rendimiento de los sistemas dopados con Er.
- NdSon ideales para una amplia gama de aplicaciones, desde el corte y la soldadura industrial hasta los láseres médicos. Los láseres Nd:YAG son especialmente apreciados por su eficiencia, potencia y versatilidad.
¿Por qué elegimos el láser 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 la creación de láseres compactos y eficientes capaces de producir haces de alta calidad en el espectro visible e infrarrojo. Para obtener información detallada, puede consultar bases de datos científicas o editoriales de prestigio que ofrezcan revisiones exhaustivas sobre la tecnología láser DPSS.
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El láser Nd:YAG se utiliza a menudo como medio de ganancia en módulos láser bombeados por semiconductores por varias razones, como lo destacan diversos estudios:
1. Alta eficiencia y potencia de salidaEl diseño y las simulaciones de un módulo láser Nd:YAG bombeado lateralmente por diodo demostraron una eficiencia significativa, alcanzando una potencia media máxima de 220 W y manteniendo una energía constante por pulso en un amplio rango de frecuencias. Esto indica la alta eficiencia y el potencial de los láseres Nd:YAG bombeados por diodos para obtener una alta potencia de salida (Lera et al., 2016).
2. Flexibilidad y fiabilidad operativasSe ha demostrado que las cerámicas de Nd:YAG funcionan 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 diferentes aplicaciones láser (Zhang et al., 2013).
3. Durabilidad y calidad del hazLa investigación sobre un láser Nd:YAG de alta eficiencia, bombeado por diodo, destacó su larga vida útil y rendimiento constante, lo que indica la idoneidad del Nd:YAG para aplicaciones que requieren fuentes láser duraderas y fiables. El estudio reportó un funcionamiento prolongado con más de 4,8 × 10⁹ disparos sin daños ópticos, manteniendo una excelente calidad del haz (Coyle et al., 2004).
4. Funcionamiento de onda continua de alta eficiencia:Diversos estudios han demostrado la alta eficiencia de los láseres Nd:YAG en operación continua (CW), resaltando su eficacia como medio de ganancia en sistemas láser bombeados por diodo. Esto incluye el logro 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, fiabilidad, durabilidad y excelente calidad del haz convierte al Nd:YAG en 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 Q-switched compacto y eficiente, seguro para la vista, a 1525 nm, con un cristal Nd:YVO4 de doble extremo unido 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 de ganancia láser de 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.
Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV y Butov, O. (2023). Modelo experimental del medio de ganancia Er/Yb para amplificadores y láseres de fibra. Journal of the Optical Society of America 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 y 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 Nd:YAG bombeado por diodo, eficiente, fiable y de larga vida útil para altimetría topográfica de vegetación desde el espacio. Applied Optics, 43(27), 5236-5242.
Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D. y Duan, Y. (2013). Láseres cerámicos 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 el Nd:YAG como medio de ganancia?
- 5. Lista de referencias (Lecturas adicionales)
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Fecha de publicación: 13 de marzo de 2024