Láseres de Estado Sólido y de Gas

La emisión inducida neta ocurre cuando la tasa de emisión inducida desde el estado excitado (N*) es mayor que la tasa de absorción desde el estado fundamental (N). Para lograr esto, se requiere una inversión de población, donde la población del estado excitado supera la del estado fundamental.

La tasa de cambio en la población del estado excitado (dN*/dt) es igual a la diferencia entre las tasas de emisión inducida desde el estado excitado (BρνN) y las tasas de absorción desde el estado fundamental (BρνN), menos la tasa de decaimiento espontáneo (AN).

La población del estado excitado en función del tiempo (Nt) se puede calcular usando la ecuación de tasa de cambio del estado excitado, asumiendo que inicialmente no hay población en el estado excitado (N=0).

En un sistema de dos niveles, la población del estado excitado no puede superar el 50% de la población del estado fundamental debido a la baja probabilidad de estar en el estado excitado en equilibrio térmico. Se requiere un sistema de tres niveles para lograr la inversión de población necesaria para la emisión inducida neta.

Para lograr la inversión de población, se necesita un sistema de múltiples niveles, donde la población del estado excitado es mayor que la población del estado fundamental en equilibrio térmico. Esto se logra mediante la absorción de energía en un estado de metaestable, el cual posteriormente decae a un estado excitado con mayor probabilidad de decaimiento radiativo, favoreciendo la inversión de población.

La inversión de población es el estado donde la población del estado excitado es mayor que la población del estado fundamental. Este estado es esencial para la emisión inducida neta, ya que permite que la tasa de emisión inducida desde el estado excitado exceda la tasa de absorción desde el estado fundamental.

La emisión inducida es un proceso donde la tasa de emisión de fotones desde un átomo excitado es proporcional a la densidad de energía radiante. Esta emisión está en fase con la radiación incidente y es el mecanismo fundamental para la amplificación de la luz en un láser.

El decaimiento espontáneo es un proceso donde un átomo en un estado excitado espontáneamente emite un fotón y decae a un estado de menor energía. La tasa de decaimiento espontáneo es independiente de la densidad de energía radiante y está determinada por la vida media del estado excitado.

El láser de gas He-Ne emite en el rango infrarrojo a 1100 nm. Su invención fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 1964.

La amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación (LASER, por sus siglas en inglés) es un proceso que consiste en aumentar la intensidad de un haz de luz al estimular la emisión de fotones de átomos excitados.

En 1958, Gould propuso el concepto de un tubo con espejos paralelos para generar una onda estacionaria de luz, sentando las bases para la tecnología láser.

Charles Townes y Arthur Schawlow publicaron un artículo en 1958 sobre el funcionamiento de los máseres, dispositivos que emiten radiación en el rango de microondas, que sentaron las bases para el desarrollo de los láseres.

En 1960, Theodore Maiman logró construir el primer láser funcional, utilizando un cristal de rubí.

La tecnología láser ha experimentado un progreso significativo desde su invención, abarcando un espectro de frecuencias más amplio, desde las microondas hasta los rayos X, y con sintonía, monocromaticidad y estabilidad mejoradas.

Los láseres han alcanzado un nivel de monocromaticidad y estabilidad excepcionales, con precisión de frecuencia de Hertz o 10^15:1.

Los láseres modernos permiten controlar y reducir la escala temporal de los pulsos de luz, logrando duraciones de femtosegundos e incluso attosegundos.

Los láseres actuales pueden alcanzar potencias de pico extremadamente altas, superiores a 10^20 W/cm^2, superando la intensidad de una lámpara incandescente.

La absorción inducida es un proceso en el que un átomo absorbe un fotón de luz y pasa a un estado de energía superior.

La emisión espontánea es un proceso en el que un átomo excitado emite un fotón de forma aleatoria.

El balance entre la absorción y la emisión inducida depende de la distribución de población entre los niveles de energía.

La distribución de equilibrio de población entre los niveles de energía se describe por la distribución de Boltzmann.

La saturación ocurre cuando la población del estado excitado se acerca a la del estado fundamental, limitando la amplificación láser.

La diferencia entre dos modos longitudinales adyacentes. Se puede entender como la separación espectral entre dos picos de resonancia en una cavidad resonante.

Un modo de resonancia caracterizado por la distribución espacial del campo eléctrico dentro de la cavidad, perpendicular al eje del resonador. Se refiere a la forma del haz de luz en la cavidad.

La potencia mínima necesaria para iniciar la oscilación láser. Es el umbral por encima del cual se produce la amplificación de la luz.

Refleja la amplificación de la luz en el medio láser. Cuanto mayor es la ganancia, mayor es la amplificación de la luz.

La distribución del campo eléctrico en la cavidad resonante, caracterizada por la posición de los nodos (puntos de mínima intensidad) en los ejes x e y.

El modo TEM que presenta una distribución espacial uniforme del campo eléctrico en la cavidad. Es el modo más común y deseable en los láseres.

La potencia de salida del láser, que se mide en unidades de potencia como vatios o milivatios.

La cavidad resonante es un conjunto de dos (o más) espejos que reflejan la luz y crean un camino de retroalimentación en el medio láser. La retroalimentación amplificada crea la emisión láser.

Un tipo de láser donde el medio activo es un sólido, típicamente un cristal o vidrio dopado con un elemento de transición, como cromo (Cr+3).

El elemento de transición que se utiliza para dopar el cristal o vidrio. Ejemplos comunes incluyen cromo (Cr+3), neodimio (Nd+3) y titanio (Ti+3).

El material base en el que se integra el ion activo. Puede ser vidrio o un cristal como granate.

La longitud de onda de la luz emitida por el láser. Los láseres de estado sólido pueden operar en el rango infrarrojo (IR) y el rango visible (VIS).

Un láser de estado sólido donde el medio activo es un cristal de rubí (Al2O3 con Cr2O3).

Un láser de argón es un tipo de láser de gas que utiliza argón como medio activo. Se caracteriza por su capacidad de operar en modo continuo y generar potencias moderadas.

La cavidad de un láser de argón puede ser multilínea, produciendo múltiples líneas espectrales, o monolínea, generando solo una línea espectral.

El medio activo del láser de argón es el argón gaseoso, que se excita mediante una descarga eléctrica. La energía se transfiere a los átomos de argón, llevándolos a un estado excitado y permitiendo la emisión láser.

El bombeo en un láser de argón se realiza mediante una descarga eléctrica, que excita los átomos de argón y crea la inversión de población necesaria para la emisión láser

El láser de dióxido de carbono (CO2) es un láser de gas que utiliza una mezcla de nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y helio como medio activo. Se caracteriza por su operación continua, sintonizable y potencias altas.

Un tipo de láser que funciona excitando los átomos de cromo (Cr+3) con una lámpara de flash.

Es un láser de tres niveles, lo que significa que el estado energético superior tiene una vida útil más larga. A esta vida útil la llaman 'metaestable'.

El rango espectral de este láser se encuentra en el espectro visible, específicamente en el rojo.

El láser de Rubí funciona de forma pulsada, lo que significa que emite luz en pulsos cortos y fuertes.

El método de bombeo es óptico, excitando los átomos de neodimio (Nd+3) con una lámpara de flash o diodos.

El Nd:YAG es un láser de cuatro niveles, lo que significa que el estado energético superior tiene una vida útil más corta que el láser de Rubí.

El láser de Nd:YAG emite luz en el infrarrojo, específicamente a 1064 nm o múltiplos de esta longitud de onda.

El láser de Nd:YAG opera de forma pulsada, generalmente en nanosegundos (ns).

El láser de Ti:Zafiro es un láser de estado sólido que utiliza iones Titanio (Ti+3) como medio activo.

El láser de Ti:Zafiro se caracteriza por su capacidad de sintonización, lo que significa que se puede ajustar la frecuencia de emisión de luz.