Laser Tech 101: estructuras y principios de funcionamiento

La estructura básica del láser se ilustra en la Figura 1 y consta de los siguientes componentes:

Figura 1 Estructura básica de un láser

1) Medio activo láser

La producción de luz láser requiere un medio activo adecuado, que puede ser gas, líquido, sólido o semiconductor. En este medio se puede lograr la inversión de población para crear las condiciones necesarias para la generación de luz láser. La existencia de niveles de energía metaestables facilita enormemente la inversión de la población.

Hay casi mil tipos de medios activos disponibles, capaces de producir longitudes de onda láser que van desde el ultravioleta hasta el infrarrojo lejano, cubriendo un amplio espectro.

Como corazón del láser, el medio activo consta de partículas activadoras (normalmente metales) y una matriz. La estructura del nivel de energía de las partículas activadoras determina las características espectrales y la vida útil de la fluorescencia del láser, mientras que la matriz determina principalmente las propiedades físicas y químicas del medio activo.

Los láseres se pueden dividir en sistemas de tres niveles (como los láseres de rubí) y sistemas de cuatro niveles (como los láseres Nd:YAG) según la estructura de niveles de energía de las partículas activadoras. Las formas más utilizadas para el medio activo son cilíndricas (las más utilizadas), planas, de disco y tubulares.

2) Fuente de bombeo externa

Para lograr la inversión de población en el medio activo, los átomos deben excitarse de cierta manera para aumentar el número de partículas en niveles de energía más altos. La salida láser continua requiere un "bombeo" constante para mantener una mayor población de partículas en el nivel de energía más alto que en el nivel más bajo, por lo que la fuente de bombeo externa también se denomina fuente de bombeo.

La fuente de bombeo proporciona energía para revertir a la población entre niveles de energía altos y bajos, siendo el bombeo óptico el principal método utilizado actualmente. La fuente de bombeo debe cumplir dos condiciones básicas: debe tener una alta eficiencia luminosa y sus características espectrales deben corresponder al espectro de absorción del medio activo. Las fuentes comunes de bombas incluyen lámparas de descarga de gas inerte, energía solar y láseres de diodo.

Las lámparas de descarga de gas inerte son las fuentes de bombeo más utilizadas. El bombeo de energía solar se utiliza a menudo para dispositivos de baja potencia, especialmente pequeños láseres en aplicaciones espaciales que pueden utilizar la energía solar como fuente de energía permanente. El bombeo de diodos representa la dirección futura de los láseres de estado sólido, combina muchas ventajas y se convierte en uno de los láseres de más rápido desarrollo.

Los métodos de bombeo por diodos se pueden dividir en dos tipos: bombeo transversal (bombeo frontal con incidencia coaxial) y bombeo longitudinal (bombeo lateral con incidencia vertical).

Los láseres de estado sólido bombeados por diodos tienen numerosas ventajas, incluida una larga vida útil, una buena estabilidad de frecuencia y una distorsión óptica térmica mínima, siendo la ventaja más destacada la alta eficiencia de bombeo debido a la coincidencia precisa de la longitud de onda de la luz de la bomba y el espectro de absorción del medio activo.

3) Cavidad de enfoque

La cavidad de enfoque tiene dos funciones: acopla efectivamente la fuente de la bomba con el medio activo y determina la distribución de densidad de la luz de la bomba en el medio activo, afectando así la uniformidad, divergencia y distorsión óptica del haz de salida.

Como tanto el medio activo como la fuente de la bomba están instalados dentro de la cavidad de enfoque, su calidad afecta directamente la eficiencia y el rendimiento de la bomba. Las cavidades de enfoque de cilindros elípticos se utilizan con mayor frecuencia en pequeños láseres de estado sólido.

4) Resonador óptico

El resonador óptico consiste esencialmente en dos espejos altamente reflectantes colocados uno frente al otro en los extremos del láser. Un espejo es totalmente reflectante mientras que el otro es parcialmente reflectante, lo que permite que la mayor parte de la luz se refleje mientras se transmite una pequeña cantidad, produciendo luz láser. La luz reflejada de nuevo en el medio activo continúa induciendo nuevas emisiones estimuladas, amplificando la luz.

La luz oscila hacia adelante y hacia atrás dentro del resonador, provocando una reacción en cadena similar a una avalancha y una amplificación, lo que resulta en la emisión de una intensa luz láser desde el borde parcialmente reflectante del espejo.

El resonador óptico no sólo proporciona retroalimentación óptica para mantener la oscilación continua del láser y la emisión estimulada, sino que también limita la dirección y frecuencia del haz de luz oscilante para garantizar la alta monocromaticidad y la alta directividad del láser de salida. El resonador óptico más simple y más utilizado para láseres de estado sólido consta de dos espejos planos (o esféricos) uno frente al otro.

(5) Sistemas de refrigeración y filtración.

Los sistemas de refrigeración y filtrado son dispositivos auxiliares indispensables para un láser. Los láseres generan mucho calor durante su funcionamiento, por lo que es necesario tomar medidas de refrigeración. El sistema de enfriamiento enfría principalmente el medio activo del láser, la fuente de bombeo y la cavidad de enfoque para garantizar el funcionamiento normal del láser y proteger el equipo.

Los métodos de enfriamiento incluyen líquido, gas y conducción, siendo el enfriamiento líquido el más utilizado. Además, para obtener un rayo láser con alta monocromaticidad, es necesario filtrar la salida. El sistema de filtrado puede eliminar la mayor parte de la luz de la bomba y otras luces que interfieren, lo que da como resultado un rayo láser de salida monocromático de alta calidad.

Tomemos el láser de rubí como ejemplo para explicar el principio de funcionamiento de un láser. El medio activo es una vara de rubí. El rubí es un cristal de óxido de aluminio dopado con una pequeña cantidad de iones de cromo trivalentes, normalmente una proporción en masa de óxido de cromo de aproximadamente 0,05%. Debido a que los iones de cromo absorben la luz verde y azul de la luz blanca, la gema parece rosa.

El rubí utilizado por Maiman en el primer láser inventado en 1960 era una varilla cilíndrica con un diámetro de 0,8 cm y una longitud de unos 8 cm. Sus extremos son un par de espejos planos paralelos, uno recubierto con una película totalmente reflectante y el otro con una tasa de transmisión del 10%, permitiendo el paso del láser.

En el láser de rubí, se utiliza una lámpara de xenón de alta presión como "bomba" para excitar los iones de cromo al estado excitado E. 3 . Los electrones bombeados a E 3 pasan rápidamente (en aproximadamente 10 -8 segundos) a E 2 sin radiación. E 2 es un nivel de energía metaestable donde la probabilidad de emisión espontánea de E 1 es muy baja, con una vida útil de hasta 10 -3 segundos, lo que permite que las partículas permanezcan durante un período prolongado.

En consecuencia, las partículas se acumulan en E 2 logrando una inversión de población entre los niveles de energía E 2 y E 1 . La emisión estimulada de luz desde E 2 dedo 1 es un láser rojo con una longitud de onda de 694,3 nm. El láser pulsado obtenido a partir de la lámpara de xenón pulsado dura menos de 1 ms por pulso de luz, superando la energía de cada pulso los 10 J y siendo capaz la potencia de cada láser pulsado de superar los 10 kW.

El proceso de excitación de iones de cromo y emisión de luz láser implica tres niveles de energía, por lo que se denomina sistema de tres niveles. En un sistema de tres niveles, dado que el nivel de energía inferior E 1 es el estado fundamental y normalmente acumula una gran cantidad de átomos, lograr la inversión de población requiere una cantidad sustancial de excitación.

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