Comprensión de los láseres: comprensión de las principales características.

Una fuente de luz típica emite luz que irradia en todas direcciones y disminuye al aumentar la distancia. Esta atenuación se produce principalmente porque la luz de dichas fuentes es el resultado de una multitud de moléculas o átomos dentro de la fuente que emiten fotones de forma independiente durante la radiación espontánea. Por el contrario, los láseres amplifican los fotones incidentes mediante emisión estimulada.

Debido a los diferentes mecanismos detrás de la generación de láser en comparación con las fuentes de luz comunes, los láseres exhiben características únicas que no comparten con la luz convencional, que generalmente se pueden resumir en cuatro aspectos: direccionalidad, monocromaticidad, coherencia y alta intensidad.

Direccionalidad del láser

Los láseres emiten luz mediante radiación estimulada; cada fotón mantiene la misma frecuencia, fase y estado de polarización que la luz incidente, todo bajo el control de un resonador óptico. Este control permite que el rayo láser se propague estrictamente a lo largo del eje del resonador con un ángulo de divergencia muy pequeño, acercándose al de la luz paralela.

La alta direccionalidad de los láseres está determinada por el mecanismo de emisión estimulada y la influencia restrictiva del resonador óptico sobre la dirección del haz de luz oscilante. Datos precisos han demostrado que un rayo láser emitido desde la Tierra a la Luna, a lo largo de una distancia de aproximadamente 380.000 kilómetros, produce en la Luna un punto de rayo de menos de 1.000 metros de diámetro.

Esta excelente direccionalidad ha llevado al uso generalizado de láseres para medición, comunicación y posicionamiento. La alta direccionalidad de los láseres permite una transmisión efectiva a largas distancias y un enfoque con densidades de potencia muy altas, los cuales son cruciales para el procesamiento láser.

Monocromaticidad de los láseres

El color de la luz está determinado por su longitud de onda. El ancho entre las dos longitudes de onda en las que la intensidad es la mitad del máximo se define normalmente como ancho de línea espectral. Cuanto más estrecha sea la anchura de la línea espectral, mejor será la monocromaticidad de la luz. La luz visible se compone de siete colores, cada uno con un ancho de línea espectral de 40 a 50 nanómetros.

La monocromaticidad de los láseres supera con creces la de las fuentes de luz ordinarias. Por ejemplo, el ancho de la línea espectral de la luz láser roja emitida por un láser de helio-neón es de sólo 10 -8 nanómetros, lo que es significativamente más monocromático que una lámpara de criptón. Algunos láseres especiales tienen una monocromaticidad aún mayor.

La monocromaticidad extremadamente alta de los láseres prácticamente elimina la dispersión cromática (la variación del índice de refracción con la longitud de onda) de las lentes de enfoque, lo que permite que el haz de luz se enfoque con precisión en el punto focal, logrando una alta densidad de potencia. La excelente monocromaticidad de los láseres proporciona una herramienta ventajosa para mediciones de instrumentos de precisión y para estimular ciertas reacciones químicas en experimentos científicos.

Coherencia láser

La coherencia describe principalmente las relaciones de fase entre diferentes partes de una onda de luz, abarcando dos aspectos: coherencia temporal y coherencia espacial. Para los láseres, la distribución espacial del campo luminoso normalmente se descompone en una distribución a lo largo de la dirección de propagación (eje de la cavidad). E(z) y una distribución en la sección transversal perpendicular a la dirección de propagación E(x, y) .

Por lo tanto, los modos de cavidad láser se pueden dividir en modos longitudinales y transversales, que representan las distribuciones de campo de luz longitudinal y transversal de los modos de cavidad, respectivamente.

(1) Coherencia temporal

La coherencia temporal de un láser se refiere a las relaciones de fase entre puntos a lo largo de la dirección de propagación del haz. En aplicaciones prácticas, el tiempo de coherencia se utiliza a menudo para describir la coherencia temporal de un láser. Cuanto más estrecha sea la anchura de la línea espectral, es decir, cuanto mayor sea la monocromaticidad, mayor será el tiempo de coherencia.

Los láseres de gas monomodo con frecuencia estabilizada tienen la mejor monocromaticidad, alcanzando normalmente entre 10,6 y 10,13 Hz; los láseres de estado sólido tienen una monocromaticidad más pobre, principalmente porque su curva de ganancia es amplia, lo que dificulta el funcionamiento en un único modo longitudinal; Los láseres semiconductores tienen la peor monocromaticidad.

El funcionamiento monomodo (tecnología de selección de modo) y la estabilización de frecuencia son cruciales para aumentar la coherencia. Un láser de modo transversal único con frecuencia estabilizada emite luz cercana a una onda plana monocromática ideal, es decir, totalmente coherente.

(2) Coherencia espacial

La coherencia espacial de un láser es la relación de fase entre puntos en un plano perpendicular a la dirección de propagación del haz. Se refiere a la escala en la que la luz emitida por el haz puede converger en un punto del espacio para formar patrones de interferencia, y la coherencia espacial está relacionada con el tamaño de la fuente de luz.

Una onda plana ideal es totalmente coherente espacialmente y tiene un ángulo de divergencia cero. Sin embargo, en la práctica, debido a los efectos de la difracción, el ángulo de emisión del haz más pequeño que puede alcanzar un láser no puede ser menor que el ángulo límite de difracción al pasar a través de la abertura de salida.

Para mejorar la coherencia espacial de un láser, es esencial primero obligar al láser a funcionar en un único modo transversal; en segundo lugar, seleccione adecuadamente el tipo de cavidad óptica y aumente la longitud de la cavidad para mejorar la directividad del haz. Además, la falta de homogeneidad en el medio activo, los errores en el mecanizado y el ajuste de la cavidad y otros factores también pueden degradar la directividad del haz.

Láseres de alta intensidad

Debido a la excelente directividad de los rayos láser, la energía emitida está confinada dentro de un ángulo sólido muy estrecho y la energía se concentra dentro de un ancho de línea espectral estrecho. Esto aumenta significativamente el brillo espectral de los láseres en comparación con las fuentes de luz convencionales. En los láseres pulsados, donde la emisión de energía se comprime aún más en un intervalo de tiempo muy corto, el brillo espectral se puede aumentar aún más.

Actualmente, aumentar la potencia de salida y la eficiencia es una dirección importante en el desarrollo del láser. Los láseres de gas como el CO 2 pueden producir la mayor potencia continua, mientras que los láseres de estado sólido pueden producir la mayor potencia de pulso.

Especialmente con el uso de técnicas de modulación de cavidad óptica y amplificadores láser, el tiempo de oscilación del láser se puede comprimir a valores muy pequeños (del orden de 10). -9 segundos), y la energía de salida se puede amplificar, lo que resulta en una potencia de pulso extremadamente alta. Con técnicas de bloqueo de modo y compresión de ancho de pulso, los anchos de pulso láser se pueden comprimir aún más a 10-15 segundos.

Lo más importante es que la potencia (energía) del láser se puede concentrar en uno (o pocos) modos, logrando así un grado muy alto de degeneración de fotones. Cuando un rayo láser se enfoca a través de una lente, puede generar temperaturas de varios miles, incluso decenas de miles de grados Celsius, cerca del punto focal, lo que permite procesar todos los materiales.

Por ejemplo, las máquinas de corte por láser de CO 2 de alta potencia utilizadas habitualmente en la industria adoptan distancias focales de 127 a 190 mm, con diámetros de punto focal que oscilan entre 0,1 y 0,4 mm, y su densidad de energía puede alcanzar los 10 W/ cm2 .

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