7.5: Problemas con el funcionamiento del láser

En esta sección consideramos algunos problemas que ocurren con los láseres y discutimos qué se puede hacer para resolverlos.

1. Frecuencias de resonancia múltiple

En muchas aplicaciones, como la comunicación láser y la interferometría, se necesita una sola longitud de onda. Considere una cavidad de longitud\(L\) como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) y supongamos que el amplificador tiene una curva de ganancia que cubre muchas resonancias del resonador. Una forma de lograr una salida de frecuencia única es cuidando que solo haya una frecuencia para la que la ganancia sea mayor que las pérdidas. Se dice entonces que el láser está por encima del umbral para una sola frecuencia. Esto se puede hacer eligiendo la longitud\(L\) de la cavidad para que sea tan pequeña que solo haya un modo bajo la curva de ganancia para el cual la ganancia es mayor que las pérdidas. Sin embargo, una pequeña longitud del amplificador significa menos potencia de salida y un haz de salida menos colimado. Otro método sería reducir el bombeo para que por un solo modo la ganancia compense las pérdidas. Pero esto implica nuevamente que la potencia de salida del láser es relativamente pequeña. Una mejor solución es agregar una cavidad Fabry-Perot dentro de la cavidad láser como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La cavidad consiste, por ejemplo, en una pieza de vidrio de cierto espesor\(a\).

Al elegir\(a\) suficientemente pequeña, la distancia en frecuencia\(c /(2 a)\) entre las resonancias de la cavidad de Fabry-Perot se vuelve tan grande que solo hay una resonancia de Fabry-Perot bajo la curva de ganancia del amplificador. Además, al elegir el ángulo adecuado para la cavidad de Fabry-Perot con respecto al eje de la cavidad láser, la resonancia de Fabry-Perot se puede acoplar a la frecuencia de resonancia deseada. Esta frecuencia es entonces la frecuencia de la salida del láser. Todas las demás frecuencias de resonancia del resonador bajo la curva de ganancia están amortiguadas, porque no son una resonancia de la cavidad de Fabry-Perot.

Figura\(\PageIndex{1}\): Láser con cavidad de longitud\(L\) y curva de ganancia amplia del amplificador. Muchas frecuencias de resonancia de las resonancias están por encima del umbral para compensar las pérdidas.

Figura\(\PageIndex{2}\): Láser con cavidad de longitud\(L\), curva de ganancia amplificadora amplia y cavidad añadida de Fabry-Perot. Las resonancias FB actúan como un filtro extra para seleccionar solo un modo del láser.

2. Múltiples modos transversales

El modo láser más conocido tiene distribución de intensidad transversal, que es una función gaussiana de distancia transversal al eje óptico. Llamamos a un modo con forma transversal gaussiana un modo longitudinal y cuando su frecuencia satisface\(\nu=m c /(2 L)\), se le llama el modo longitudinal\(m\) th. Sin embargo, dentro de la cavidad láser también pueden resonar otros modos con diferentes patrones transversales. Un ejemplo se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) donde el modo\((1,0)\) consiste en dos máximos. Existen muchos más modos transversales, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Cavidad láser con\((0,0)\) y\((1,0)\) modos.

Todos los modos transversales tienen frecuencias ligeramente diferentes. Entonces, incluso cuando solo hay un modo gaussiano por encima del umbral (es decir, los modos ocurren para un solo valor de\(m\)), puede haber muchos modos transversales con frecuencias muy cercanas a la frecuencia del modo gaussiano, que también están por encima del umbral. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{5}\) donde las frecuencias de los modos\((0,0),(1,0)\) y\((1,1)\) todos están por encima del umbral. Por lo general, uno prefiere el modo gaussiano y los modos transversales son indeseados. ¿Cómo se puede deshacerse de ellos? Debido a que el modo gaussiano tiene el ancho transversal más pequeño, los modos transversales se pueden eliminar insertando una abertura en la cavidad del láser. Esta apertura es tan pequeña que los modos transversales sufren altas pérdidas de dispersión, pero es lo suficientemente grande como para que el modo gaussiano no se vea afectado.

Figura\(\PageIndex{4}\): Patrón de intensidad de varios modos transversales.

Figura\(\PageIndex{5}\): Frecuencias de resonancia de modos transversales que tienen ganancia suficiente para compensar las pérdidas.