7.1: Propiedades únicas de los láseres

Las amplias aplicaciones de los láseres son posibles gracias a sus propiedades únicas que los distinguen de todas las demás fuentes de luz. Discutimos estas propiedades únicas a continuación.

7.1.1 Alta monocromaticidad; Ancho Espectral Estrecho; Alta Coherencia Temporal

Estas tres prperties básicamente son las mismas. Decir que el láser tiene alta monocromaticidad o que tiene un ancho espectral muy estrecho significa que emite una banda de frecuencias muy estrecha, Una lámpara espectral, como una lámpara de descarga de gas basada en vapor de Mercurio, puede tener un ancho espectral\(\Delta \nu=10 \mathrm{GHz}\). Las frecuencias visibles están alrededor\(2 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}\), de ahí que el ancho espectral de la lámpara sea aproximadamente\(0.02 \%\). El ancho de línea medido en longitudes de onda satisface\[\frac{\Delta \lambda}{\lambda}=\frac{\Delta \nu}{\nu} \text {, } \nonumber \] y por lo tanto para\(\lambda=550 \mathrm{~nm}, \Delta \lambda\) de una lámpara espectral es del orden de\(0.1 \mathrm{~nm}\).

Por el contrario, un láser puede tener fácilmente una banda de frecuencia que es un factor de 100 menor, es decir, menor que\(10 \mathrm{MHz}=10^{7} \mathrm{~Hz}\) en lo visible. Para una longitud de onda de\(550 \mathrm{~nm}\) esto significa que el linewidth es solamente\(0.001 \mathrm{~nm}\). Como se ha explicado en el Capítulo 7, el tiempo\(\tau_{c}\) de coherencia de la luz emitida es el recíproco del ancho de banda de frecuencia:\[\tau_{c}=1 / \Delta \nu . \nonumber \]

La luz es emitida por átomos en ráfagas de ondas armónicas (coseno) consistentes en un gran pero finito número de períodos. Como se explicará en este capítulo, debido a la configuración especial del láser, los trenes de ondas en la luz láser pueden ser extremadamente largos, lo que corresponde a un tiempo de coherencia muy largo.

7.1.2 Haz altamente colimado

Considere una lámpara de descarga como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Para colimar la luz, la lámpara de descarga se puede colocar en el plano focal de una lente. Las ondas esféricas emitidas por todas las fuentes puntuales (átomos) en la lámpara se coliman en ondas planas cuya dirección depende de la posición de los átomos en la fuente. Los átomos en los bordes de la fuente determinan el ángulo de divergencia general\(\theta\), el cual viene dado por\[\theta=h / f, \nonumber \] donde\(2 h\) está el tamaño de la fuente y\(f\) es la distancia focal de la lente como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). De ahí que la luz se pueda colimar ya sea eligiendo una lente con gran distancia focal o reduciendo el tamaño de la fuente, o ambos. Ambos métodos conducen, sin embargo, a intensidades débiles. Debido a la configuración especial de la fuente láser, que consiste en un resonador Fabry-Perot en el que la luz rebota arriba y abajo muchas veces antes de ser emitidas, las fuentes atómicas están efectivamente todas a una distancia muy grande y por lo tanto el tamaño efectivo de la fuente es muy pequeño. Por lo tanto, la divergencia del rayo láser no está limitada por el tamaño de la fuente sino por el tamaño de su superficie emisora a través del inevitable efecto de difracción. Como se desprende del Capítulo 6, un haz paralelo de diámetro\(D\) y longitud de onda\(\lambda\) tiene una divergencia limitada por difracción dada por:\[\theta=\frac{\lambda}{D} . \nonumber \] La divergencia limitada por difracción depende así de la longitud de onda y disminuye cuando aumenta el diámetro de la superficie emisora. Con una fuente láser, casi se puede alcanzar el ángulo de convergencia de difracción limitada y, por lo tanto, se puede realizar un haz colimado de muy alta intensidad (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Una lámpara de descarga en el plano focal de una lente convergente. Cada átomo de la lámpara emite una onda esférica durante una ráfaga de radiación, durando en promedio un tiempo de coherencia\(\tau_{c}\). La divergencia general del haz está determinada por los átomos en las posiciones extremas de la fuente.

Figura\(\PageIndex{2}\): Un rayo láser casi puede alcanzar colimación limitada por difracción.

7.1.3 Punto Enfocado Limitado por Difracción, Alta Coherencia Espacial

Si agregamos una segunda lente después de la primera lente en la Figura se obtiene\(\PageIndex{3}\) un punto en el plano focal de la segunda lente. Este punto puede ser muy pequeño solo cuando la luz ha sido casi perfectamente colimada por la primera lente.

¿Cuál es el punto focal más pequeño que se puede lograr? Si uno enfoca un haz perfectamente colimado con una lente con aberraciones muy pequeñas y con apertura numérica NA, el tamaño lateral del punto enfocado es, según el Capítulo 6, limitado por difracción y dado por\[\text { diffraction-limited spot size }=0.6 \frac{f}{D} \lambda=0.6 \frac{\lambda}{N A} \text {. } \nonumber \] Con un láser se puede lograr un punto de difracción limitada con una intensidad muy alta.

Como se ha explicado en el Capítulo 5, una onda de luz tiene una alta coherencia espacial si en algún momento dado se puede predecir su amplitud y fase en puntos transversales. Las ondas esféricas emitidas por una fuente puntual tienen esta propiedad. Pero cuando hay muchas fuentes puntuales (átomos) que emiten cada una ráfagas de ondas armónicas que comienzan en momentos aleatorios, como es el caso en una fuente de luz clásica, no se puede predecir la amplitud y fase del campo total emitido en cualquier posición del espacio. La única manera de hacer que la luz sea espacialmente coherente es haciendo que la fuente de luz sea muy pequeña, pero luego apenas hay luz. Como se explicará a continuación, por el diseño del láser, las emisiones por los átomos del medio amplificador en un láser están correlacionadas de fase, lo que conduce a una coherencia temporal y espacial muy alta. La propiedad de un tamaño de punto pequeño con alta intensidad es esencial para muchas aplicaciones, como imágenes de alta resolución, procesamiento de materiales con puntos de corte, soldadura y perforación con muy alta potencia y en cirugía de retina, donde se aplica un punto muy pequeño y de alta intensidad para soldar la retina sin dañar el tejido sano circundante.

Figura\(\PageIndex{3}\): Mancha limitada por difracción obtenida mediante el enfoque de un haz colimado.

7.1.4 Alta Potencia

Hay dos tipos de láseres, a saber, los láseres de onda continua (CW), que producen una salida continua, y los láseres pulsados que emiten un tren de pulsos. Estos pulsos pueden ser muy cortos: desde un nanosegundo hasta incluso femtosegundos\(\left(10^{-15} \mathrm{~s}\right)\). Un láser CW de relativamente baja potencia es el láser HeNe que emite aproximadamente\(1 \mathrm{~mW}\) a la longitud de onda\(632 \mathrm{~nm}\). Otros láseres pueden emitir hasta un megavatio de potencia continua. Los láseres pulsados pueden emitir enormes intensidades de pico (es decir, al máximo de un pulso), que van desde\(10^{9}\) hasta\(10^{15}\) Watt.

Hay muchas aplicaciones de láseres de alta potencia, como para cortar y soldar materiales. Para obtener luz EUV con suficiente intensidad alta para su uso en fotolitografía para la fabricación de CI, se utilizan\(\mathrm{CO}_{2}\) láseres extremadamente potentes para excitar un plasma. Láseres de extremadamente alta potencia también se aplican para iniciar la fusión y en muchas aplicaciones ópticas no lineales. Los láseres con pulsos muy cortos también se utilizan para estudiar fenómenos muy rápidos con tiempos de decaimiento cortos, y para realizar relojes más rápidos.

7.1.5 Amplio Rango de Afinación

Para una amplia gama de longitudes de onda, desde el vacío ultravioleta (VUV), el ultravioleta (UV), el visible, el infrarrojo (IR), el infrarrojo medio (MIR) hasta el infrarrojo lejano (FIR), los láseres están disponibles. Para algún tipo de láseres, el rango de sintonización puede ser bastante amplio. Las brechas en el espectro electromagnético que no son abordadas directamente por la emisión láser pueden ser cubiertas por técnicas como la generación de armónicos más altos y la diferenciación de frecuencia.