7.6: Tipos de Láseres

Existen muchos tipos de láseres: láser de gas, sólido, líquido, semiconductor, químico, excimer, haz de electrones, electrones libres, fibra e incluso láseres de guía de onda. Los clasificamos según el mecanismo de bombeo.

7.6.1 Bombeo óptico

La energía para transferir el átomo\(A\) del estado fundamental al estado excitado es proporcionada por la luz. La fuente podría ser otro láser o una fuente de luz incoherente, como una lámpara de descarga. Si\(A\) está el átomo en el estado fundamental y\(A^{*}\) es el átomo excitado, tenemos\[\hbar \omega_{02}+A \rightarrow A^{*} \nonumber \] donde\(\omega_{02}\) está la frecuencia para la transición\(0 \rightarrow 2\) como se ve en la Figura\(\PageIndex{7}\). El láser Ruby, del que consiste el medio amplificador\(\mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3}\) con porcentaje en\(0.05\) peso\(\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{3}\), fue el primer láser, inventado en 1960. Emite pulsos de luz de longitud de onda\(694.3 \mathrm{~nm}\) y se bombea ópticamente con una lámpara de descarga de gas. Otros láseres bombeados ópticamente son el YAG, el vidrio, la fibra, el semiconductor y el láser de tinte. En el láser de tinte el amplificador es un líquido (por ejemplo, Rodamina6G). Es bombeado ópticamente por un láser de argón y tiene un ancho de ganancia enorme, que cubre casi todo el rango de longitud de onda visible. Podemos seleccionar una cierta longitud de onda insertando un elemento dispersivo como la cavidad Fabry-Perot dentro de la cavidad del láser y girándolo en ángulo recto para seleccionar la longitud de onda deseada, como se explicó anteriormente.

7.6.2 Bomba de Colisión de Electrones

Los electrones energéticos se utilizan para colisionar con los átomos del amplificador, transfiriendo así parte de su energía:\[A+e\left(\mathcal{E}_{1}\right) \rightarrow A^{*}+e\left(\mathcal{E}_{2}\right), \nonumber \] donde\(e\left(\mathcal{E}_{1}\right)\) significa un electrón con energía\(\mathcal{E}_{1}\) y donde\(\mathcal{E}_{1}-\mathcal{E}_{2}\) es igual a para\(\hbar \omega_{02}\) que se transfiera el átomo del estado base al estado 2 para obtener inversión poblacional. Ejemplos son los láseres HeNe, Argón, Criptón, Xenon, Nitrógeno y Cobre. Los electrones pueden ser creados por una descarga o por un haz de electrones.

7.6.3 Colisión atómica

Dejar\(B^{m}\) ser átomo\(B\) en un estado excitado, llamado metaestable. Esto significa que\(B^{m}\), aunque inestable, tiene un tiempo de relajación muy largo, es decir, más largo que\(1 \mathrm{~ms}\) o menos. Si\(B^{m}\) choca con el átomo\(A\), transfiere energía a\(A\).

\[B^{m}+A \rightarrow B+A^{*}, \nonumber \]\(A^{*}\)es el estado excitado utilizado para la emisión estimulada. Si\(\tau_{m 1}\) es el tiempo de relajación del estado metaestable\(B^{m}\), entonces\(\tau_{m 1}\) es muy grande y de ahí la tasa de emisión espontánea es muy pequeña. Esto implica que el número de átomos metaestables en función del tiempo\(t\) viene dado por una función exponencial que se descompone lentamente\(\exp \left(-t / \tau_{m 1}\right)\). ¿Cómo se pueden obtener átomos metaestables? Uno puede, por ejemplo, bombear el átomo B desde su estado fundamental 1 a un estado excitado 3 por encima del estado\(\mathrm{m}\), de tal manera que la tasa de emisión espontánea\(3 \rightarrow m\) es grande. El bombeo se puede hacer eléctricamente o por cualquier otro medio. Si se hace eléctricamente, entonces tenemos\[B+e\left(\mathcal{E}_{2}\right) \rightarrow B^{m}+e\left(\mathcal{E}_{1}\right), \nonumber \]

Ejemplos de estos tipos de láser son He-Ne, que emite en rojo at\(632 \mathrm{~nm}, \mathrm{~N}_{2}\) -\(\mathrm{CO}_{2}\) y He-Cd. Todos estos dependen de colisiones de átomos o moléculas, donde el átomo o molécula que se menciona primero en el nombre se lleva al estado metaestable y el láser ocurre a una longitud de onda correspondiente a una diferencia de nivel del segundo átomo o molécula mencionada. En el caso más simple los estados metaestables son creados por electrones generados por una descarga. El\(\mathrm{CO}_{2}\) láser emite en\(10 \mu \mathrm{m}\) y puede lograr una gran potencia.

7.6.4 Bomba Química

En algunas reacciones químicas, se crea una molécula en estado excitado con inversión poblacional. Un ejemplo es:\[A+B_{2} \rightarrow(A B)^{*}+B \nonumber \] Entonces en este caso el láser se llevará a cabo para una transferencia entre estados de molécula\(A B\). Los láseres HF, DF, Ar-F, Cr-F, Xe-F y Xe-Cl son todos bombeados químicamente.

7.6.5 Láser semiconductor

En este caso el bombeo se realiza mediante inyección de corriente electrónica. Es uno de los láseres más compactos y, sin embargo, normalmente emite\(20 \mathrm{~mW}\) potencia. Las transiciones ocurren entre las bandas de conducción y valencia cerca de la\(p-n\) unión. Los electrones de la\(n\) banda de conducción de capa se recombinarán con los agujeros en la\(p\) capa. Se obtiene una cavidad puliendo las caras finales que son perpendiculares a la unión para hacerlas altamente reflectantes. Los láseres semiconductores se producen para longitudes de onda desde\(700 \mathrm{~nm}\) hasta\(30 \mu \mathrm{m}\) y dan salida continua (CW).

Figura\(\PageIndex{1}\): Bombeo óptico.

Figura\(\PageIndex{2}\): Láser HeNe con espejos externos esféricos, un tubo de descarga con caras en el ángulo Brewster para minimizar las reflexiones, y un ánodo y cátodo para el bombeo de descarga (de Wikimedia Commons por DrBob/cc BY-SA 3.0).

Figura\(\PageIndex{3}\): Bombeo de átomos\(A\) al estado 2 por colisión con átomos metaestables\(B^{m}\)

Figura\(\PageIndex{4}\): Láser semiconductor con\(\mathrm{p}-\mathrm{n}\) unión activa, caras finales pulidas y suministro de corriente para bombeo.