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Introducción a los láseres

En las películas de ciencia ficción populares durante la década de 1950, los monstruos se retratan a menudo que podría emitir rayos letales de la luz de sus ojos (Figura 1), pero hasta la invención del láser, rayos de energía tales concentrados y poderosos fueron sólo fantasía. Ahora es posible modificar, de la sonda, o destruir la materia utilizando la radiación altamente enfocado a partir de fuentes de energía conocidas como láseres. Casi toda la luz que vemos en nuestra vida cotidiana, que van desde el sol, estrellas, lámparas incandescentes y fluorescentes, para igualar nuestros aparatos de televisión, se produce espontáneamente cuando los átomos y las moléculas de librarse del exceso de energía.

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De iones de argón láser de gasExplora cómo el tubo de descarga de láser de iones de argón opera con gas ionizado para producir una onda continua de energía de la luz a través del espejo de salida. El tutorial muestra la lenta acumulación de energía de la luz dentro del tubo antes de establecer un estado constante de descarga de láser.

Aunque los láseres que emiten luz visible son los más comunes, los principios básicos son aplicables a través de gran parte del espectro electromagnético. La primera emisión estimulada se logró en la región de microondas del espectro, pero ahora están disponibles láseres que emiten luz ultravioleta e infrarroja, y se está avanzando hacia la producción de láseres para la región del espectro de rayos X. láseres reales en uso hoy en día varían en potencia de salida de menos de un milivatio a muchos kilovatios de salida continua, y algunos producen billones de vatios en pulsos extremadamente cortos. La figura 2 presenta algunos ejemplos representativos de los láseres, que varían mucho en tamaño y aplicación. laboratorios de investigación militares y otros han construido láseres que ocupan edificios enteros, mientras que los láseres más comunes utilizan un dispositivo semiconductor aproximadamente del tamaño de un grano de arena.

Varios conceptos adicionales, que se originan en el fotón y el nivel atómico y se derivan del principio de cuantificación, son necesarios en el funcionamiento del láser comprensión:

Cuantificación de la energía en los resultados átomo en niveles discretos de energía asociados con el átomo.

Las transiciones de un nivel de energía a otro deben ser posible a fin de que la emisión de luz que se produzca.

Varios tipos de transición se producen y afectan a la cantidad de energía involucrada en una transición.

La emisión espontánea y estimulada es posible a partir de las transiciones energéticas.

inversión de población entre los niveles de energía deben ser alcanzados para amplificar la emisión estimulada de la energía.

El principal problema en la consecución de emisión láser estimulado es que, en condiciones normales de equilibrio termodinámico, la población, o el número de átomos o moléculas en cada nivel de energía, no es favorable para la emisión estimulada. Debido a la tendencia de los átomos y moléculas a caer espontáneamente a niveles de energía más bajos, el número en cada nivel de energía disminuye a medida que aumenta la energía. De hecho, en condiciones normales, para una energía de transición que corresponde a una longitud de onda óptica típica (del orden de 1 electrón voltios), la relación del número de átomos o moléculas en el estado de energía más alto para el número en el estado fundamental menor es quizás 10 E + 17. En otras palabras, prácticamente la totalidad de los átomos o moléculas se encuentran en el estado fundamental para una transición de energía de longitud de onda visible.

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Los procesos espontáneos y estimuladoExaminar la absorción y la emisión espontánea, así como la emisión estimulada que resulta en transiciones de nivel de energía con este tutorial interactivo. Estos procesos fundamentales representan conceptos importantes necesarias en funcionamiento comprensión láser.

La razón de que la emisión estimulada es difícil de lograr se hace evidente cuando se consideran los eventos probables que rodean la descomposición de un electrón de un estado excitado con la emisión subsiguiente y espontánea de la luz. La luz emitida fácilmente podría estimular la emisión de otro átomo salieron, pero tan pocos están disponibles de que la emisión más probable es que primero se produzca un átomo en estado fundamental, y será absorbido en su lugar (Figura 3 (c)). Debido a que el número de átomos en un estado excitado es tan minúsculo en relación con el número en el estado fundamental, el fotón emitido tiene una mayor probabilidad de ser absorbido, lo que hace la emisión estimulada insignificante en comparación con la emisión espontánea (en equilibrio termodinámico).

En el momento de la propuesta de Einstein, la mayoría de los físicos creían que cualquier condición que no sea el equilibrio termodinámico era inestable y no podía sostenerse. No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que seria consideración fue dada a los métodos de producción de inversión de población necesarios para sostener la emisión estimulada. Los átomos y las moléculas pueden ocupar muchos niveles de energía, y aunque algunas transiciones son más propensos que otros (debido a las reglas de la mecánica cuántica y por otras razones), una transición puede ocurrir entre dos niveles. El requisito mínimo para la emisión estimulada y amplificación, o la acción del láser, es que al menos un nivel de energía superior debe tener una población superior a un nivel más bajo.

Para producir la inversión de población necesaria para la actividad láser, átomos o moléculas deben ser excitado selectivamente a niveles específicos de energía. La luz y la electricidad son los mecanismos de excitación de elección para la mayoría de los láseres. La luz o electrones pueden proporcionar la energía necesaria para excitar los átomos o moléculas a mayores niveles de energía seleccionados, y no se requiere la transferencia de energía para promover directamente los electrones a un nivel superior específico de la transición láser. Algunos enfoques pueden ser bastante complejos, pero estos a menudo producen los láseres de mejor rendimiento. Un enfoque utilizado con frecuencia excita un átomo o molécula a un nivel de energía más alto que el requerido, después de lo cual cae al nivel láser superior. excitación indirecta se puede emplear para excitar los átomos de una mezcla de gas que lo rodea, que luego transfieren su energía a los átomos o moléculas responsables de la producción de la acción láser.

El máser que Charles Townes demostró por adelantado del primer láser fue significativa, ya que requiere la creación de una inversión de población con el fin de funcionar, y por lo tanto demostró muchos físicos escépticos de que una inversión de este tipo podría ser producido. Su sistema era un maser de dos niveles, utilizando solamente los niveles de energía superiores e inferiores. Townes emplea un enfoque novedoso en su sistema molécula de amoniaco para producir la inversión de población – una técnica de haces moleculares que separa las moléculas de amoníaco excitados de moléculas en estado fundamental. Las moléculas en estado fundamental se desecharon, y las moléculas excitadas separadas constituyeron la inversión de población necesaria. Otros, más eficientes, medios ahora se han desarrollado para máseres y láseres prácticos requieren la utilización de tres, cuatro, o más niveles de energía.

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La estructura de niveles de energía funcional más simple para el funcionamiento del láser es un sistema de tres niveles, que se ilustra en la Figura 4 (a). En este sistema, el estado fundamental es el nivel láser inferior, y se crea una inversión de población entre este nivel y un estado metaestable de alta energía. La mayoría de los átomos o moléculas son inicialmente excitado a un estado de alta energía de corta duración que es más alto que el nivel metaestable. De este estado se desintegran rápidamente al nivel metaestable intermedio, que tiene una vida útil mucho más larga que el estado de energía más alto (a menudo del orden de 1000 veces más). Debido a que el tiempo de residencia de cada átomo en el estado metaestable es relativamente largo, la población tiende a aumentar y conduce a una inversión de población entre el estado metaestable y el estado fundamental inferior (que continuamente se está despoblado al nivel más alto). resultados de las emisiones estimuladas desde el hecho de que más átomos están disponibles en el estado excitado superior (metaestable) que en el estado más bajo, donde lo más probable producirse la absorción de la luz.

Los láseres que utilizan cuatro o más niveles de energía evitar algunos de los problemas mencionados anteriormente, y por lo tanto se utilizan más comúnmente. La Figura 4 (b) ilustra un escenario de cuatro niveles. La estructura de nivel de energía es similar a la que en el sistema de tres niveles, excepto que después de los átomos de caída desde el nivel más alto al estado metaestable superior, que no bajan de todo el camino hasta el estado fundamental en un solo paso. Debido a que la inversión de población no se crea entre el estado fundamental y el nivel superior, el número de átomos o moléculas que deben ser elevados se reduce drásticamente en este modelo. En un sistema típico de láser de cuatro niveles, si sólo uno o dos por ciento de los átomos o moléculas residen en el nivel inferior de láser (que está por encima del estado fundamental), a continuación, emocionante sólo dos a cuatro por ciento del total al nivel más alto se lograr la inversión de población necesaria. Otra ventaja de separar el nivel láser inferior desde el nivel del suelo es que los átomos de nivel inferior, naturalmente, caen al estado fundamental. Si el nivel láser inferior tiene una vida que es mucho más corto que el nivel superior, los átomos se desintegran al nivel del suelo a una velocidad suficiente para evitar la acumulación en el nivel láser inferior. Muchos de los láseres diseñados bajo estas limitaciones pueden ser operados en un modo continuo para producir un haz ininterrumpido.

láseres de trabajo reales son por lo general mucho más compleja que los modelos descritos anteriormente. El nivel superior del láser no es a menudo un nivel único, sino un grupo de niveles de energía que permite que la energía de excitación requerida para variar en un amplio intervalo durante la operación. El nivel inferior también puede consistir en múltiples niveles, y si espaciadas estrechamente los niveles superiores de cada descomposición a un nivel inferior diferente, un único láser puede ser operado en múltiples transiciones, produciendo más de una longitud de onda. El láser de helio-neón, por ejemplo, se utiliza más comúnmente para emitir una única longitud de onda roja, pero también puede ser operado a otras transiciones para producir radiación naranja, amarillo, verde, y de infrarrojos. Existen muchos otros factores en el diseño de los láseres de prácticas, incluyendo la naturaleza de los medios de comunicación activa. Múltiples gases o otras combinaciones de especies moleculares se emplean a menudo para mejorar la eficiencia de la captura y la transferencia de la energía, o para ayudar en despoblar el nivel láser inferior.

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Presenta en la Figura 6 es una ilustración de la ganancia, o la amplificación, que se produce con el aumento de longitud de la trayectoria en la cavidad de resonancia debido a los espejos en cada extremo. La Figura 6 (a) muestra el comienzo de la emisión estimulada, que se amplifica en la Figura 6 (b) a través de la figura 6 (g) como la luz se refleja de los espejos colocados en los extremos de la cavidad. Una parte de la luz pasa a través del espejo parcialmente reflectante en el lado derecho de la cavidad (Figuras 6 (b, d, y f)) durante cada pasada. Por último, en el estado de equilibrio (Figura 6 (h)), la cavidad está saturado de emisión estimulada.

En un láser construido con una cavidad resonante longitudinal, tal como una varilla de rubí o un tubo lleno de gas, la luz que viaja a lo largo de la longitud del medio de láser genera emisiones mucho más estimulada de la luz emitida perpendicular al eje largo de la cavidad. por lo tanto, la emisión de luz se concentra a lo largo de la longitud de la cavidad, incluso sin el uso de espejos para confinar su camino a la dirección longitudinal. La colocación de espejos en los extremos opuestos de una cavidad de láser permite que el haz de viajar de ida y vuelta, lo que resulta en un aumento de la amplificación debido a la longitud del camino más largo a través del medio. Las múltiples reflexiones también producen un haz estrecho centrado (una característica importante de láser), porque sólo los fotones que viajan en paralelo a las paredes de la cavidad se reflejarán desde ambos espejos. Esta disposición se conoce como una oscilador. y es necesaria porque la mayoría de los materiales láser tienen muy baja ganancia, y la amplificación suficiente solo se puede lograr con una longitud de recorrido largo a través del medio.

Un error común acerca de los láseres resultados de la idea de que toda la luz emitida es reflejada hacia atrás y hacia delante dentro de la cavidad hasta una intensidad crítica se alcanza, después de lo cual algunos "escapa" a través del espejo de salida como una viga. En realidad, el espejo de salida siempre transmite una fracción constante de la luz cuando el haz, lo que refleja el resto de nuevo en la cavidad. Esta función es importante para que el láser para alcanzar un estado de equilibrio, con los niveles de potencia, tanto dentro como fuera del laser constante devenir.

N = 2 l (Longitud de la cavidad)

dónde norte es un número entero, y l es la longitud de onda. La condición para la resonancia no es tan crítica como podría parecer porque las transiciones láser reales en la cavidad se distribuyen sobre una gama de longitudes de onda, denominada ancho de banda de ganancia. Las longitudes de onda de luz son extremadamente pequeñas en comparación con la longitud de una cavidad de láser típica, y en general, una trayectoria de ida y vuelta completa a través de la cavidad serán equivalentes a varios cientos de miles ondas de la luz de ser amplificados. La resonancia es posible en cada incremento integral longitud de onda (por ejemplo, 200000, 200001, 200002, etc.), y porque las longitudes de onda correspondientes son muy cerca, que caen dentro del ancho de banda de ganancia del láser. La Figura 7 ilustra un ejemplo típico en el que varios valores de resonancia de norte. denominado modos longitudinales del láser, encajar dentro del ancho de banda de ganancia.

Los rayos láser tienen ciertas características comunes, pero también varían de un amplio grado con respecto al tamaño, la divergencia y distribución de la luz a través del diámetro del haz. Estas características dependen en gran medida del diseño de la cavidad láser (resonador), y el sistema óptico que controla el haz, tanto dentro de la cavidad y sobre la producción. Aunque un láser puede aparecer para producir un punto brillante uniforme de la luz cuando se proyecta sobre una superficie, si la intensidad de la luz se mide en diferentes puntos dentro de una sección transversal de la viga, se encuentra a variar en intensidad. diseño de resonador también afecta a la divergencia del haz, una medida de la dispersión del haz como se aleja de la de láser. El ángulo de divergencia de haz es un factor importante en el cálculo del diámetro del haz en una distancia dada.

En gran parte de la discusión anterior, se ha asumido que los espejos en los extremos de un resonador de cavidad láser son planas, o plano. Conceptualmente esta es la configuración más sencilla, pero en la práctica puede ser muy difícil de lograr. Si los dos espejos no están alineados con precisión, las pérdidas excesivas de luz ocurrirán que pueden hacer que el láser para dejar de funcionar. Incluso una falta de alineación de un grado fraccionada, después de varias reflexiones sucesivas, puede dar lugar a pérdidas de luz significativas de los lados de la cavidad. Si uno o ambos de los espejos tienen una superficie curva, las pérdidas de luz debido a la falta de alineación pueden ser reducidos o eliminados. Debido a las propiedades de enfoque del espejo curvado, la luz se limita a la cavidad incluso si los espejos no están alineados de forma precisa o si la luz no se emite exactamente a lo largo del eje de la cavidad. Hay una serie de variaciones de diseño que emplean diferentes combinaciones de avión y espejos curvos para asegurarse de que la luz se centra siempre de nuevo hacia el espejo opuesto. Una configuración de este tipo se denomina resonador estable porque la luz que se refleja desde un espejo a la otra continuará a oscilar indefinidamente si no hay otras pérdidas.

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En un medio de láser que tiene una baja ganancia, un resonador estable es muy importante para maximizar el uso de la emisión estimulada. En un láser de alta ganancia, las pérdidas de bajo nivel de los lados de la cavidad no son críticos. De hecho, cierta resonador inestable diseños pueden ser preferidos debido a que a menudo tienen la ventaja de recogida de energía a partir de un mayor volumen dentro del medio de láser, a pesar de que permiten que la pérdida de luz. Espejos en láseres de alta ganancia a menudo son más transparentes que los de los sistemas de láser que tiene la ganancia más baja, de manera que un rayo de luz dado sólo puede viajar una vez a través de la cavidad antes de emerger en la viga. Por lo tanto, la alineación de los espejos no es tan crítica como en un diseño de baja ganancia, donde la alta reflectividad de la espejo de salida hace que la luz se refleje muchas veces antes de emerger.

Un rayo láser típico es más brillante en el centro y cae en intensidad hacia los bordes. Esto representa la más simple primer orden modo, se designa TEM (00). y tiene un perfil de intensidad a través del haz que sigue una función gaussiana. La figura 8 ilustra varios de los modos de muchos TEM (mn) que son posibles. Aunque algunos láseres estable-resonador, especialmente los diseñados para potencia de salida máxima, operan en uno o más de los modos de orden superior, por lo general es deseable suprimir estas oscilaciones. El modo de primer orden se puede obtener fácilmente en el establo-resonador láser de baja ganancia, y es el modo preferido desde la dispersión del haz debido a la difracción puede acercarse a un valor mínimo teórico.

La divergencia (en radianes) = constante Longitud de onda / diámetro del haz

Si el haz de láser pasa a través de un sistema óptico, el valor del diámetro apropiado en la ecuación anterior es la de el último elemento a través del cual pasa el haz. La constante depende de la distribución de intensidad en el haz, y es muy cercano a la unidad de valor. La relación demuestra claramente que la divergencia del haz aumenta con la longitud de onda, y disminuye a medida que la viga (o lente de salida) aumenta el diámetro. En otras palabras, un haz de diámetro más pequeño va a sufrir más divergencia y una mayor propagación con la distancia que un haz más grande.

Los valores de divergencia del haz de un láser dado pueden tener un enorme significado práctico. Helio-neón y semiconductores láseres se han convertido en herramientas estándar en la topografía de campo. En láser que van, un pulso de láser rápido se envía a un reflector de esquina en el lugar a ser mapeado, y el retraso en el retorno del pulso se mide con precisión para obtener la distancia de la ubicación de láser. Durante las cortas distancias habituales, divergencia del haz no es un problema importante, pero para mediciones de distancias largas, la divergencia excesiva puede reducir la intensidad del haz reflejado y dificultar su detección. astronautas de Estados Unidos sobre las Apolo 11 y Apolo 14 misiones reflectores de esquina colocados en la luna que se emplea para reflejar la luz de un potente láser de rubí de impulsos en el Observatorio McDonald en Texas. A pesar de que la viga se había extendido hasta un radio de 3 kilómetros en la superficie de la luna, la luz reflejada todavía tenía la suficiente intensidad para ser detectada en la Tierra. La distancia entre la luna y el observatorio de Texas se midió a un plazo de 15 centímetros en este experimento, pero desde la década de 1980, los avances tecnológicos han aumentado la precisión a un valor de menos de 2 centímetros. Los esfuerzos actuales están en marcha que emplean telescopios de gran alcance para transmitir y recibir pulsos de luz que utilizan varios reflectores en la luna para reducir adicionalmente el error, tal vez para tan bajo como 1 milímetro.

Debido a que el mecanismo de la producción de la acción del láser consiste en elevar los átomos o moléculas a un estado de alta excitación, a fin de producir la inversión de población necesaria, es obvio que alguna forma de energía debe ser gastada en el sistema láser. Los fotones pueden ser utilizados para proporcionar la energía necesaria en un proceso conocido como bombeo óptico. Al iluminar el material láser con luz de una longitud de onda apropiada, el átomo o molécula que emite pueden elevarse al nivel de energía superior, desde donde luego cae al nivel metaestable y posteriormente se convierte estimuladas para emitir luz. Afortunadamente, en la mayoría de los láseres, la luz utilizada para el bombeo no tiene requisitos específicos de longitud de onda, principalmente debido a que el láser puede tener múltiples niveles superiores que pueden toda la caries al nivel metaestable. Por lo tanto, una fuente de luz de bajo costo de emisión de una amplia gama de longitudes de onda, tales como una lámpara incandescente o tubo de flash, a menudo puede ser usado para láseres de bombeo ópticamente. Un factor importante que limita la eficiencia de láser es que los fotones de luz de la bomba debe tener una energía más alta (o la longitud de onda más corta equivalente) de la luz láser.

bombeo eléctrico es otro mecanismo de excitación que se utiliza comúnmente en los láseres de gas y semiconductores. En un láser de gas, una corriente eléctrica fluye a través del gas excita los átomos y moléculas en el nivel de energía superior necesario para comenzar la descomposición, o serie de desintegración, que produce la emisión láser. Algunos láseres de gas pasar una corriente constante a través del gas para producir una salida continua, mientras que otros utilizan pulsos de corriente para producir una salida de láser pulsado. Algunos láseres de alta potencia incluso utilizan haces de electrones dirigidos en el gas para la excitación.

Kenneth R. primavera – Consultor Científico, Lusby, Maryland, 20657.

Thomas J. Fellers y Michael W. Davidson – Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, 1800 Oriental Dr. Paul Dirac La Universidad Estatal de Florida, Tallahassee, Florida, 32310.

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