15.5: ¿Qué es Dentro de un Láser?
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La mayoría de los láseres constan de tres componentes básicos:
- el medio de ganancia desde el que se emite luz de una frecuencia específica
- la fuente de la bomba que proporciona energía al medio de ganancia para crear la luz
- la cavidad óptica láser en la que la luz se amplifica pasando repetidamente a través del medio de ganancia
El medio de ganancia
El medio de ganancia, o medio activo, es una colección de átomos o moléculas que pueden sufrir emisión estimulada. El medio activo puede estar en forma gaseosa, líquida o sólida. Puede ser una sustancia pura o una solución. Debido a que la luz emitida de un láser es creada por la transición entre dos estados cuantificados del medio de ganancia, la luz láser siempre es monocromática. La luz láser también es siempre coherente, lo que significa que las ondas de luz emitidas por el láser están todas en fase.
Sólidos
El primer láser, el láser rubí de Maiman, descrito en la sección 15.4, utilizó una varilla sólida de rubí sintético como medio de ganancia (Figura\(\PageIndex{1}\)).
El rubí es una variedad gema del corindón mineral, Al 2 O 3, en el que los iones Cr 3 + reemplazan aproximadamente 0.05% (en masa) de los iones Al 3 +. La estructura electrónica de las impurezas Cr 3 + permite que el rubí actúe como medio de ganancia. Sin embargo, se debe usar rubí sintético porque los rubíes naturales tienen demasiados defectos cristalinos. Otros medios de ganancia en estado sólido se muestran en la Tabla\(\PageIndex{1}\).
Tabla\(\PageIndex{1}\): Medios de ganancia de fase sólida
| Host de estado sólido | Ion Activo | Longitud de onda (nm) | Salida | Vida útil |
|---|---|---|---|---|
| Al 2 O 3 | Ti 3 + | 780 | continuo y pulsado | 10 fs - 5 ps |
| Al 2 O 3 | Cr 3 + | 694.3 | pulsado | 10 ps |
| Vidrio (SiO 2) | Nd 3 + | 1059 | pulsado | 1 ps |
| YAG Y 3 Al 5 O 15 | Nd 3 + | 1064.1 | continuo y pulsado | 10-150 ps |
| YLF Y 3 Li XFy | Nd 3 + | 1054.3 | continuo y pulsado | 10-100 ps |
Gases
En la figura se muestra un láser básico de He-Ne\(\PageIndex{2}\). El medio de ganancia es la mezcla gaseosa a través de la cual pasa el rayo láser.
Otros medios comunes en fase gaseosa incluyen gases nobles y moléculas, pero también cationes metálicos, y átomos metálicos como se muestra en la Tabla\(\PageIndex{2}\).
| Ganancia Gaseosa Media | Longitud de onda (nm) | Salida | Duración del pulso |
|---|---|---|---|
| N 2 | 337 | pulsado | 1 ns |
| Cu | 510 | pulsado | 30 ns |
| CO 2, Él, N 2 | sintonizable cerca de 10,000 | pulsado | > 100 ns |
| Él, Ne | 3391, 1152, 632, 544 | continuo | continuo |
| Él, Cd | 441, 325 | continuo | continuo |
| Ar + | 488, 515 | continuo | continuo |
| K + | 647 | continuo | continuo. |
Láseres Exciplex
Los láseres Exciplex implican la formación de un exciplex, una especie gaseosa que se forma y existe solo en estado excitado. Debido a que solo puede existir el estado superior excitado, no hay población en el estado inferior disociado, por lo que se obtiene una inversión poblacional. La transición láser se produce a medida que el exciplex estado excitado emite su energía de excitación y simultáneamente se desmorona. Dos láseres exciplex comunes son XeCL* (308 nm) y KrF* ((249 nm). Estos láseres a menudo se conocen como láser excimer, pero el término “excimer” se refiere a un dímero excitado, AA*, y por lo tanto no debe usarse para describir un exciplex, AB*.
Soluciones Líquidas
Muchos láseres de tinte utilizan un tinte orgánico, generalmente disuelto en una solución, como medio de ganancia. Una ventaja de usar una solución de tinte como medio de ganancia es que puede crear un láser sintonizable, que permite la sintonización continua en un amplio rango de longitudes de onda. Por ejemplo, la rodamina 6G es un tinte que se puede afinar de 635 nm a 560 nm. La solución de tinte ingresa a la cavidad del láser al pasar a través de una celda o al pasar a través del aire usando un chorro de tinte. (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Algunos tintes láser comunes, además de la rodamina 6G y las rodaminas, incluyen varias cumarinas, estilbenos y fluoresceína. Existen láseres de tinte de estado sólido (SSDL), en los que el colorante se dispersa uniformemente dentro de una matriz de polímero sólido.
La fuente de la bomba
Para que tenga lugar el láser, el medio de ganancia debe ser bombeado a un estado excitado capaz de sufrir emisión estimulada. La energía requerida para la excitación suele ser suministrada por una corriente eléctrica o una fuente de luz intensa, como una lámpara de destellos o un láser de excitación. Los láseres de diodo, los láseres excimer y los láseres YAG se han utilizado como fuentes de bombeo.
Los láseres se clasifican como que tienen un haz continuo o un haz pulsado. En teoría, cualquier láser podría funcionar como un láser de haz pulsado si la fuente de la bomba está establecida para entregar la energía de excitación en ráfagas repetidas regularmente. No todos los láseres pueden funcionar como láseres de onda continua (CW), sin embargo, porque hay medios de ganancia en los que no es posible mantener una inversión continua de la población. El láser rubí es un ejemplo de un láser que no puede producir una onda continua.
La cavidad óptica láser
La figura\(\PageIndex{4}\) muestra los componentes principales de una cavidad óptica (o resonador) láser genérico. La cavidad óptica está formada por un par de espejos que rodean el medio de ganancia y permiten la retroalimentación de la luz hacia el medio. Esta retroalimentación es crítica para el funcionamiento de un láser porque es donde se produce la amplificación de la señal. El medio de ganancia es excitado por una fuente de bomba externa, como una lámpara de destello, corriente eléctrica u otro láser. El acoplador de salida es un espejo parcialmente reflectante que permite que una parte de la radiación láser salga de la cavidad pero refleja la mayor parte de la luz hacia atrás a través del medio de ganancia. La luz atrapada entre los espejos forma estructuras de onda estacionaria llamadas modos. Aunque más allá del alcance de esta discusión, el lector interesado en los modos de cavidad puede consultar el módulo “Propiedades de Radiación Láser”.
La figura\(\PageIndex{5}\) muestra la cavidad láser de un láser de tinte sintonizable. El láser es sintonizable porque la fuente de bombeo proporciona varias energías de excitación, lo que resulta en la creación de varias energías posibles para el haz láser. El usuario elige la energía láser deseada por medio de un elemento de sintonización, que a menudo es una rejilla de difracción móvil.
Láseres de diodo
Los láseres de diodo no lase de la misma manera que los láseres descritos anteriormente. No hay cavidad óptica láser, y por lo tanto no hay emisión estimulada. Los diodos hechos de materiales como GaAs emiten luz cuando la recombinación de un electrón y un agujero en un semiconductor libera energía en forma de fotones. Se mantiene una inversión poblacional eliminando rápidamente los electrones que están cayendo en los agujeros del semiconductor tipo p. Se forma una cavidad pseudo-óptica porque los materiales semiconductores generalmente tienen un índice de refracción muy alto, haciendo que los fotones queden atrapados en el cristal del semiconductor debido a la gran y abrupta diferencia en los índices de refracción en las superficies del cristal. GaAs emite luz infrarroja, pero se puede dopar para crear un material que emita a otra longitud de onda. Por ejemplo, GaAs 0.6 P 0.4 emite luz roja.